通過(guò)靜扭輸出主軸對(duì)變速器進(jìn)行失效分析

強(qiáng)中偉，張孟鋒

（陜西法士特傳動(dòng)工程研究院實(shí)驗(yàn)中心，陜西 西安 710119）

通過(guò)靜扭輸出主軸對(duì)變速器進(jìn)行失效分析

強(qiáng)中偉，張孟鋒

（陜西法士特傳動(dòng)工程研究院實(shí)驗(yàn)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(fēng)險(xiǎn)，提高變速器總成的可靠性，對(duì)變速器總成和主要零部件的承載能力進(jìn)行分析和驗(yàn)證已經(jīng)成為變速器設(shè)計(jì)過(guò)程中重要的環(huán)節(jié)。文章通過(guò)對(duì)變速器總成和軸類(lèi)零件靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)案例進(jìn)行分析總結(jié)，介紹了如何通過(guò)分析靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)的扭矩-扭角曲線(xiàn)，進(jìn)一步研究輸出主軸部件的承載能力，以確保達(dá)到變速器扭矩設(shè)計(jì)要求。

靜扭；材料強(qiáng)度；扭矩曲線(xiàn)；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(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要部件，通過(guò)變速器能夠轉(zhuǎn)變發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速扭矩，進(jìn)行不同速比的減速增扭，以滿(mǎn)足車(chē)輛在不同工況下對(duì)驅(qū)動(dòng)力和車(chē)速的要求，并且是發(fā)動(dòng)機(jī)在合理的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)情所需，變速器工作工作環(huán)境惡劣，對(duì)重載，爬坡工況下運(yùn)行的可靠性要求越來(lái)越高。因此對(duì)變速器主要零部件應(yīng)力分析和試驗(yàn)驗(yàn)證顯得尤為重要。變速器靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)是最基本的變速器試驗(yàn)項(xiàng)目之一，它是在靜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)定變速器的扭矩和扭角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以確定其抗扭性能指標(biāo)。本文通過(guò)分析軸類(lèi)零件和變速器靜扭曲線(xiàn)，對(duì)變速器主要承載部件應(yīng)力分析和試驗(yàn)校核，并對(duì)試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為改進(jìn)變速器可靠性，提高承載扭矩提供重要參考依據(jù)。

1、靜扭試驗(yàn)和試驗(yàn)曲線(xiàn)

1.1 靜扭試驗(yàn)和設(shè)備簡(jiǎn)介

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)中心最新的變速器扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)架可以測(cè)試500－150000Nm范圍內(nèi)的扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。設(shè)備主要由幾個(gè)主要部件組成：控制柜、伺服電機(jī)、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(mǎn)足目前我廠(chǎng)所有變速器，取力器，軸類(lèi)零件的扭轉(zhuǎn)測(cè)試。

變速器靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)是將變速器輸出端固定，對(duì)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(xiàn)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(kāi)始出現(xiàn)形變，然后發(fā)生屈服，最后破壞。整個(gè)過(guò)程中的扭矩扭角均被采集，便于試驗(yàn)后分析數(shù)據(jù)。

圖1 150000Nm變速器扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)

1.2 靜扭試驗(yàn)曲線(xiàn)

如圖2，試驗(yàn)中設(shè)備采集試驗(yàn)扭矩T及相對(duì)應(yīng)應(yīng)的扭角φ,然后繪制T-φ扭轉(zhuǎn)曲線(xiàn)圖，一般扭至斷裂，以便測(cè)試確定變速器的薄弱部件。同時(shí)確定曲線(xiàn)的屈服點(diǎn)和最大點(diǎn)，用來(lái)分析變速器總成的屈服極限，為設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考數(shù)據(jù)。

2、變速器輸出主軸斷裂靜扭曲線(xiàn)和分析

2.1 變速器輸出主軸扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和曲線(xiàn)分析

圖3是副箱主軸的靜扭曲線(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)曲線(xiàn)有幾個(gè)階段：在加載后，曲線(xiàn)保持一個(gè)基本不變的斜率增長(zhǎng)，我們可視為這個(gè)階段為材料彈性形變階段（曲線(xiàn)oa），滿(mǎn)足剪切胡克定律。當(dāng)扭矩達(dá)到60000Nm左后上，可以發(fā)現(xiàn)曲線(xiàn)斜率開(kāi)始下降，樣品出現(xiàn)了屈服前的微塑性形變（曲線(xiàn)ab），在扭矩達(dá)到65000Nm時(shí)，靜扭曲線(xiàn)斜率明顯下降，觀(guān)察軸發(fā)現(xiàn)花鍵處變形明顯（如圖5），此時(shí)軸已經(jīng)發(fā)生塑性形變（曲線(xiàn)bc）。繼續(xù)試驗(yàn)，當(dāng)扭矩加載到最大點(diǎn)70320Nm時(shí)（曲線(xiàn)cd），外層材料受剪力超過(guò)軸的強(qiáng)度極限，開(kāi)始出現(xiàn)裂縫（如圖6）。由于此時(shí)這件主軸堅(jiān)硬的外部材料由于強(qiáng)度不夠開(kāi)始崩潰，軸的橫截面上出現(xiàn)了一個(gè)環(huán)狀的塑性區(qū)，離圓心較遠(yuǎn)的一些點(diǎn)將發(fā)生塑性流動(dòng)，軸進(jìn)入所謂彈塑性狀態(tài)。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，裂紋擴(kuò)展加深，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩^軟的心部開(kāi)始受力，此時(shí)雖然外力不斷下降，但由于實(shí)際受力截面積迅速減小，受力截面處實(shí)際應(yīng)力仍在不斷增長(zhǎng)（曲線(xiàn)de），所以扭矩會(huì)出現(xiàn)一個(gè)平緩下降到62000Nm左后（如圖7），直到裂紋繼續(xù)擴(kuò)張到心部，材料瞬間扭轉(zhuǎn)斷裂（曲線(xiàn)ef）。

圖3 12JSD200T-1707105靜扭試驗(yàn)扭矩-扭角曲線(xiàn)

圖4 軸扭矩達(dá)到60000Nm發(fā)現(xiàn)花鍵輕微形變

圖5 軸扭矩達(dá)到65000Nm花鍵明顯變形

圖6 軸扭矩達(dá)到70320Nm時(shí)花鍵根部出現(xiàn)裂縫

圖7 扭角為21°時(shí)，扭矩逐漸下降到62000Nm，此時(shí)軸外部材料已經(jīng)被扭轉(zhuǎn)破壞

由于扭轉(zhuǎn)軸類(lèi)材料屬于塑性形變，所以滿(mǎn)足扭轉(zhuǎn)塑性形變材料橫截面切應(yīng)力和切應(yīng)變分布（圖8）?？芍捎诖藭r(shí)這件主軸堅(jiān)硬的外部材料由于強(qiáng)度不夠開(kāi)始崩潰，軸的橫截面上出現(xiàn)了一個(gè)環(huán)狀的塑性區(qū)，離圓心較遠(yuǎn)的一些點(diǎn)將發(fā)生塑性流動(dòng)，通過(guò)斷面可以發(fā)現(xiàn)（如圖9），外層斷面比較光滑，內(nèi)部比較粗糙，是破壞裂縫由外部向心部逐漸擴(kuò)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(guò)心部材料強(qiáng)度極限產(chǎn)生瞬間斷裂，因此斷面心部比較粗糙。通過(guò)斷面的分析進(jìn)一步驗(yàn)證了之前試驗(yàn)各個(gè)階段的狀態(tài)。

圖8 扭轉(zhuǎn)塑性形變橫截面切應(yīng)力切應(yīng)變分布

圖9 扭轉(zhuǎn)斷裂面

2.2 變速器輸出主軸扭轉(zhuǎn)斷裂失效分析

依據(jù)Q/S 61005-2015《重型汽車(chē)機(jī)械式變速器總成》中關(guān)于靜扭試驗(yàn)后備系數(shù)K=M/Mcmax>3的要求，可以通過(guò)速比計(jì)算出變速器輸出端在靜扭試驗(yàn)中理論承受的扭矩。因此可以根據(jù)輸出軸在扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)中產(chǎn)生的屈服扭矩來(lái)校核整箱輸出端的扭距是否達(dá)到要求。

如圖9所示，這是安裝之前進(jìn)行試驗(yàn)主軸零件的我公司某款重型變速器靜扭曲線(xiàn)，通過(guò)圖線(xiàn)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，曲線(xiàn)和軸類(lèi)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)曲線(xiàn)接近，因此可以判斷輸出軸在整箱靜扭發(fā)生了失效破壞。試驗(yàn)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(fā)現(xiàn)明顯失效，驗(yàn)證了之前通過(guò)曲線(xiàn)對(duì)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(qiáng)度試驗(yàn)的薄弱點(diǎn)，可以考慮加強(qiáng)輸出主軸的強(qiáng)度來(lái)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(xiàn)

圖10 扭轉(zhuǎn)后輸出軸斷裂失效

3、總結(jié)

通過(guò)對(duì)變速器靜扭曲線(xiàn)以及軸類(lèi)零件失效進(jìn)行分析，不僅還原真實(shí)使用中的實(shí)體情況，模式失效的發(fā)生，并且能夠客觀(guān)反應(yīng)出變速器和零件在設(shè)計(jì)加工中的不足，尋找變速器總成在加載情況下的薄弱環(huán)節(jié)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)要求，為提高產(chǎn)品性能提供理論基礎(chǔ)。

[1] 力學(xué)性能試驗(yàn)[M].中國(guó)計(jì)量出版社,2008.8.

[2] 楊伯源.材料力學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)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(qiáng)中偉，就職于陜西法士特傳動(dòng)工程研究院實(shí)驗(yàn)中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.052