花键轴断裂原因分析.aspx|塞棒断裂原因分析

２０１３年２月

失效分析与预防

Ｆｅｂｒｕａｒｙ。２０１３第８卷第１期

Ｖ０１．８，Ｎｏ．１

花键轴断裂原因分析

刘松

（中航工业南京机电液压工程研究中心，南京２１１１０６）

［摘要］通过对断裂花键轴断口的宏微观形貌、材料化学成分、金相显微组织、硬度及形状尺寸进行了测试与分析，并应用理论计算和有限元模拟分析，确定了花键轴的断裂性质及断裂原因。结果表明：该花键轴的断裂性质为扭转疲劳断裂。花键轴发生扭转疲劳断裂可能与共振有关；另外，花键轴花键与机匣内花键啮合间隙不当和断裂处轴径尺寸偏小均为促进其扭转疲劳断裂的影响因素。

［关键词］花键轴；扭转疲劳；共振【中圈分类号］ＴＫ４４２；ＴＨｌ３３．２

【文献标志码］Ａ

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－６２１４．２０１３．０１．００７

［文章编号］１６７３－６２１４（２０１３）０１－００３０－０５

ＦｒａｃｔｕｒｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｐｌｉｎｅＳｈａｆｔ

ＬＩＵＳｏｎｇ

（ＡＶＩＣｌＶａｎｊｉｎｇ

ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ

ｏｆＡｉｒｃｒａｆｔＳｙＵｅ，ｎｓ，Ｎａｎｆｉｎｇ２１１１０６，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｆａｉｌｕｒｅ

ｍｏｄｅａｎｄｃａｕｓｅ

ｏｆ

ａ

ｓｐｌｉｎｅｓｈａｆｔｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｆｒａｃｔｕｒｅｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｃｈｅｍｉｃａｌ

ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ，ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎａｎｄｄｉｍｅｎｓｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓｗｅｒｅａｌｓｏｐｅｒｆｏｒｍｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｄｅｉｓｔｏｒｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅ．Ｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅｏｆｔｈｅｓｐｌｉｎｅｓｈａｆｔｗａｓｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈ

ｒｅｓｏｎａｎｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｕｎｓｕｉｔａｂｌｅｍｅｓｈｉｎｇｂｅｔｗｅｅｎｓｐｌｉｎｅｓａｎｄｓｍａｌｌｅｒｓｈａｆｔｄｉａｍｅｔｅｒｐｒｏｍｏｔｅｄｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐｌｉｎｅｓｈａｆｔ；ｔｏｒｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅ；ｒｅｓｏｎａｎｃｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ

理。花键轴为单向传动，转速约为８６３０

ｒ／ｍｉｎ，燃

０

引言

油增压泵的最大功率为４２ｋＷ。

本研究通过对花键轴宏观形貌和断口进行观花键轴可分为矩形花键轴和渐开线花键轴两

察与分析，对花键轴的材料成分、金相组织及形状大类，是机械传动的一种，和平键、半圆键、斜键作尺寸进行测试，并应用理论计算和有限元模拟分用相同，均起传递机械扭矩作用。其具有承载能析，以确定花键轴的断裂性质及原因。力高、对中性、导向性好、互换性强、应力集中小等特点，因而广泛应用于飞机、汽车、拖拉机、机床制１

试验过程与结果

造业、农业机械等领域。随着花键轴的广泛使用，相应地出现花键轴断裂失效案例及相关分析研１．１

宏观检查

究［１剖。花键轴是传动零件，因而其失效往往会造花键轴断裂位置如图１所示，断裂处位于靠成重大机械事故。飞机发动机用花键轴是燃油增近与机匣内花键配合端的花键轴最小轴径处。花压泵的关键零件，其主要作用是将发动机的一部键轴与机匣内花键配合的花键明显有双面接触痕分动力传递给燃油增压泵；机匣和燃油增压泵通迹存在（图２ａ），而与燃油增压泵内花键配合的花过花键轴连接在一起，如果花键轴断裂，将直接导

键只有单面接触痕迹（图２ｂ）。该花键轴为单向致燃油增压泵功能丧失。某型燃油增压泵花键轴传动，花键应只有单面接触痕迹。因而通过花键工作过程中，发生断裂，该花键轴花键为渐开线式

的接触痕迹可以推断，花键轴花键与机匣内花键

花键，材料为３８ＣｒＭｏＡＩＡ钢，花键表层经渗氮处

啮合间隙可能有问题。

［收稿日期］２０１２年８月７日［修订日期】２０１２年１１月１７日

［作者简介］刘松（１９７９年一），男，工程师，主要从事金相及失效分析等方面的研究。

第１期

刘松：花键轴断裂原因分析

１．３断口观察

花键轴宏观断口为星形断口形貌［５］，如图

３ａ。断口微观形貌中有明显的疲劳条带（图３ｂ）存在；中心部位为瞬断区，存有大量韧窝（图３ｃ）。从断口形貌可以确定，花键轴断口呈典型轴的扭转疲劳断口特征，其断裂性质应为扭转疲劳破坏。

疲劳源区及附近未发现腐蚀现象，也未发现夹杂

等冶金缺陷。

１．４化学成分分析

应用直读光谱仪进行化学成分分析，结果见

图１花键轴的宏观形貌

Ｆｉｇ，１

Ｍａｃｒｏａｐｐｅａｒａｎｃｅｏｆｓｐｌｉｎｅｓｈａｆｔ

表ｌ。该花键轴的材料符合ＧＪＢ１９５１—１９９４的

规定。

１．５金相组织及硬度检查

虽然断裂处没有渗氮层（只有花键处要求渗

１．２形状尺寸测量

应用三坐标测量仪、齿轮仪和投影仪等精密

测量设备对花键轴的形状尺寸进行测量。测量结果表明：该花键轴的齿形、齿向、齿厚等均符合图纸要求，但断裂处轴径尺寸偏小。图纸要求断裂处轴径尺寸为咖１３０－。，。ｍｍ，该处实测尺寸为１２．８０ｍｍ，不符合图纸要求。

氮处理），但整个花键轴渗氮处理前进行过调质处

理。因而应用ＨＢ５０２２－－１９９４（（航空钢制件渗氮、氮

碳共渗金相组织检验标准》对该处金相组织进行评判。该处组织为回火索氏体（图４），级别为２级，符合要求（该零件调质组织应为１～５级）。

图２花键接触痕迹形貌

Ｆｉｇ．２

Ｃｏｎｔａｃｔ

ｔｒａｃｅ

ｏｆｓｐｌｉｎｅｓｈａｆｔ

（ｂ）Ｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｉａｔｉｏｎｓ（ｃ）Ｄｉｍｐｌｅｓ

图３花键轴断口形貌

Ｆｉｇ．３

Ｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｓｐｌｉｎｅｓｈａｆｔ

图４断裂处显微组织

Ｆｉｇ．４

Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅ

ｚｏｎｅ

测试其洛氏硬度，结果为３４．５ＨＲＣ，满足技术要求（３０～３７ＨＲＣ）。

２分析与讨论

从试验结果可知，花键轴断裂性质为扭转疲劳破坏，化学成分、金相组织及硬度均符合要求。

断裂位置为花键轴的最小轴径处，且该处轴径偏小。通过花键的接触痕迹推断出花键轴花键与机匣内花键啮合间隙存在问题。

由于该花键轴是纯扭转破坏的，且断裂位置

在其最小轴径处（舻。。。ｍｍ），因而对该处按设计

要求进行最大剪切应力和扭转疲劳强度计算校

核。根据式（１）～式（４）计算出断裂处最大理论

剪切应力丁。。，＝１４１．２ＭＰａ；根据扭转疲劳强度条

件式（５）计算出断裂处工作安全系数ｋ＝１．６。

ｒＰ：４６．４７Ｎ．ｍ

（１）

几

式中：ｒ为扭转力矩；Ｐ为设计的最大功率（４２ｋＷ）；ｎ为花键轴的工作转速（８

６３０ｒ／ｒａｉｎ＝９０３．８

ｒａｄ／ｓ）；

ＷＰ：警：０．４３１１６１ｌＯ

２４×１０～ｍ３（２）

式中：阢为扭转截面系数；Ｄ为直径（１３ｍｍ）；

Ｔ

ｒ＝音＝１０７．８

ＭＰａ

（３）

式中：丁为切应力。

丁…＝Ｋ．ｒ＝１４１．２ＭＰａ

（４）

式中：＇］－ｍａｘ为最大理论剪切应力；Ｋ．为轴肩应力集中系数（１．３１），查手册［６］可知：ｄ／Ｄ＝０．５６５，Ｄ／

ｄ＝１．７６９，ｒ／ｄ＝０．１５４，选取Ｋ。值。

扭转疲劳强度条件

盯＝等≥＝１．６０＞／７，，

（５）

Ｋ．ｒ

。

式中：ｎ为工作安全系数；ｎ，为疲劳安全系数（１．３

～１．５）；占。为尺寸系数（取０．９＂１）；卢为表面质量

系数（取０．８８［¨）；下～。为扭转疲劳极限（取２８５

ＭＰａ洲５’）。

对比３８ＣｒＭｏＡｌＡ钢调质状态的抗剪切强度（ｒ。≥９４０

ＭＰａ，丁。，≥７６５

ＭＰａ）和疲劳安全系数

（１．３～１．５）可知，该处设计的抗剪切强度和疲劳

强度是满足要求的。

金属材料扭转疲劳产生应必须满足２个条

件：一是有交变应力或交变扭距，二是交变应力幅大于该处材料的疲劳极限。花键轴的设计强度、

材料、组织、性能均满足要求，源区也未发现缺陷和腐蚀痕迹；并通过花键的接触痕迹可以判断出

花键轴花键与机匣内花键啮合间隙存在问题。因而推断可能由于花键轴花键与机匣内花键啮合间

隙存在问题，工作时引起共振才是致使花键轴扭转疲劳断裂最有可能的原因（共振能产生交变应

力，并能使其能量放大，产生的应力幅可能超出其

疲劳极限）。由于这只是一种推测，花键轴扭转疲劳断裂是否与共振有关需要进一步分析。

应用有限元模拟仿真分析，对花键轴是否具

备共振条件进行了研究。花键轴的前５阶模态下的相对振动应力云图见图５。前５阶模态固有频率见表２。从相对振动应力云图可以看出，花键

轴在第４阶模态下产生的最大相对振动应力在断

裂处。因而如果根据工作转速绘制Ｃａｍｐｂｅｌｌ共振图中，产生的激振力频率与第４阶振型的固有频率相同、相近或为整数倍，就具备共振条件∽Ｊ。

第１期

刘松：花键轴断裂原因分析

３３

。’。——．

．——１。

ｓｔｒｅｓｓ

（ａ）Ｔｈｅｆｉｒｓｔｒｅｌａｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ

ｓｔｒｅｓｓ

（ｂ）Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ

＾Ｎ

Ｍ

…。一

。。。，…

、Ｔ：

，７看■暑弋、）

＿●－

．＿．＿－

．．……ｉ＿‘＿…＿＿—＿，－

一……ｌ＿＝＿＿

ｓｔｒｅｓｓ

（ｃ）Ｔｈｅｔｈｉｒｄｒｅｌａｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｔｒｅｓｓ（ｄ）Ｔｈｅｆｏｕｒｔｈｒｅｌａｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｔｒｅｓｓ

（ｅ）ｒＩ’｝ｌｅｌｉｆｕｌｒｅｌａｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ

图５前５阶模态下的相时振动应力云图

Ｆｉｇ．５

Ｒｅｌａｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎ

Ｓｔｌ＇ｅＳ８

ｏｆｔｈｅＩｎ＇ｓｔｆｉｖｅｓｔｅｐｓ

表２前５阶模态固有频率

Ｔａｂｌｅ２

Ｂａｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｆｉｖｅｓｔｅｐｓ

Ｂａｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ

Ｈｚ

从花键轴机械激振力产生的机理和花键轴花键与机匣内花键的接触痕迹，可以分析出激振力的产生与花键啮合间隙不当有关。花键啮合间隙不当可能与花键（包括花键轴的花键和机匣的内花

Ｓｔｅｐ

键）加工尺寸、形位公差、配合要求和装配过程有关。检查发现机匣内花键有明显的花键压痕形貌

（有一定塑性变形）；且燃油泵的定位销，留有明

＝篡一

花键轴激振力频率的可用式（６）计算：

厶＝ＫＺ（ｎ／６０）

取１８；ｎ为花键轴转速，取８６３０

（６）

式中：Ｋ＝ｌ、２、３……；Ｚ为机匣连接的花键齿数，

ｒ／ｍｉｎ。

显的由于装配不当，致使其毁坏的痕迹。

根据绘制花键轴的Ｃａｍｐｂｅｌｌ共振图（图６）可知，当Ｋ＝６时，转速８６３０ｒ／ｍｉｎ时产生的激振力频率与４阶振型固有频率相交。因而可以判断

出花键轴在工作情况下，具备引起４阶共振的

条件。

激振力产生原因又是一个判断花键轴是否具备共振的条件，并且仍是解决其共振问题的一个手段。激振力一般可分为２种：一种为机械激振力，另一种为气体激振力。很明显引起花键轴共振的激振力是机械激振力。如果齿或花键配合不当，啮合存在较大间隙，就会在齿或花键上产生激振力，并会使周期性的激振力作用在轴上一。１１｜。

Ｆｉｇ．６

图６Ｃａｍｐｂｅｌｌ共振图

Ｃａｍｐｂｅｌｌ

ｒｅｓｏｍｅｅ

ｖｉｂｒａｔｉｏｎｇｒａｐｈ

按照图纸要求断裂处尺寸应为＋１３０－。．博ｍｌｎ，

失效分析与预防第１卷

但扭转疲劳断裂的花键轴该处尺寸为１２．８０

ｍｌｎ，

验：物理分册，２０００，３６（６）：２６３—２６５．

［２］梁政，钟功祥，陈伟，等．１４００型压裂泵动力端花键轴断裂失

效分析［Ｊ］．机械，２００５，３２（３）：６６—６８．

［３］甘春瑾，马拮，董文玲，等．桥间差速器输入花键轴断裂原因

分析［Ｊ］．金属热处理，２００６，３１（１）：９２－９３．

［４］胡春燕，刘德林，万方，等．花键轴断裂失效分析［Ｊ］．材料工

程，２００９（５）：５７—６４．

［５］张栋，钟培道，陶春虎，等．失效分析［Ｍ］．北京：国防工业出

不符合图纸要求。根据式（７）、式（８）可知，轴径尺寸Ｄ的三次方与扭转疲劳破坏所需的扭距幅成正比。也就是说在其它条件一定的情况下，轴径尺寸Ｄ越小，越容易发生扭转疲劳破坏。因而断裂处的轴径尺寸偏小会对该处扭转疲劳断裂的发生带来影响的。

ＡＴ＝Ａ，ｒ

Ｘ睇

，、３

（７）（８）

版社。２００４：１３６—１４１．

［６］徐灏．机械设计手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０００：６９．［７］胡增强．固体力学基础［Ｍ］．南京：东南大学出版社，１９９０：

２１１—２１４．

阢＝警

工Ｕ

式中：ＡＴ为扭距幅；Ａ－ｒ为剪切应力幅；睇为扭转截面系数；Ｄ为轴直径。

［８］陶春虎，钟培道，王仁智，等．航空发动机转动部件的失效与

预防［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２０００：４３—４５．

［９］祝效华，邓福成，膝照峰，等五柱塞注水泵曲轴模态分析［Ｊ］．西

３结论

１）花键轴断裂性质为扭转疲劳断裂；２）花键轴扭转疲劳断裂与共振有关，而共振可能是机匣内花键啮合间隙不当引起的。

参考文献

［１］刘敏，李瑜。陈勇，等．马达花键轴断裂原因分析［Ｊ】．理化检

南石油大学学报：自然科学版，２００９。３１（５）：１７５—１７７．

［１０］赵厚继，刘厚根，王宇奇，等．基于ＡＮＳＹＳ机械增压器主动

轴的动态特性分析［Ｊ］．机械传动，２００９，３３（３）：１—３．［１１］王建平，王玉新．齿轮系统谐波共振的多尺度分析方法［Ｊ］．

机械设计与研究，２００５，２１（４）：４３—４６．

（上接第１９页）

公路护栏立柱埋深检测的试验研究［Ｊ］．公路，２０１０，５９（９）：

２２７—２３１．

参考文献

［１］何勇，韩文元，张高强，等．公路交通安全应用技术研究立项

报告［Ｒ】．西安：西安公路交通安全研究所，２００４：６—７．［２］王建文．高速公路安全设施——护栏设计要点［Ｊ］．交通标

准化，２０１０，１７（１７）：２９—３３．

［３］贾志绚，陈永会，赵星，等．基于弹性波法的高速公路护栏立

柱埋深检测方法研究［Ｊ】．公路交通科技，２０１０，２７（１１）：１２７

—１３１．

［７］何存富，吴斌，范晋俸，超声柱面导波技术及其应用研究进展

［Ｊ］．力学进展，２００１，３（２）：２０３—２１４．

［８］刘增华。何存富，杨士明，等，充水管道中纵向超声导波传播

特性的理论分析与试验研究［Ｊ］．机械工程学报，２００６，４２（３）：１７１—１７８．

［９］ＲｏｓｅＪＬ．固体中的超声波［Ｍ］．何存富，吴斌，王秀彦，译．北

京：科学出版社。２００４：１２８～１２９．

［１０］刘增华，吴斌，李隆涛，等．管道超声导波检测中信号选取的

实验研究【Ｊ］．北京工业大学学报，２００６，３２（８）：６６９，７０３．［１１］龚廉溟，胡富翔，曹德洪，等．高速公路护栏立柱超声导波检

［４］何存富，王学浦，王秀彦，等．基于导波技术的高速公路护栏

立柱埋深检测［Ｊ］．中国公路学报，２００８，２１（６）：３７—４２．［５］赵星，贾志绚，张潇．高速公路立柱埋深检测方法的探讨［Ｊ】．

机械工程与自动化。２０１０，６（６）：１１４一１１６．

［６］王泽林，张慧昕。胡富翔。等．基于低频超声导波技术的高速

测专用传感器夹具研制［Ｊ］．公路，２０１０，５９（９）：２１２—２１４．［１２］刘增华，何存富，吴斌，等．利用斜探头在管道中选取纵向模

态的实验研究［Ｊ］．工程力学，２００９，２６（３）：２４６—２５０．

花键轴断裂原因分析

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

刘松， LIU Song

中航工业南京机电液压工程研究中心,南京,211106失效分析与预防

Failure Analysis and Prevention2013,8(1)

本文链接：.com.cn/Periodical_gwjsjg201301007.aspx