用半轴静扭强度试验结果判定扭转疲劳试验寿命

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.07.009

用半轴静扭强度试验结果判定扭转疲劳试验寿命

韩国鹏，郑栋，冯泽功

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）

摘 要：研究了车桥半轴静扭强度与扭转疲劳寿命的关系，建立了便于试验应用的实用性规律，根据试验数据和结论对其进行理论性分析，用扭转强度试验数据确定的约翰逊弹性极限值和破坏扭转角预判半轴扭转疲劳试验寿命。 关键词：扭转疲劳；静扭强度；破坏扭矩；破坏扭转角；约翰逊弹性极限 中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2018)07-28-04

Determining the life of torsional fatigue test by the results of the

semi axial static torsion test

Han Guopeng, Zheng Dong, Feng Zegong

( Shaanxi hande axle Co Ltd, Shaanxi Xi'an 710201 )

Abstract: Having studied the relationship between axle shaft static torsion strength and torsion fatigue strength, and set up the practical rule to conveniently conduct the test. On the basis of the test data and conclusion, make a theoretical analysis and confirm the Johnson’s apparent elastic limit and torsion angle of breakage by making use of the data drawn from the torsion strength test to pre-judge the test endurance of the axle shaft torsion.

Keywords: torsion fatigue; static torsion strength; torsion of breakage; torsion angle of breakage; Johnson’s apparent elastic limit

CLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)07-28-04

“柔性化设计半轴”在吸收传动系统的冲击载荷时降低

引言

为了简化或替代耗费较大人力、物力和财力的疲劳试验，对半轴静扭强度与扭转疲劳寿命之间的关系进行分析研究，并根据试验结果归纳了一些经验关系式。这些关系式表明，扭转强度与扭转疲劳之间存在一定的相关性。

欧系轻型商用车公司在台架试验标准方面只有半轴静扭台架试验标准，评价指标要求：半轴破坏时的扭转角≥150°、破坏扭矩Mb≥汽车暴力起步扭矩M。而我国QC／T 294—1999《汽车半轴技术条件 》仅有静扭失效后备系数 K>1.8 的要求，没有对半轴破坏扭转角的指标给出规定。本文所述是将扭转强度数据进行分析整理，找出他们关系，给出合理的评价指标。

作者简介：韩国鹏，就职于陕西汉德车桥有限公司。

动应力，使半轴在承受交变载荷时，在持久极限应力下工作（能承受无限次应力循环而不破坏的最大应力)，从而保证了“柔性化设计半轴”在整车服役期不损坏，同时对整车传动系起到保护，这是“柔性化设计半轴”特点。根据柔性化设计理念，对扭转强度的破坏扭转角大小进行约束，通过试验找出半轴破坏扭转角对疲劳寿命的影响，充实QC/T294—1999《汽车半轴技术条件》的评价指标，继而通过扭转强度结果参数预判半轴扭转疲劳寿命。

1 约翰逊弹性极限

1.1 约翰逊弹性极限介绍

根据QC/T1020-2015《汽车等速万向节及其总成试验方法》中3.9 约翰逊弹性极限取值方法，在扭矩-转角曲线弹性

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韩国鹏 等：用半轴静扭强度试验结果判定扭转疲劳试验寿命

段取点N，令MN=2QN，OQ平行于O1Q1，O1Q1与曲线先相切点为弹性极限。确定初始变形率的推荐方法是用点O和点N之间测得的数据进行线性回归。N应取最大扭矩的35～50%；O点取50～10%最大扭矩，示意图如图1所示。

图1

1.2 约翰逊弹性极限值计算

借助MATLAB软件计算出约翰逊弹性极限值： 1）通过MATLAB软件中cftool指令获得拟合曲线。 2）将获得的拟合曲线，在MATLAB软件中将多余重复的点去除，进行单调操作。程序如下：

m=0； n=0； l=1； m(l)=0.035； n(l)=-114.61； for i=1:3431 if x2(i+1)>m(l) if y2(i+1)>n(l) l=l+1; m(l)=x2(i+1); n(l)=y2(i+1)； end end end

3）获得单调曲线，通过程序做出单调曲线上的约翰逊弹性极限点，如图2所示。操作程序如下：

s=spline(m,n)；%求样条函数 dp=fnder(ps)；%求样条函数的微分 n1=fnval(ps,m)；%求样条函数的值 k=fnval(dp,m)；%求函数各点切线的斜率 [LL,L]=size(n)；%数据的长度

k1=sum(k(200:750))/551；%直线段斜率

at1=1.5/k1；%直线段与纵坐标夹角正切值的1.5倍 L1=round(L/10)； for j=750:10:(10*L1) k2(j)=sum(k(j:j+9))/10； at(j)=1/k2(j)；

if at(j)>at1； t=j； break； end end nn=n(t)； r=m(t)；

plot(m,n,r,nn,'+')；

图2

2 试验项目介绍

2.1 静扭强度试验

静扭强度试验在卧式WNZ-100000型试验机上进行，设定恒定的旋转角速度，逐步加大扭转力矩，同时测定扭转力矩和扭转角度，可以得到一条扭转力矩—扭转角曲线。

在第一阶段加载力矩随着扭转角的增加呈一根直线。但达到弹性极限后，进入屈服阶段；当扭转角继续增加，变形愈来愈大，直到断裂，这时的力矩为破坏力矩Mb，对应的扭转角为破坏扭转角θ。 2.2 扭转疲劳试验

根据QC/T 293—1999《汽车半轴台架试验方法》，对半轴加载循环载荷，加载示意图如图3。标准要求全浮式半轴，B50≥30×l04，B10≥20×l04。

图3 扭转疲劳加载曲线

2.3 试验数据整理

使用不同产品半轴，其直径、长度、材质、设计扭矩及其力学性能等有所不同。将静扭强度试验数据汇总分两类：

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汽车实用技术

1）在同批次下，扭转疲劳寿命符合B10和B50为第一类；

2）在同批次下，扭转疲劳寿命不符合B10和B50为第二类；

2.3.1 第一类静扭强度试验数据汇总如表1所示。

表1

2.3.2 第二类静扭强度试验数据汇总如表2所示。

表2

2.4 计算约翰逊弹性极限值

2.4.1 约翰逊弹性极限值计算完成后对数据进行如下处理：

1）对同批次下静扭强度样件破坏扭转角θ计算平均值；2）因扭转疲劳试验在样件材料弹性范围内进行循环载荷，将约翰逊弹性极限Mel与设计扭矩Mj关联，获得系数η，计算公式如下：

3）同批次下对η取平均值。

2.4.2 对表一中数据处理，获得结果如表3所示

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表3

2.4.3 对表二中数据处理，获得结果如表4所示

表4

2.5 数据分析

2.5.1 表三数据分析

此数据静扭强度后备系数k和扭转疲劳寿命均符合QC/T294—1999《汽车半轴技术条件》的评价指标的要求。

从表三数据得出：

1）样品直径不小于45mm，破坏扭转角θ大多数不小于200 º，θ平均值均不小于200º； 2）样品直径小于45mm，破坏扭转角θ平均值均不小于于150º，与欧系商用车汽车半轴扭转强度评价指标吻合；

3）计算单个样品约翰逊弹性极限值与设计扭矩比值η大多数不小于1.4，同批次η平均值均大于1.4。

2.5.2 表四数据分析

此数据静扭强度后备系数k符合QC/T294—1999《汽车半轴技术条件》的评价指标的要求，而扭转疲劳寿命不符合QC/T294—1999《汽车半轴技术条件》的评价指标的要求。

从表四数据得出：

1）当破坏扭转角θ大于200º时，约翰逊弹性极限值与设计扭矩比值η和η平均值均小于1.4；

2）当约翰逊弹性极限值与设计扭矩比值η和η平均值均大于1.4时，破坏扭转角均小于200º。 （下转第40页）

汽车实用技术

根据方案分析结果：

（1）Pstatic≤-6.5mbar@130kg/h。 （2）Pstatic≤-12.5mbar@180kg/h。 （3）Pstatic≤-15.4mbar@200kg/h。

满足要求，所以我们的方案有效，可以释放方案。

侵入管路内壁并保证加热器与管路连接处无凹陷，从而消除流动分离，降低压力损失。

（3）增加增压器进口直径，单位面积上的流速将降低，压力损失降低。

加热器位置虽然改变，但仍可以满足加热器在不同流速下表面静态压力的要求。

3 结论

根据仿真分析结果可知，我们可以满足发动机提出的压力损失目标，其中此项目的进气系统开发中，降低压力损失的措施有：

（1）增加喇叭口，降低压力损失。

（2）改变加热器位置，保证管路内壁光滑，防止加热器

参考文献

[1] 熊迪;发动机进气管理系统试验及仿真研究[D];浙江大学;2011年. [2] 蒋炎坤.CFD辅助发动机工程的理论与应用[M].北京:北京科学出

版社,2004.

[3] 沈俊等.CFD在汽车空气动力学中的应用[J].汽车技术,2000（10）.

（上接第30页）

通过塑性变形对传动系过载保护。因为有≥200°和≥150°的要求，使半轴在服役期内，有足够承受不断的冲击塑变产生的能力。在静扭强度满足要求的条件下，提高半轴的韧性和塑性使半轴在受冲击载荷作用时，在塑变区可以提高抵抗变形和断裂的能力。

3 结论

3.1 从表3和表4数据分析得出

静扭强度检验结果与扭转疲劳寿命存在着直接的关系，这种关系体现在破坏扭转角的大小、弹性极限、设计扭矩，这种规律性能够直接判定出扭转疲劳寿命是否符合评价要求。要使半轴扭转疲劳寿命符合要求，其前提是：① 样品直η平均值不小于1.4；② 样品直径小于45mm，静扭强度破坏扭转角θ平均值不小于150º；η平均值不小于1.4。

考虑到工艺控制问题，同批次下，样品性能稳定性，θ和η取平均值。

3.2 静扭强度在满足设计要求的情况下

样件的韧性和塑性对扭转疲劳寿命结果影响较大，即破坏扭转角的大小，对于扭转疲劳强度起着至关重要的作用，它关乎疲劳强度寿命是否满足标准要求。从另一面也反应出，只要满足θ和η，半轴可不再进行疲劳试验。或在下列情况下进行少量的疲劳试验：如开发初期的摸底、产品在金属加工、热处理等过程中，出现新的影响疲劳寿命的缺陷。 3.3 对破坏扭转角θ和η要求的意义

更具有吸收冲击载荷降低动应力，对传动系起到保护，提高了整车传动系的可靠性。正常工作扭矩是在弹性变形扭矩范围内，只有半轴受到冲击扭矩处在非正常工作时在塑性变形扭矩范围工作。冲击载荷是影响半轴使用寿的主要因素，

4 结束语

行业标准QC／T 294—1999《汽车半轴技术条件》已经下，增加半轴的评价指标即破坏扭转角θ、约翰逊弹性极限和设计扭矩比值η，形成企业标准进行评价。减小市场失效率，提高半轴使用寿命和耐冲击能力，也能缩短产品开发周期，减少试验消耗，节约成本。

径不小于45mm，静扭强度破坏扭转角θ平均值不小于200º，不适合当下试验及其设计理念的要求，建议在行业标准前提

参考文献

[1] 张洪欣.汽车设计.[M]吉林工业大学.1991. [2] 黄明志.金属力学性能.西安交通大学1986.

[3] 王有祈.热处理工艺与典型案例.化学工业出版社2013. [4] 杨川.金属零部件失效分析基础.国防工业出版社2014.

[5] 陆有生.全浮式汽车半轴的柔性化设计浅析半轴设计思想.南京汽

车研究所1992.

[6] 《国产化欧系轻型商用车后桥半轴静扭强度试验报告》综合汇编.

南京汽车研究所.1991.

[7] 吴宁生.柔性化设计半轴的扭转性能.疲劳性能及影响因素.南京

汽车集团有限公司汽车工程研究院2015.

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