汽车半轴用钢旋转弯曲疲劳及半轴扭转疲劳性能研究

半轴是汽车传动系统中重要的运动部件之一，其两端分别与半轴齿轮和车轮连接。半轴在使用过程中，不仅要承受较高的扭转和弯曲应力，还要保证在复杂工况下，随机变幅载荷引起的疲劳断裂。因此，材料的疲劳性能必须满足要求值，才能保证构件的寿命。影响半轴疲劳性能的因素很多，如原材料质量、半轴加工工艺、热处理工艺等，而原材料质量是影响半轴疲劳性能的关键因素。研究原材料质量对半轴疲劳性能的影响具有重要意义。

通过汽车半轴钢的旋转弯曲疲劳试验和客车半轴钢的扭转疲劳寿命试验，研究了以汽车半轴用40CrH钢和客车半轴用40CrH钢为基础的汽车半浮半轴的疲劳性能。以邯钢40CrH汽车半轴用钢为技术指标，对汽车半浮动半轴的疲劳性能进行了研究，为汽车半轴的发展提供了指导。

测试材料和性能

汽车半轴钢和客车半浮式半轴的旋转弯曲疲劳试验和扭转疲劳寿命试验材料均采用40CrH圆钢，其生产工艺和性能指标如下。生产工艺路线为转炉冶炼+LF+RH连铸380mm板坯轧制150 mm 150 mm棒材轧制20-90 mm。

汽车半轴用40CrH钢旋转弯曲疲劳试验

旋转弯曲疲劳试验主要用于确定旋转轴材料的承载弯矩。其主要原理是对旋转试样施加恒定的弯曲力矩，确定材料的疲劳极限，绘制材料的P-S-N曲线。本文在汽车半轴钢开发阶段进行了半轴加工工艺模拟，并进行了旋转弯曲疲劳试验，研究了半轴原材料质量对半轴疲劳性能的影响。

试样为40CrH圆钢，规格为70mm邯郸钢。样品采用与用户半轴产品相同的锻造和热处理工艺制备。样品的加工流程如下：毛坯正火、粗加工、回火、精加工。样品硬度为26~28hrc。

试验机为QT900-2旋转弯曲疲劳试验机，试样加工成圆柱形。旋转弯曲疲劳试验按GB/T4337-2015标准，采用分组法进行。试验结果如下：（1）随着试验应力的降低，旋转弯曲疲劳的平均循环次数呈对数增长，P-S-N曲线如图1所示；（2）汽车半轴钢40Crh旋转弯曲疲劳耐久性的50%的疲劳寿命下限为366.7MPa；生存能力90%的疲劳寿命下限为343.0兆帕，生存能力95%的疲劳寿命下限为341.0兆帕。

半浮式半轴扭转疲劳寿命试验

半轴扭转疲劳寿命试验是在扭转试验机上，在一定的转动频率下，对具有一定曲率半径的半轴试件进行扭转变形时的抗疲劳试验。

本文利用某品牌客车的三种半浮式半轴样件，对半轴扭转疲劳寿命进行了测试。每种类型测试五个样品。半轴加工工艺为：材料加热楔横轧后锻回火机加工表面热处理后的残余热淬火精整。半轴试样的试验参数如下。

试验参数和试验条件

乘用车半浮轴，最大发动机扭矩Memax=310N.m；轮胎滚动半径r=358m m；变速器一传动比ik1=4.12；主减速比i=3.9；传动阻力比i p=2.48；满载轴荷p=15.533kn；半轴悬挑长度l=56.1m m。

采用交替不对称循环加载。最大试验扭矩mmax=2446N.m；最小试验扭矩mmin=222N.m；试验频率f=8.8-9.2Hz。

测试结果和讨论

试验结果表明，邯钢40CrH加工的三种汽车半轴样件扭转疲劳寿命试验的中值寿命均大于80.0x 104倍。

结论

（1）根据邯郸钢铁有限公司40CrH汽车半轴钢的生产工艺、性能指标和加工工艺，半轴钢旋转弯曲50%生存疲劳寿命下限为366.7MPa。

（2）根据40CrH汽车半轴钢的生产工艺、性能指标和半轴加工工艺，邯郸钢铁有限公司加工的乘用车半浮动半轴扭转疲劳寿命中值大于80.0×104倍。