輸出軸的靜扭案例分析

許明中，楊小勇

(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西西安 710077)

輸出軸的靜扭案例分析

許明中，楊小勇

(陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，陜西西安 710077)

變速器是整個(gè)汽車傳動(dòng)系中一個(gè)極為關(guān)鍵的扭矩傳遞部件，雙中間軸變速器主要特點(diǎn)為承受載荷能力大，即輸出扭矩大，變速器靜扭強(qiáng)度最為薄弱環(huán)節(jié)往往就是輸出軸。針對(duì)雙中間軸變速器輸出軸靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)案例進(jìn)行分析。

變速器；輸出軸；靜扭強(qiáng)度

Abstract:Transmission is a very important component to pass torque in entire vehicle driveline.The main characteristic of twin-countershaft transmission is high torque capacity.So the output shaft endures very high torque,and becomes the most weak part in transmission.Aiming at an example,the static torque of output shaft in twin-countershaft transmission was analyzed.

Keywords:Transmission;Output shaft;Static torque

0 引言

變速器是整個(gè)汽車傳動(dòng)系中一個(gè)極為關(guān)鍵的扭矩傳遞部件，它可以將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的能量以不同的轉(zhuǎn)速及其對(duì)應(yīng)的扭矩傳遞到傳動(dòng)軸和橋，來滿足駕駛員對(duì)汽車的行駛意圖。而變速器輸出軸又是變速器最為關(guān)鍵的受扭零件，所以輸出軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)是眾多環(huán)節(jié)當(dāng)中非常重要的一環(huán)。以下粗略分析輸出軸扭轉(zhuǎn)和應(yīng)力關(guān)系。

1 案例分析

軸在變速器中有彎曲和扭轉(zhuǎn)或是彎扭復(fù)合變形，雙中間軸變速器的輸出軸就是其中純扭轉(zhuǎn)變形，在此，分析輸出軸的靜扭強(qiáng)度問題。變速器輸出軸在靜扭試驗(yàn)機(jī)上施加載荷直至破壞后，試驗(yàn)采集到M-φ(扭矩-扭角)曲線見圖1，橫截面破壞圖見圖2。

在此說明一下，圖1當(dāng)中的扭矩-扭角曲線開始階段沒有呈現(xiàn)比例關(guān)系是因?yàn)榭朔囼?yàn)機(jī)卡具與試件間的間隙所造成的，只對(duì)扭角測(cè)量有較小的影響，OA段可以近似看作是條直線。

對(duì)輸出軸施加扭矩M時(shí)，橫截面在扭轉(zhuǎn)變形后仍然保持為平面，半徑仍為直線，扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面上無正應(yīng)力，只有純剪應(yīng)力τ，呈三角形分布，橫截面外表面應(yīng)力最大[1]

式中[1]：Wp=πd3/16為軸的抗扭截面系數(shù)，d為軸的直徑。

如圖3(a)所示：當(dāng)扭矩-扭角曲線達(dá)到點(diǎn)A時(shí)，也就是M與φ成正比關(guān)系開始破壞，這時(shí)，施加的扭矩為MA，軸表面處的切應(yīng)力達(dá)到了材料的扭轉(zhuǎn)屈服應(yīng)力τs，其應(yīng)力值為[1]：

經(jīng)過點(diǎn)A后，如果繼續(xù)加大扭轉(zhuǎn)，軸的橫截面上出現(xiàn)了一個(gè)環(huán)狀的塑性區(qū)，離圓心較遠(yuǎn)的一些點(diǎn)將發(fā)生塑性流動(dòng)，軸進(jìn)入所謂彈塑性狀態(tài)，如圖2，這時(shí)橫截面上的剪應(yīng)力分布規(guī)律

如圖3(b)所示。若材料的塑性很好，且當(dāng)塑性區(qū)擴(kuò)展到接近中心時(shí)，三角形應(yīng)力分布占總的應(yīng)力分布面積急劇減小，也就是彈性扭矩在扭矩M中比重越來越小，以至可以忽略不計(jì)，橫截面周邊上各點(diǎn)的切應(yīng)力仍未超過扭轉(zhuǎn)屈服應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)曲線到達(dá)點(diǎn)B，此時(shí)的切應(yīng)力分布如圖3(c)所示。點(diǎn)B扭矩與切應(yīng)力有如下關(guān)系[1]：

軸扭轉(zhuǎn)曲線經(jīng)過點(diǎn)B后，近乎為平直線，扭角增加而扭矩?zé)o明顯變化，直至到達(dá)點(diǎn)C，橫截面開始斷裂。以MB為強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)，工程中稱為極限載荷法；以MA為強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)則稱為極限應(yīng)力法。從上面可以看出：以極限載荷法設(shè)計(jì)同樣的實(shí)心且具有一定塑性的軸，其許用扭矩將比用極限應(yīng)力法所得要大1/3。

上面作者論述的為具有一定塑性的輸出軸，其抗拉、抗壓屈服強(qiáng)度相等，但抗剪的能力較差，純扭轉(zhuǎn)時(shí)，最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力與最大剪應(yīng)力三者數(shù)值彼此相等，夾角成45°，因此，塑性軸扭轉(zhuǎn)時(shí)，將首先沿橫截面發(fā)生剪切屈服流動(dòng)，繼而沿橫截面被剪斷，如圖2。然而，脆性材料，抗壓能力最強(qiáng)，抗剪能力次之，抗拉能力最差，故脆性圓材料扭轉(zhuǎn)時(shí)實(shí)際是被拉斷的，裂縫首先出現(xiàn)在沿螺旋線方向與軸線約成45°角處，扭矩與應(yīng)力關(guān)系及應(yīng)力分布較簡(jiǎn)單，在此就不詳細(xì)分析了[1]。

2 結(jié)束語

所有強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，都有一個(gè)安全系數(shù)的問題。顧名思義，安全系數(shù)越高，產(chǎn)品安全可靠性也就越好，但勢(shì)必帶來材料的浪費(fèi)和成本的提高。選擇恰當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，加上合理設(shè)計(jì)，才是符合市場(chǎng)、滿足用戶所需的產(chǎn)品。

【1】 林毓锜,陳瀚,樓志文.材料力學(xué):扭轉(zhuǎn)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1994：37-47.

AnalysisoftheStaticTorqueofOutputShaft

XU Mingzhong,YANG Xiaoyong

(Shaanxi Fast Gear Co.，Ltd.,Xi’an Shaanxi 710077,China)

2014-09-30

許明中(1979—)，男，學(xué)士，工程師，研究方向?yàn)槠囎兯倨鳒y(cè)試。E-mail：mademind@126.com。