βσ———零件 表 面 质 量 系 数，βσ——零件 强 化 系 数，βq = 1． 6 （ 渗 碳 淬 火） 。
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No． 2 June 2013
《中国重型装备》 CHINA HEAVY EQUIPMENT
图 4 十字轴的有限元应力分析 Figure 4 Finite element analysis of cross shaft stress
按公式计算得出，Kσ = 1． 944 经改 进 后，计 算 得 到 零 件 疲 劳 极 限： σe － 1 = 430 /1． 944 = 221 MPa，零件疲劳极限得到了提高。 以上循环特征均以对称循环作为计算条件， 与实际工况差别较大，但有相对比较价值。 经实践证明，改进后的结构零件疲劳寿命比 改前有较大幅度提高，同时也提高了润滑效果。
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轴间差速器十字轴的 疲劳断裂分析与改进
宋开勋
（ 上汽依维柯红岩商用车有限公司部件技术处，重庆 400900）
摘要： 轴间差速器十字轴在受到长期冲击载荷后十字轴的根部容易断裂。经有限元分析得出断裂原因主 要是应力集中引起金属疲劳导致的，对轴间差速器十字轴做了相关的材料和设计改进，断裂现象明显减少，使 产品使用效率和寿命有了明显提高。
Song Kaixun
Abstract： Roots of interaxial differential cross shaft were subject to break up under long-term impact load． By finite element analysis，the main fracture cause was metal fatigue from stress concentration，further relevant material and design innovation of interaxial differential cross shaft have been carried out to reduce fraction defect evidently，which improved service efficiency and life time of the product．
轮间差速器和轴间差速器的装配和工作位置 如图 1 所示。
十字轴产生转动，通过十字轴上的四个行星轮传 递给后半轴齿轮，然后传递给贯通轴，再到输出法 兰，最后再通过后桥传动轴传递到后桥输入端连 接法兰。
轴间差速器十字轴位置结构如图 2 所示。 轴间差速器十字轴在工况下，内花键接受转 矩使十字轴转动。从理论上说，在中后桥没有速 度差的时候，四个行星轮不会转动，只由啮合齿部 位传递力矩，后半轴齿轮在得到旋转力时产生转 动，输出扭矩力向后传递。在理论静载荷工况下， 各部件是不容易发生问题的。但在实际重载工况 时，整个传动系统的使用条件非常恶劣，由于路面
and interaxial differential
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图 2 轴间差速器的结构 Figure 2 Fabrication of interaxial differential
输入扭矩 16 269 N·m（ 速比 5． 286） 。对十字轴 进行了有限元应力分析，从分析结果看，该十字轴 应力集中于轴根部和肩部过渡区域（ 图 4 中标示 部分） ，这些部位容易产生断裂。
版． 高等教育出版社，2006．
编辑 杜 敏
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关键词： 轴间差速器； 十字轴； 应力集中； 金属疲劳； 冲击载荷； 有限元分析 中图分类号： U463． 218 + ． 3 文献标识码： A
Analysis and Innovation of Fatigue Fracture for Interaxial Differential Cross Shaft
5 结语
经过在设计和材料上的改进后，通过一段时
图 5 在十字轴 A、B 处增加倒圆角 R1 Figure 5 Fillet R1added on A ＆ B locations of cross shaft
间的试验，该轴间差速器十字轴断裂明显减少，质 量事故和“三包索赔”费用也显著下降，取得了较 好的经济效益。
图 3 是十字轴在运行一段时间后发生疲劳断 裂 的 破 碎 散 件，断 裂 部 位 为 十 字 轴 轴 肩 过 渡 处。 断裂原因是十字轴疲劳极限过小。
2 基于 Hyper Works 的十字轴有限元应力分析
十字轴参数和关联约束为： 渗碳层深（ 0． 8 ～ 1． 0） mm，硬度 58 ～ 62HRC，材料 20CrMnTi，弹性 模量 E = 2． 13E5 MPa，泊松比 μ = 0． 289，屈服强 度 Re = 835 MPa，抗拉强度 Rm = 1 080 MPa，最大
（ 2） 在 材 料 方 面，原 来 采 用 30CrMo 通 过 淬 火、回火的热处理方式，使材料整体达到较好的综 合力学性能。但是为了实现材料更好的抗冲击 力，需 要 提 高 材 料 的 韧 性，同 时 还 要 提 高 表 面 硬 度。综合 以 上 各 因 素，我 们 选 用 了 合 金 渗 碳 钢 22CrMoH（ 或者 17CrNiMo） ，通过渗碳淬火的工艺 方式得到理想的力学性能。
该材料为 30CrMo 调质处理。材料疲劳极限
σ － 1 = 431 MPa，计算得出弯曲疲劳极限综合影响 系数 Kσ = 2． 426，零件疲劳极限 σe － 1 = 431 /2． 426 = 178 MPa。
由于零件尺寸大小不能改变，考虑从两个方
面来提高零件疲劳极限：
（ 1） 改变材料。
改用 22CrMoH 材 料，疲 劳 极 限 σ － 1 = 430 MPa（ 据经验公式计算而得） 。
轮间差速器的功能是对车桥两端轮子实现不 同转速驱动。例如，汽车一侧轮子打滑或者转弯 时左右侧轮子的转速不同，是通过轮间差速器来 实现的。
轴间差速器是安装在于双联重型车桥的中桥 内，功能是实现中后桥车轮不同的转速。当汽车 某一个桥或桥的一侧车轮悬空或打滑时，要同时 锁住轮间和轴间差速器，使传递力矩均匀分配，防 止车轮打滑，以获得足够大的牵引力使汽车继续 行驶。
4 改进措施
轴间差速器十字轴发生断裂的根本原因是存 在金属疲劳裂纹和瞬间冲击力。瞬间冲击力是由 实际操作和路面情况决定，所以，为减小疲劳裂纹 的产生，必须从设计上减小结构局部应力。针对 十字轴的结构设计和材料选取，采取的解决方案：
（ 1） 如图 5 所示，在十字轴 A 和 B 的圆弧过 渡处增加倒圆角 R1，同时从工艺上降低表面粗糙 度，改善表面质量，进一步减小应力集中。
参考文献
［1］ 曾正 明 主编． 实 用 金 属材 料选用 手册． 机械工 业出版社， 2012．
［2］ 秦大同，谢里阳主编． 机械设计手册： 第三卷． 化学工业出版 社，2011．
［3］ 刘惟信主编． 汽车车桥设计． 清华大学出版社，2004． ［4］ 西北工业大学机械原理及机械教研室编著． 机械设计． 第八
3 失效分析
图 3 十字轴发生疲劳断裂的碎片 Figure 3 Fraction of cross shaft caused by fatigue fracture
的不平，以及车轮高速转动，会产生成倍于静载荷 的瞬间冲击力，这种冲击力产生一种作用于与十 字轴的旋向相反的剪切力。若十字轴的根部内部 组织已经存在金属疲劳裂纹，反向剪切力则容易 使差速器十字轴发生断裂。
（ 2） 降低弯曲疲劳极限综合影响系数 Kσ。
Kσ 计算公式为：
Kσ
=
（ kσ εσ
+1 βσ
－ 1）
1 βσ
式中 kσ———零件有效应力集中系数，kσ = 1． 2 ×
1． 774 = 2． 124 （ 1． 2 倍是考虑到有
两个扁方） ；
εσ———零件的尺寸系数，εσ = 0． 85 /1． 2 = 0． 708 3；
1 轴间差速器的结构和工作原理
轴间差速器安装在中桥主减速器内，轴间差 速器的十字轴内花键部分连接中桥输入轴，接受 输 入方向传来的扭矩，在得到旋转力矩时差 速 器
收稿日期： 2012—12—07
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图 1 轮间差速器和轴间差速器的安装位置 Figure 1 Mounting places of wheeled differential
Key words： interaxial differential； cross shaft； stress concentration； metal fatigue； impact load； finite element analysis
安装于汽车驱动桥内的差速器分为轮间差速 器和轴间差速器两种，他们的功能是根据地面摩 擦力大小或者转速差异实现不同驱动力矩的分 配。