輕型卡車傳動軸軸管力學(xué)設(shè)計研究

王家華

摘 要：文章對傳動軸軸管強度校核進行了研究，在總結(jié)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，研究了軸管扭轉(zhuǎn)強度計算準(zhǔn)則，并提出了軸管強度優(yōu)化設(shè)計方法。關(guān)鍵詞：材料;屈服強度;軸管強度;計算準(zhǔn)則中圖分類號：U463.216+.2? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）02-119-03

Abstract： In This paper， strength of power drive shaft was discussed. A new strength calculation method was established depending on summarizing of relevant standards and material mechanics.Keywords： Material; Yield strength; Shaft strength; Calculation principleCLC NO.： U463.216+.2? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）02-119-03

前言

傳動軸是汽車動力從發(fā)動機向驅(qū)動輪傳遞過程中的關(guān)鍵一環(huán)，用于相對位置不斷變化的兩根軸之間的動力傳遞。傳動軸裝置主要由凸緣叉、萬向節(jié)叉、萬向節(jié)滑動叉、傳動軸軸管、中間托架等組成。其中，傳動軸軸管起到動力長距離傳遞的作用，主要承受扭轉(zhuǎn)載荷，根據(jù)材料力學(xué)^[1]，一般都設(shè)計成空心圓管，這樣在同樣的扭轉(zhuǎn)強度要求條件下，軸管可以減小材料消耗量和降低裝置的質(zhì)量。考慮到輕型卡車傳動軸的工況、結(jié)構(gòu)特點和工程經(jīng)驗，目前對傳動軸裝置的力學(xué)性能設(shè)計主要包括：軸管扭轉(zhuǎn)強度計算、花鍵軸齒面擠壓強度計算、傳動軸臨界轉(zhuǎn)速計算。其基本計算公式如表1所示。其中，軸管扭轉(zhuǎn)強度計算考慮傳動軸軸管在最大扭轉(zhuǎn)載荷作用下，軸管邊緣處最大剪切應(yīng)力τ是否小于軸管材料的許用剪切應(yīng)力[τ]。這種力學(xué)設(shè)計、計算方法受到軸管材料、材料力學(xué)性能試驗方法、強度計算方法三個方面因素的影響。

1 影響軸管力學(xué)計算結(jié)果的影響因素

如圖2所示，在影響計算結(jié)果的因素中，軸管材料影響到計算準(zhǔn)則中的許用應(yīng)力[τ]，材料的力學(xué)性能試驗方法影響到材料力學(xué)性能與許用應(yīng)力的符合程度，計算理論依據(jù)對計算結(jié)果的正確性起關(guān)鍵作用。

1.1 軸管材料和力學(xué)性能試驗方法

目前軸管材料標(biāo)準(zhǔn)仍然沿用YB/T 5209標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了軸管材料制造方法、外形尺寸系列、化學(xué)成分、力學(xué)性能和試驗方法。2000版本標(biāo)準(zhǔn)中所列的三類傳動軸軸管材料如表2所示：

YB/T 5209-2000標(biāo)準(zhǔn)采取了GB/T 228中規(guī)定的材料性能試驗方法，即按批次抽樣兩根鋼管，并在鋼管焊縫90°的位置取樣進行材料拉伸試驗。隨著新材料的發(fā)展和應(yīng)用，傳動軸軸管廠家已不再采用該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定牌號的軸管材料，取代它們的是SS400、440QZ和480QZ，其主要性能指標(biāo)如表3所示。軸管材料的變化必然影響到力學(xué)性能，因此傳動軸軸管的許用剪切應(yīng)力[τ]應(yīng)根據(jù)所采用的材料作相應(yīng)的修改。

對此材料應(yīng)用情況的變化，YB/T 5209-2010對傳動軸管材料性能再次更新，提升了軸管材料強度指標(biāo)（如表4所示）：

1.2 強度計算方法及其優(yōu)化設(shè)計

傳統(tǒng)的輕型卡車傳動軸設(shè)計是先根據(jù)工程經(jīng)驗選擇傳動軸軸管，然后進行軸管扭轉(zhuǎn)強度校核。傳動軸軸管扭轉(zhuǎn)強度計算的理論依據(jù)是計算扭轉(zhuǎn)引起的最大剪切應(yīng)力，并與許用應(yīng)力[τ]比較。一般資料上取[τ]=300/S MPa^[3]，其中S為安全系數(shù)，根據(jù)工況不同取不同數(shù)值，輕型卡車考慮到?jīng)_擊等因素，一般取1.5。300MPa與標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5209-2000中規(guī)定的I、II類軸管材料以及YB/T 5209-2010中CZ300的屈服極限σ_s一致，但傳動軸軸管扭轉(zhuǎn)強度計算時的強度準(zhǔn)則是剪切強度，而σ_s是材料拉伸屈服應(yīng)力。按第三強度理論，拉伸應(yīng)力σ與剪切應(yīng)力存τ=0.6σ^[2]關(guān)系，由此可得到相應(yīng)的許用剪切應(yīng)力[τ]，表5列出了不同軸管材料的許用剪切應(yīng)力。這種設(shè)計方法的優(yōu)點是可以充分利用原有設(shè)計經(jīng)驗，加快設(shè)計速度，但可能會造成強度富裕，浪費材料和增加傳動軸的總體成本。為了充分利用材料，應(yīng)根據(jù)傳動軸的實際工況，確定傳動軸的實際承受的最大扭矩后以軸管直徑為目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。由表1計算公式并考慮臨界狀態(tài)得：

2 結(jié)論

通過傳動軸軸管沿用標(biāo)準(zhǔn)和軸管扭轉(zhuǎn)強度計算方法影響因素的分析，明確了傳動軸軸管材料的強度指標(biāo)和計算方法，對輕型卡車傳動軸軸管強度設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。其中，傳動軸軸管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的材料與生產(chǎn)廠商所用材料的對比，明確了常用傳動軸軸管材料強度指標(biāo)，為正確進行傳動軸軸管強度計算奠定了基礎(chǔ)。扭轉(zhuǎn)強度計算方法的討論為正確進行

強度設(shè)計以及優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

參考文獻

[1] 范欽珊，殷雅俊，唐靖林.材料力學(xué)[M].高等教育出版社.

[2] 張宏欣，馮振東，王望宇等.汽車設(shè)計[M].第四版：機械工業(yè)出版社， 2004.8.132.

[3] YB/T 5209-2010.傳動軸用電焊鋼管[S].中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2011.11.10.