通過靜扭輸出主軸對變速器進行失效分析

強中偉，張孟鋒

（陜西法士特傳動工程研究院實驗中心，陜西 西安 710119）

通過靜扭輸出主軸對變速器進行失效分析

強中偉，張孟鋒

（陜西法士特傳動工程研究院實驗中心，陜西 西安 710119）

為了提高變速器的承載能力，降低承載部件的失效風險，提高變速器總成的可靠性，對變速器總成和主要零部件的承載能力進行分析和驗證已經成為變速器設計過程中重要的環節。文章通過對變速器總成和軸類零件靜扭強度試驗案例進行分析總結，介紹了如何通過分析靜扭強度試驗的扭矩-扭角曲線，進一步研究輸出主軸部件的承載能力，以確保達到變速器扭矩設計要求。

靜扭；材料強度；扭矩曲線；失效分析

CLC NO.:U472.4 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-165-03

引言

變速器是汽車傳動系統中的一個重要部件，通過變速器能夠轉變發動機輸出的轉速扭矩，進行不同速比的減速增扭，以滿足車輛在不同工況下對驅動力和車速的要求，并且是發動機在合理的轉速范圍內工作。隨著我國經濟發展和國情所需，變速器工作工作環境惡劣，對重載，爬坡工況下運行的可靠性要求越來越高。因此對變速器主要零部件應力分析和試驗驗證顯得尤為重要。變速器靜扭強度試驗是最基本的變速器試驗項目之一，它是在靜扭轉試驗過程中測定變速器的扭矩和扭角的對應關系，以確定其抗扭性能指標。本文通過分析軸類零件和變速器靜扭曲線，對變速器主要承載部件應力分析和試驗校核，并對試驗采集數據進行分析，為改進變速器可靠性，提高承載扭矩提供重要參考依據。

1、靜扭試驗和試驗曲線

1.1 靜扭試驗和設備簡介

如圖1所示，實驗中心最新的變速器扭轉試驗臺架可以測試500－150000Nm范圍內的扭轉試驗。設備主要由幾個主要部件組成：控制柜、伺服電機、星輪減速器、前后端扭矩儀、變速器支架、尾座、底座組成，足可以滿足目前我廠所有變速器，取力器，軸類零件的扭轉測試。

變速器靜扭強度試驗是將變速器輸出端固定，對變速器輸入端施加扭矩，從而使變速器兩端承受大小相等、方向相反、作用面垂直于試樣軸線的力偶。由于變速器后端固定在尾座上，隨著前端輸入扭矩的增大，變速器的受力零部件開始出現形變，然后發生屈服，最后破壞。整個過程中的扭矩扭角均被采集，便于試驗后分析數據。

圖1 150000Nm變速器扭轉試驗臺

1.2 靜扭試驗曲線

如圖2，試驗中設備采集試驗扭矩T及相對應應的扭角φ,然后繪制T-φ扭轉曲線圖，一般扭至斷裂，以便測試確定變速器的薄弱部件。同時確定曲線的屈服點和最大點，用來分析變速器總成的屈服極限，為設計研發提供參考數據。

2、變速器輸出主軸斷裂靜扭曲線和分析

2.1 變速器輸出主軸扭轉試驗和曲線分析

圖3是副箱主軸的靜扭曲線，可以發現曲線有幾個階段：在加載后，曲線保持一個基本不變的斜率增長，我們可視為這個階段為材料彈性形變階段（曲線oa），滿足剪切胡克定律。當扭矩達到60000Nm左后上，可以發現曲線斜率開始下降，樣品出現了屈服前的微塑性形變（曲線ab），在扭矩達到65000Nm時，靜扭曲線斜率明顯下降，觀察軸發現花鍵處變形明顯（如圖5），此時軸已經發生塑性形變（曲線bc）。繼續試驗，當扭矩加載到最大點70320Nm時（曲線cd），外層材料受剪力超過軸的強度極限，開始出現裂縫（如圖6）。由于此時這件主軸堅硬的外部材料由于強度不夠開始崩潰，軸的橫截面上出現了一個環狀的塑性區，離圓心較遠的一些點將發生塑性流動，軸進入所謂彈塑性狀態。隨著試驗的進行，裂紋擴展加深，逐漸轉變為較軟的心部開始受力，此時雖然外力不斷下降，但由于實際受力截面積迅速減小，受力截面處實際應力仍在不斷增長（曲線de），所以扭矩會出現一個平緩下降到62000Nm左后（如圖7），直到裂紋繼續擴張到心部，材料瞬間扭轉斷裂（曲線ef）。

圖3 12JSD200T-1707105靜扭試驗扭矩-扭角曲線

圖4 軸扭矩達到60000Nm發現花鍵輕微形變

圖5 軸扭矩達到65000Nm花鍵明顯變形

圖6 軸扭矩達到70320Nm時花鍵根部出現裂縫

圖7 扭角為21°時，扭矩逐漸下降到62000Nm，此時軸外部材料已經被扭轉破壞

由于扭轉軸類材料屬于塑性形變，所以滿足扭轉塑性形變材料橫截面切應力和切應變分布（圖8）。可知由于此時這件主軸堅硬的外部材料由于強度不夠開始崩潰，軸的橫截面上出現了一個環狀的塑性區，離圓心較遠的一些點將發生塑性流動，通過斷面可以發現（如圖9），外層斷面比較光滑，內部比較粗糙，是破壞裂縫由外部向心部逐漸擴展，由于心部還未斷裂，外部斷口的材料相互摩擦變得光滑平整，隨著扭矩加大，超過心部材料強度極限產生瞬間斷裂，因此斷面心部比較粗糙。通過斷面的分析進一步驗證了之前試驗各個階段的狀態。

圖8 扭轉塑性形變橫截面切應力切應變分布

圖9 扭轉斷裂面

2.2 變速器輸出主軸扭轉斷裂失效分析

依據Q/S 61005-2015《重型汽車機械式變速器總成》中關于靜扭試驗后備系數K=M/Mcmax>3的要求，可以通過速比計算出變速器輸出端在靜扭試驗中理論承受的扭矩。因此可以根據輸出軸在扭轉試驗中產生的屈服扭矩來校核整箱輸出端的扭距是否達到要求。

如圖9所示，這是安裝之前進行試驗主軸零件的我公司某款重型變速器靜扭曲線，通過圖線對比可以發現，曲線和軸類扭轉試驗曲線接近，因此可以判斷輸出軸在整箱靜扭發生了失效破壞。試驗后拆解，輸出主軸法蘭根部位置斷裂（如圖10），拆解其他零件，未發現明顯失效，驗證了之前通過曲線對失效部位的判斷。因此可以判斷出輸出主軸是變速器總成在靜扭強度試驗的薄弱點，可以考慮加強輸出主軸的強度來提高變速器的最大承載扭矩。

圖9 變速器輸出軸失效斷裂靜扭曲線

圖10 扭轉后輸出軸斷裂失效

3、總結

通過對變速器靜扭曲線以及軸類零件失效進行分析，不僅還原真實使用中的實體情況，模式失效的發生，并且能夠客觀反應出變速器和零件在設計加工中的不足，尋找變速器總成在加載情況下的薄弱環節，驗證設計要求，為提高產品性能提供理論基礎。

[1] 力學性能試驗[M].中國計量出版社,2008.8.

[2] 楊伯源.材料力學[M].機械工業出版社.2006.1.

Through the static torsion output shaft transmission for failure analysis

Qiang Zhongwei, Zhang Mengfeng
( Shaanxi method and transmission experiment center in the engineering research institute, Shaanxi Xi'an 710119 )

In order to improve the bearing capacity of the transmission, reduce the risk of failure of bearing parts, improve the reliability of the transmission assembly, transmission assembly and the bearing capacity of the main components for analysis and verification has become the important link in the design process of the transmission. This article through to the transmission assembly and shaft parts static torsional strength test case analysis summary, introduced how to through the analysis of static torsional strength test of torque - torsion Angle curve, further study on the output shaft component bearing capacity, to ensure that meet the requirements of the transmission torque design.

static torsion; Strength of materials; torque curve; failure analysis

U472.4

A

1671-7988(2016)07-165-03

強中偉，就職于陜西法士特傳動工程研究院實驗中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.052