基于ABAQUS的變速器試驗臺架剪切銷有限元分析及改進

王寶賓，翟曉杰

(陜西法士特齒輪傳動有限公司，陜西西安 710119)

基于ABAQUS的變速器試驗臺架剪切銷有限元分析及改進

王寶賓，翟曉杰

(陜西法士特齒輪傳動有限公司，陜西西安 710119)

變速器試驗臺架剪切銷在齒輪出現(xiàn)斷齒造成過載沖擊時會被快速切斷，以保護臺架等昂貴設(shè)備的安全。針對試驗中剪切銷頻繁斷裂的問題，結(jié)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，采用ABAQUS有限元軟件進行應(yīng)力分析，重新確定剪切銷頸部尺寸，經(jīng)過試驗驗證得到滿足試驗臺架的剪切銷，并提出了改進意見。

試驗臺架；剪切銷；應(yīng)力-應(yīng)變曲線；有限元分析；試驗

0 引言

變速器試驗臺架剪切銷過載保護裝置通過2個剪切銷連接2塊法蘭，使電機的輸出和變速器的輸入連接起來，以傳遞扭矩，其連接如圖1所示。剪切銷既要保證不會在正常工況條件下被剪斷，又要保證在非正常過載的情況下及時地被剪斷，以保護昂貴的設(shè)備，比如電機、扭矩儀等。

在安裝調(diào)試臺架時已調(diào)整2塊法蘭之間的同軸度誤差小于0.03 mm，所以由此造成的彎矩可以忽略不計，因此，剪切銷頸部只承受純剪切力作用。

但在臺架運行過程中，設(shè)備商提供的剪切銷經(jīng)常出現(xiàn)非正常斷裂的情況，見圖2，使得設(shè)備利用率大大降低，而且對試驗樣品造成不可預(yù)測的損傷。因此，文中利用有限元分析軟件ABAQUS對剪切銷頸部應(yīng)力進行了分析計算，并提出改進建議。

1 問題描述

當(dāng)前國內(nèi)變速器疲勞試驗臺架試驗多為穩(wěn)態(tài)試驗。在進行某變速器試驗時，額定扭矩為400 N·m，輸入轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，但剪切銷在試驗進行至577、649、1 322 min時分別出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，而變速器未出現(xiàn)斷齒或異常現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了試驗樣品和試驗進度。因此，很有必要對剪切銷進行分析。

2 有限元分析

試驗臺架在當(dāng)前扭矩條件下采用頸部尺寸為φ6.5 mm的剪切銷，其對應(yīng)設(shè)計過載扭矩為650 N·m，剪切銷尺寸見圖3。

2.1 剪切銷模型

表1為模型參數(shù)，包括所采用的材料和單元類型。

表1 模型參數(shù)

在建模時，用兩個圓盤模擬剪切銷結(jié)構(gòu)左端法蘭和右端法蘭；施加載荷時，將左端固定，在右端中心點施加理論設(shè)計扭矩650 N·m，法蘭與剪切銷之間建立接觸關(guān)系。整個模型網(wǎng)格如圖4所示。

應(yīng)用材料為45鋼，彈性模量E=209 GPa，泊松比μ=0.269。為了較真實地模擬實際材料的彈塑性，有限元計算中采用材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖5所示。

2.2 應(yīng)力分析

由于剪切銷使用要求的特殊性，其強度必須保持在一個較小的范圍內(nèi)，既要滿足正常運轉(zhuǎn)時傳遞扭矩，又要滿足突發(fā)載荷時快速斷裂，以保護臺架等昂貴設(shè)備。因此對于判定準(zhǔn)則有比較苛刻的要求，要求盡量與真實情況一致。大量實驗結(jié)果表明：von Mises屈服條件比Tresca屈服條件大多數(shù)情況下更接近材料的真實屈服情況。故文中在有限元計算中的屈服條件也以von Mises屈服條件為準(zhǔn)。

圖6是剪切銷頸部尺寸為φ6.5 mm應(yīng)力分布圖，可以看出最大主應(yīng)力為648.1 MPa，大于材料的許用屈服極限550.1 MPa，因此，剪切銷出現(xiàn)早期屈服斷裂，這也與試驗結(jié)果相符。調(diào)整剪切銷頸部外徑尺寸，重新進行核算，確定頸部安全尺寸為φ6.86 mm時，剪切銷頸部最大主應(yīng)力為524.9 MPa，應(yīng)力分布如圖7所示，小于材料的許用屈服極限550.1 MPa，滿足設(shè)計要求。

3 試驗驗證

根據(jù)有限元分析計算結(jié)果，試制了一批剪切銷，頸部尺寸為φ6.86 mm，成對安裝于臺架剪切銷結(jié)構(gòu)，逐步提高試驗扭矩，通過數(shù)據(jù)箱采集系統(tǒng)采集扭矩傳感器測量出的剪切銷瞬間斷裂扭矩，記錄在表2中。

表2 剪切銷切斷扭矩 N·m

從表2中的10組試驗結(jié)果可以看出：切斷扭矩最大為671 N·m，最小的為617 N·m，都大于變速器額定扭矩1.5倍，小于其1.75倍，而且都在理論設(shè)計扭矩附近，可以滿足試驗應(yīng)用。

4 結(jié)論

利用ABAQUS有限元分析軟件建立了變速器臺架剪切銷結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型，結(jié)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對其進行了計算分析，采用von Mises應(yīng)力判定準(zhǔn)則，重新確定適合臺架利用的剪切銷頸部尺寸，并通過試驗進行了驗證。證明改進后的剪切銷頸部尺寸更加符合臺架應(yīng)用的要求，提高了設(shè)備利用率，節(jié)省了試驗成本。

需要指出的是，文中所分析的設(shè)備商提供的剪切銷尺寸并非合理。主要有以下原因:(1)剪切銷頸部外徑φ6.5 mm和內(nèi)徑尺寸φ5 mm相近，單邊厚度0.725 mm，因此頸部比較薄，加工時容易切斷；(2)剪切銷頸部外徑φ6.5 mm與剪切銷直徑φ20 mm相比尺寸較小，而且頸部寬度5 mm也較窄，頸部圓弧切削加工比較困難，為保證剪切銷切斷扭矩的一致性，必須提高加工精度，需要進行磨削加工。

綜上所述，在重新設(shè)計剪切銷時，可以減小剪切銷直徑，而且其頸部圓弧結(jié)構(gòu)可以改為V型結(jié)構(gòu)，降低加工難度，再利用有限元分析手段進行計算和優(yōu)化，使其更好地應(yīng)用于變速器臺架試驗。

【1】焦自金,王書雷.軋機聯(lián)軸器安全銷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].山東冶金，2013,35(1):77.

【2】閆成琨,黃煜,王大號.冷連軋機主傳動剪式安全銷的彈塑性數(shù)值分析[J].重型機械,2011(4):107-111.

【3】Sankar S,Nataraj M,Raja V Prabhu.Failure Analysis of Shear Pins in Wind Turbine Generator[J].Engineering Failure Analysis,2011,18(1):325-339.

【4】馬永忠,崔小朝.大直徑安全銷單面剪切變形試驗方法研究[J].機械管理開發(fā),2010,25(2):25-26.

【5】翟曉杰,趙娜.基于ABAQUS和ANSA材料庫進行彈塑性分析的方法及應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2014(22):17-22.

【6】曹金鳳,石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

Finite Element Analysis Based on ABAQUS and Improvement for the Shear Pins in Transmission Test Bench

WANG Baobin，ZHAI Xiaojie

(Shannxi Fast Gear Transmission Co.,Ltd.,Xi’an Shaanxi 710119, China)

In order to protect expensive equipment, the shear pins in transmission test bench should be cut quickly when the gears occur failure resulting in overload and impact. Using stress-strain curve of the material, finite element analysis software ABAQUS was applied to analysis the stress of the shear pins. The neck size of the shear pins was determined again. It was proved by test that it was satisfied to test bench. At last, some proposal was presented.

Test bench; Shear pins; Stress-strain curve; Finite element analysis (FEA); Test

2015-06-12

王寶賓(1986—)，男，碩士，助理工程師，研究方向為機械測試與試驗。E-mail:livejh_1986@126.com。