軸類零件強(qiáng)度和疲勞壽命快速校驗(yàn)方法

張笑，喬會(huì)軒

軸類零件強(qiáng)度和疲勞壽命快速校驗(yàn)方法

張笑1，喬會(huì)軒2

（1.陜西法士特汽車(chē)工程研究院，陜西 西安 710000；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430000）

文章介紹了在變速箱概念設(shè)計(jì)階段快速對(duì)軸類零件進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞壽命校核的方法。可提高軸類零件機(jī)械性能的同時(shí)縮短設(shè)計(jì)周期。

軸類零件；強(qiáng)度；疲勞壽命

前言

軸類零件是變速箱系統(tǒng)的重要組成部分，在變速箱概念設(shè)計(jì)階段由于軸類零件的細(xì)節(jié)特征沒(méi)有確定，不適合用有限元方法對(duì)軸類零件進(jìn)行校核。本文方法可快速進(jìn)行軸類零件的初步強(qiáng)度確認(rèn)，等到詳細(xì)設(shè)計(jì)完成，再利用有限元進(jìn)行軸類零件強(qiáng)度校核。這樣避免了由于概念設(shè)計(jì)階段軸類零件強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改，縮短設(shè)計(jì)周期。

1 軸類零件強(qiáng)度校核

只有扭矩作用的情況下，軸類零件最大應(yīng)力可由式1得到：

只有彎矩作用的情況下，軸類零件最大應(yīng)力可由式2得到：

只有軸向力作用的情況下，軸類零件最大應(yīng)力可由式3得到：

軸類零件主要受到扭矩和彎矩作用的時(shí)候，軸向力一般可忽略不計(jì)。此時(shí)應(yīng)力可由式4得到：

軸類零件在設(shè)計(jì)是難免會(huì)有過(guò)油孔、過(guò)渡臺(tái)階倒圓角。此時(shí)需要考慮應(yīng)力集中系數(shù)，同時(shí)考慮到零件在熱處理表面存在殘余壓應(yīng)力σc，零件應(yīng)力由公式5得到：

式中：σ為不考慮應(yīng)力集中時(shí)的軸應(yīng)力

K為應(yīng)力集中系數(shù)

軸類零件受扭矩作用時(shí)，過(guò)油孔、過(guò)渡臺(tái)階倒圓角處應(yīng)力集中系數(shù)可由圖1確定。

通過(guò)以上公式可快速得到軸類零件應(yīng)力值。

2 軸類零件疲勞壽命校核

材料抗拉極限可通過(guò)拉伸試驗(yàn)快速得到，但是材料的疲勞極限需要大量試驗(yàn)，耗費(fèi)大量時(shí)間才能得到。在只有材料抗拉極限的情況下，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式6得到材料疲勞極限。

式中：S為試棒抗拉極限

S為試棒疲勞極限

在得到材料疲勞極限的前提下，還需考慮很多因素才能得到結(jié)構(gòu)的疲勞極限。影響結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命的因素眾多，是至今人們對(duì)疲勞問(wèn)題的認(rèn)識(shí)尚未很好的解決的根本原因。隨著人們對(duì)疲勞問(wèn)題的不斷研究，對(duì)各種影響因素的認(rèn)識(shí)在不斷的加深。通過(guò)式7可由材料疲勞極限得到結(jié)構(gòu)的疲勞極限。

式中：K為表面加工系數(shù)

K為尺寸系數(shù)

K為載荷系數(shù)

K為溫度影響系數(shù)

K為成活率系數(shù)

S為結(jié)構(gòu)疲勞極限

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在校核軸類零件疲勞壽命時(shí)，只需考慮表面加工系數(shù)、尺寸系數(shù)即可。

表面加工系數(shù)可由式8得到。

式中a、b可由表1得到。

表1 a、b參數(shù)表

尺寸系數(shù)可由式9得到。

描述一個(gè)常幅疲勞載荷譜需要兩個(gè)參數(shù)。設(shè)最大應(yīng)力為max和最小應(yīng)力為min。通過(guò)式10得到應(yīng)力幅值max、平均應(yīng)力min。

根據(jù)以上內(nèi)容可編制EXCEL表格快速進(jìn)行軸類零件進(jìn)行強(qiáng)度、疲勞壽命校核。

3 簡(jiǎn)單實(shí)例

現(xiàn)有軸，材料為8620，抗拉極限1300MPa、屈服極限1170 MPa，軸徑40mm,過(guò)油孔直徑4mm，表面采用冷軋工藝。最大傳遞扭矩為1500Nm，結(jié)構(gòu)需要滲碳和熱處理，表面殘余壓應(yīng)力為250MPa。驗(yàn)證該軸是否無(wú)限壽命要求。

由公式8可得表面加工系數(shù)為0.67。

由公式9可得，尺寸系數(shù)為0.84。

由式7可得結(jié)構(gòu)疲勞極限為366 MPa。

由式5可得結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為600MPa?？紤]表面殘余應(yīng)力的影響，最大應(yīng)力為350 MPa。

由式10可得結(jié)構(gòu)最小應(yīng)力為-250MPa，平均應(yīng)力為50.27MPa，應(yīng)力幅值為300.27 MPa。

具體結(jié)果如圖4所示。由下圖可知，該軸受力情況在Goodman曲線區(qū)域內(nèi)，滿足無(wú)限疲勞壽命。

圖2 EXCEL計(jì)算結(jié)果

有限元計(jì)算結(jié)果如圖5所示。有限元計(jì)算結(jié)果為583 MPa，與EXCEL結(jié)果相差8%。

圖3 有限元計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)該文件中所使用的方法可快速對(duì)軸類零件在設(shè)計(jì)初始進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞壽命分析。等到軸類零件最終設(shè)計(jì)完成，再使用有限元方法對(duì)其進(jìn)行更準(zhǔn)確的受力分析。這樣可在變速箱概念設(shè)計(jì)時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免后期結(jié)構(gòu)改動(dòng)量過(guò)大，增加工作量。

[1] 《shigley's Mechanical Engineering Design》,McGraw-Hill,Richard G.Budynas,2011.

[2] 姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M]國(guó)防工業(yè)出版社,2003年.

Quick Check Method For Strength And Fatigue Life Of Shaft Parts

Zhang Xiao1, Qiao Huixuan2

( 1.Shaanxi Fast Automobile Engineering Institute., Shaanxi Xi'an 710077; 2.Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430000 )

This paper describes the quickly checking method for the strength and fatigue life of shaft in the gearbox concept design phase. This method can improves mechanical performance of shaft parts and reducing design cycle time.

Shaft; Strength; Fatigue life

B

1671-7988(2019)21-118-03

U466

B

1671-7988(2019)21-118-03

張笑，男，碩士，就職于陜西法士特汽車(chē)工程研究院。主要從事計(jì)算分析工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.041

CLC NO.: U466