汽車傳動(dòng)軸系應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方法分析

李靜

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車行業(yè)也朝著高功率、高扭矩的方向發(fā)展。當(dāng)汽車驅(qū)動(dòng)軸系承受扭矩波動(dòng)后，就會(huì)引起汽車驅(qū)動(dòng)軸系的扭剪應(yīng)力應(yīng)變。這些都會(huì)嚴(yán)重影響汽車的行駛安全。簡(jiǎn)要分析了汽車驅(qū)動(dòng)軸系應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方法，旨在為提高汽車行駛的安全性提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車傳動(dòng)軸系；應(yīng)力應(yīng)變；測(cè)試方法；行駛安全

中圖分類號(hào)：U467.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.106

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，汽車成為了人們生活中必不可少的交通工具，人們對(duì)汽車功率和速度的要求也在不斷提高。汽油機(jī)的應(yīng)用使得汽車驅(qū)動(dòng)軸系的受力情況變得越來越復(fù)雜，進(jìn)而影響汽車的行駛安全。

1 應(yīng)變片電測(cè)法

應(yīng)變片電測(cè)法主要是利用電阻應(yīng)變計(jì)完成對(duì)汽車驅(qū)動(dòng)軸系應(yīng)變的測(cè)量，之后根據(jù)應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系確定汽車驅(qū)動(dòng)軸系表面的應(yīng)力狀態(tài)。在測(cè)量過程中，可將電阻應(yīng)變片粘貼在汽車傳動(dòng)軸系的被測(cè)點(diǎn)表面，一旦汽車驅(qū)動(dòng)軸系的相關(guān)零件在荷載作用下發(fā)生應(yīng)變，電阻應(yīng)變片的電阻值就會(huì)發(fā)生變化。這時(shí)，就可以計(jì)算出汽車傳驅(qū)動(dòng)系被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變情況。

應(yīng)變片電測(cè)法具有靈敏度高、精度高、尺寸小等特點(diǎn)，但是，應(yīng)變片的測(cè)量原理也決定了其固有的缺陷。具體包括以下2點(diǎn)：①應(yīng)變片電測(cè)法屬于一種接觸式測(cè)量方法，它只能測(cè)量汽車驅(qū)動(dòng)軸系表面的應(yīng)變，不能測(cè)量其內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)變；②應(yīng)變片電測(cè)法是一種電測(cè)量方法，需要使用帶有導(dǎo)線的測(cè)量回路，因此，在利用應(yīng)變片測(cè)試汽車驅(qū)動(dòng)軸系應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，要采取特殊的增強(qiáng)系統(tǒng)措施抵御電磁的干擾。

2 光彈性法

光彈性法主要是利用雙折射效應(yīng)測(cè)試其應(yīng)力應(yīng)變情況。當(dāng)非晶體材料受到荷載作用時(shí)，會(huì)像晶體一樣產(chǎn)生光學(xué)各向異性，從而發(fā)生雙折射現(xiàn)象。但是，采用這種方法時(shí)，一旦去掉荷載，雙折射現(xiàn)象就會(huì)消失。因此，可以將具有雙折射效應(yīng)的透明塑料按照一定比例制成汽車驅(qū)動(dòng)軸系模型，或者直接在汽車驅(qū)動(dòng)軸系上進(jìn)行光貼片處理，之后再將模型或汽車傳動(dòng)軸系置于偏振光場(chǎng)中。如果此時(shí)施加一定的荷載，就會(huì)產(chǎn)生干涉條紋。施加的荷載越大，產(chǎn)生的干涉條紋就越多。通過對(duì)條紋的觀測(cè)可以定性分析汽車驅(qū)動(dòng)軸系模型的應(yīng)力應(yīng)變情況。光彈性法是一種光學(xué)測(cè)量方法，它可以測(cè)量汽車驅(qū)動(dòng)軸系的內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變，也可以直觀地反應(yīng)汽車驅(qū)動(dòng)軸系的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而確定應(yīng)力部位和應(yīng)力集中系數(shù)。但是，光彈性法測(cè)量的周期比較長(zhǎng)，在測(cè)量汽車驅(qū)動(dòng)軸系應(yīng)力應(yīng)變的情況時(shí)，需要制作3D光彈性模型。這個(gè)模型的制作工藝十分復(fù)雜，而且光彈性法的光學(xué)系統(tǒng)也較為復(fù)雜。

3 視覺測(cè)量法

視覺測(cè)量法是以2D計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，它主要運(yùn)用2臺(tái)高分辨率的攝像機(jī)、1臺(tái)計(jì)算機(jī)、1個(gè)照明裝置和一組圖像分析軟件完成測(cè)量工作。視覺測(cè)量法的優(yōu)點(diǎn)是：①測(cè)試量程較大，成像精度能夠達(dá)到亞像素級(jí)。因此，使用它可以測(cè)量0.01%級(jí)別的微小應(yīng)變，同時(shí)，也可以測(cè)試100%甚至高于100%的應(yīng)變。②視覺測(cè)量法屬于一種光學(xué)測(cè)量，其測(cè)試結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠移動(dòng)，而且方便測(cè)試。③運(yùn)用視覺測(cè)量法能夠測(cè)試汽車驅(qū)動(dòng)軸系3D空間區(qū)域的力學(xué)特性。

視覺測(cè)量法也有一定的缺點(diǎn)：①影響測(cè)試精度的因素比較多。②因?yàn)闇y(cè)量是在攝像機(jī)的視場(chǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行的，而汽車驅(qū)動(dòng)軸系的體積較大，攝像機(jī)的視場(chǎng)范圍也較大，所以，圖像分辨率較低，會(huì)影響汽車驅(qū)動(dòng)軸系應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)試精度。

4 測(cè)齒法

測(cè)齒法是當(dāng)前使用最廣泛的汽車驅(qū)動(dòng)軸系應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方法。其測(cè)量裝置主要是由傳感器、信號(hào)齒輪、旋轉(zhuǎn)軸、后續(xù)信號(hào)采集和處理環(huán)節(jié)組成的。信號(hào)齒輪是裝在汽車驅(qū)動(dòng)軸系的軸上，當(dāng)被測(cè)汽車傳動(dòng)軸系旋轉(zhuǎn)，信號(hào)齒輪在傳感器上就會(huì)感應(yīng)出信號(hào)，之后數(shù)字電路就會(huì)將信號(hào)整形成矩形脈沖信號(hào)。如果汽車傳動(dòng)軸系不受外力的作用，則會(huì)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，不會(huì)發(fā)生變形，兩齒間距歷經(jīng)傳感器的時(shí)間也相等，因此，輸出的信號(hào)波形脈沖為齒形；如果汽車驅(qū)動(dòng)軸系受到外力的作用而發(fā)生變形，就會(huì)導(dǎo)致軸系齒輪的周向線速度不等。兩齒輪通過傳感器的時(shí)間不等，傳感器產(chǎn)生的信號(hào)波形脈沖為不均勻齒形，而不均勻的齒形脈沖中則包括汽車驅(qū)動(dòng)軸系的扭轉(zhuǎn)信息。之后利用晶振高頻計(jì)算相鄰齒輪之間的間隔脈沖，從而得到相鄰齒輪脈沖的間隔時(shí)間，這也是傳感器掃過2個(gè)相鄰齒輪的間隔時(shí)間。利用這個(gè)時(shí)間能夠計(jì)算出相鄰齒輪脈沖間隔的角速度，之后再處理后續(xù)信號(hào)，以得到汽車驅(qū)動(dòng)軸系的扭轉(zhuǎn)變形信號(hào)，最終完成對(duì)汽車驅(qū)動(dòng)軸系應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)試。

在傳動(dòng)軸兩端各安裝1個(gè)60個(gè)齒的測(cè)量齒盤，并且要用軸承支撐，確保其剛性。驅(qū)動(dòng)軸材料為45號(hào)鋼，平均直徑為70 mm，長(zhǎng)度為820 mm，剪切模量為80 GPa。對(duì)此驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試時(shí)，測(cè)試條件為無負(fù)載、怠速，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min，測(cè)試內(nèi)容為驅(qū)動(dòng)軸扭剪應(yīng)力和扭矩的時(shí)域波形。

分析、計(jì)算2個(gè)齒盤的脈沖周期，可以得到驅(qū)動(dòng)軸系的平均轉(zhuǎn)速為84.215 r/min。由其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力波形、扭轉(zhuǎn)應(yīng)變波形和扭矩波形可知，此傳驅(qū)動(dòng)系的應(yīng)力在4.45～4.80 MPa內(nèi)波動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)軸系扭矩則在98～106 Nm之間波動(dòng)。從頻譜圖中可以看出，驅(qū)動(dòng)軸系的扭剪應(yīng)力應(yīng)變和扭矩信號(hào)的峰值在1.4 Hz、5.6 Hz、9.8 Hz和15.4 Hz處。

測(cè)齒法之所以被廣泛應(yīng)用，不僅因?yàn)樗臏y(cè)量裝置價(jià)格較低，還因?yàn)樗m用于汽車驅(qū)動(dòng)軸系應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量。這種方法的轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍比較廣，而且其可靠性和精度也比較高。

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〔編輯：白潔〕