机架转轴断裂失效分析及结构优化

闫照锋， 王孝兵， 韩洪伟

（中航锂电（洛阳）有限公司，河南 洛阳 470003）

0 引言

随着新能源市场的持续向好，锂电行业迎来了空前的发展，但也面临着同质化竞争、核心技术缺乏等问题。三元软包电池以其体积小、重量轻、能量比高、安全性高、设计灵活等优点，获得了较大的发展空间，目前配套设备存在问题较多，存在安全隐患。

图1是封装软包电池采用的夹具升降机构示意图，通过电机带动转轴转动，带动夹具升降。前期使用中，机架转轴于安装轴承位置突然发生断裂，设备在室温下工作，每天运转20 h，正常工作2个月，电机转速1000 r/min，润滑状况良好，无任何腐蚀环境，热处理工艺为正火和回火。为查明转轴断裂原因，避免类似失效发生，对其取样进行检验和分析。

图1 夹具升降机构示意图

1 失效分析

1.1 化学成分分析

45钢价格便宜，来源方便，加工性能好，淬火、调质处理后，能获得较高的强度和韧性等综合力学性能［1］，因此转轴材料选择45钢。在转轴断口附近取样进行化学成分分析，表1所示为样品化学分析结果，可见锻件的化学成分符合标准JB/T6397-2006《大型碳素结构钢锻件技术条件》［2］的规定。

1.2 工作原理

工作原理：电机带动转轴转动，两端采用链条传动，链条中部与轨道采用过渡板连接，过渡板与滑块、机架连接，通过链条带动其上下移动。从图1可以看出，转轴断裂主要原因为：1）机架变形，夹具移动中卡死；2）链轮传动精确度低，两边受力不同步；3）传动机构不合理，受力不均匀。

表1 样品化学成分质量分数分析

1.3 力学性能测试

在转轴1/2半径处制取2根20 mm的纵向拉伸试样，室温（23℃）进行拉伸力学性能试验，结果见表2，可见转轴材料各项拉伸性能也均符合JB/T6908-2006对45钢的技术要求［3］。

表2 转轴拉伸测试

1.4 宏观分析

根据断口的宏观特征，断面由平滑区和粗糙瞬断区构成［4］，平滑区域可观察到波浪型的辉纹，局部出现二次裂纹，瞬断区为突然性破坏，呈现出静断裂或冲击断裂外观；裂纹源是从轴边缘开始，然后向中心部扩展，最后于中心部位断裂，断口平整光亮，有金属光泽，图2中A、B、C分别表示裂纹源、扩展区和瞬断区［5］。

从光滑区和粗糙区面积比例看，粗糙区约占50%左右，疲劳条带较多，转轴在扭转、弯曲循环应力作用下，开裂过程中裂纹张合间隙大，说明轴受到较大应力作用；A区与B区呈现细长弯刀形，说明裂纹源与瞬断区存在相对旋转滑动，判断其为旋转弯曲疲劳断裂［6-7］，转轴承受一定的弯曲应力，表明其在使用过程中同轴度不高，产生异常弯曲应力。疲劳扩展至一定深度后，有效承载面积不足，转轴发生快速断裂。

图2 转轴断口宏观形貌

2 转轴受力分析

转轴整体对称，如图3所示，总长为770 mm，键槽宽度为5 mm，深度为3 mm，键槽将链轮与转轴连接，传递转矩，中间段轴径为20 mm，两端轴径均为15 mm，长径比大于38，为细长轴。

由于细长轴刚性很差，车削时受切削力、切削热和振动等作用和影响，极易产生变形，出现直线度、圆柱度等加工误差，对转轴进行受力分析具有重要意义［8］。

图3 转轴结构尺寸

2.1 优化前分析

假如从动轮受到拉力F为1000 N，从图4主动轮与从动轮位置关系，两者存在10°夹角，可以得出：

联合式（1）、式（3）、式（5）、式（6）得出：FAx=0 N，FBx=944 N，FCx=41 N。联合式（2）、式（4）、式（7）、式（8）得出：FAy=7.5 N，FBy=0 N，FCx=7.5 N。

综合分析可以得出：FA=7.5 N，FB=944 N，FC=41.7 N。可以看出B点受力占94%，会引起转轴应力集中，进而造成断裂。

图5 转轴X方向受力示意图

图6 转轴Y方向受力示意图

2.2 优化后分析

对转轴支撑结构进行优化，增加支撑点D，假如从动轮受到拉力F为1000 N，由主动轮与从动轮位置关系图4可以得出：

由受力关系图7、图8可以得出：

联合式（9）、式（11）、式（13）、式（14）可以得出：FAx=FCx；FBx=FDx；FAx+FBx=492.5 N。

联合式（10）、式（12）、式（15）、式（16）可以得出：FAy=FCy；FBy=FDy；FAy+FBy=7.5 N。

图7 转轴X方向受力示意图

图8 转轴Y方向受力示意图

通过结果可以看出：假设A点受力为0 N，B点受力为最大值493 N，占总受力的49%，结构优化后，B点受力小于总受力的49%，通过增加支撑点D，转轴受力最大点明显降低，整体受力相对稳定。

2.3 综合分析

通过对比优化前后转轴受力分析：1）优化前C点受力明显大于A点，转轴两边传动不同步，会造成夹具卡死，是造成转轴断裂的影响因素；2）受力最大点B在优化后，减少接近45%，同时转轴两边受力均等，较好保证转轴正常运转。

3 机架结构优化

图9为机架优化后的结构，通过对机架转轴增加支撑点，将原支撑受力减少45%，保证转轴整体受力均匀，目前设备稳定运行，无断裂现象。

图9 优化后机架结构

4 结论

本文介绍了机架工作原理，对转轴进行了化学分析和宏观分析，以及优化前后受力分析对比，得出如下结论：1）通过宏观分析发现，转轴失效为使用过程中同轴度不高引起的旋转弯曲疲劳断裂；2）通过对转轴优化前后受力分析对比，发现机架结构不合理是造成转轴断裂的主要因素；3）实践证明：对机架转轴增加支撑点，使得支撑点受力减少45%，保证其受力均匀性和稳定性，结构优化可行。

［1］ 结构钢低倍组织缺陷评定图：GB/T1979-2001［S］.

［2］ 大型碳素结构钢锻件技术条件：JB/T6397-2006［S］.

［3］ 容积式压缩机用钢锻件：JB/T6908-2006［S］.

［4］ 孙野，朱荣杰.45号钢电机轴断裂失效分析［J］.防爆电机，2012，47（4）：50-53.

［5］ 陈俊健.45 钢驱动轴断裂原因分析［J］.机械工程师，2013（5）：5-7.

［6］ 谢金鹏，钟振前，冯冉，等.某压缩机45钢转轴断裂原因分析［J］.理化检验（物理分册），2014，50（12）：919-921.

［7］ 张博，白培谦.重型汽车后桥轴头断裂分析［J］.理化检验（物理分册），2004，40（10）：527.

［8］ 赵昌胜，杨峰，崔晴，等.45钢轴类零件断裂分析及预防［J］.金属加工热处理，2012（5）：45-47.