花键轴断裂原因分析

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花键轴可分为矩形花键轴和渐开线花键轴两大类，是机械传动的-种，和平键、半圆键、斜键作用相同，均起传递机械扭矩作用。其具有承载能力高、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究Ll 4。。花键轴是传动零件，因而其失效往往会造成重大机械事故。飞机发动机用花键轴是燃油增压泵的关键零件，其主要作用是将发动机的-部分动力传递给燃油增压泵；机匣和燃油增压泵通过花键轴连接在-起，如果花键轴断裂，将直接导致燃油增压泵功能丧失。某型燃油增压泵花键轴工作过程中，发生断裂，该花键轴花键为渐开线式花键，材料为38CrMoA1A钢，花键表层经渗氮处理。花键轴为单向传动，转速约为8630 r/min，燃油增压泵的最大功率为42 kW。

本研究通过对花键轴宏观形貌和断口进行观察与分析，对花键轴的材料成分、金相组织及形状尺寸进行测试，并应用理论计算和有限元模拟分析，以确定花键轴的断裂性质及原因。

1 试验过程与结果1.1 宏观检查花键轴断裂位置如图1所示，断裂处位于靠近与机匣内花键配合端的花键轴最小轴径处。花键轴与机匣内花键配合的花键明显有双面接触痕迹存在(图2a)，而与燃油增压泵内花键配合的花键只有单面接触痕迹(图2b)。该花键轴为单向传动，花键应只有单面接触痕迹。因而通过花键的接触痕忌以推断，花键轴花键与机匣内花键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 l1月 17日[作者简介]刘松(1979年-)，男，工程师，主要从事金相及失效分析等方面的研究。

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 mm，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-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嗅对该处扭转疲劳断裂的发生带来影响的。

ATAr X (7)- lep ，n-D (8)1U 式中：△ 为扭距幅；△下为剪切应力幅；lep为扭转截面系数；D为轴直径。

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。