輕型卡車傳動(dòng)軸軸管力學(xué)設(shè)計(jì)研究

王家華

摘 要：文章對(duì)傳動(dòng)軸軸管強(qiáng)度校核進(jìn)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(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則，并提出了軸管強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：材料;屈服強(qiáng)度;軸管強(qiáng)度;計(jì)算準(zhǔn)則中圖分類號(hào)：U463.216+.2? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(dòng)軸是汽車動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)向驅(qū)動(dòng)輪傳遞過(guò)程中的關(guān)鍵一環(huán)，用于相對(duì)位置不斷變化的兩根軸之間的動(dòng)力傳遞。傳動(dòng)軸裝置主要由凸緣叉、萬(wàn)向節(jié)叉、萬(wàn)向節(jié)滑動(dòng)叉、傳動(dòng)軸軸管、中間托架等組成。其中，傳動(dòng)軸軸管起到動(dòng)力長(zhǎng)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(jì)成空心圓管，這樣在同樣的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)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?？紤]到輕型卡車傳動(dòng)軸的工況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工程經(jīng)驗(yàn)，目前對(duì)傳動(dòng)軸裝置的力學(xué)性能設(shè)計(jì)主要包括：軸管扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算、花鍵軸齒面擠壓強(qiáng)度計(jì)算、傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算。其基本計(jì)算公式如表1所示。其中，軸管扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算考慮傳動(dòng)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(jì)、計(jì)算方法受到軸管材料、材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法、強(qiáng)度計(jì)算方法三個(gè)方面因素的影響。

1 影響軸管力學(xué)計(jì)算結(jié)果的影響因素

如圖2所示，在影響計(jì)算結(jié)果的因素中，軸管材料影響到計(jì)算準(zhǔn)則中的許用應(yīng)力[τ]，材料的力學(xué)性能試驗(yàn)方法影響到材料力學(xué)性能與許用應(yīng)力的符合程度，計(jì)算理論依據(jù)對(duì)計(jì)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(yàn)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(yàn)方法。2000版本標(biāo)準(zhǔn)中所列的三類傳動(dòng)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(yàn)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(jìn)行材料拉伸試驗(yàn)。隨著新材料的發(fā)展和應(yīng)用，傳動(dòng)軸軸管廠家已不再采用該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定牌號(hào)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(dòng)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(duì)此材料應(yīng)用情況的變化，YB/T 5209-2010對(duì)傳動(dòng)軸管材料性能再次更新，提升了軸管材料強(qiáng)度指標(biāo)（如表4所示）：

1.2 強(qiáng)度計(jì)算方法及其優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的輕型卡車傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)是先根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選擇傳動(dòng)軸軸管，然后進(jìn)行軸管扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度校核。傳動(dòng)軸軸管扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算的理論依據(jù)是計(jì)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(dòng)軸軸管扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的強(qiáng)度準(zhǔn)則是剪切強(qiáng)度，而σ_s是材料拉伸屈服應(yīng)力。按第三強(qiáng)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(jì)方法的優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用原有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，加快設(shè)計(jì)速度，但可能會(huì)造成強(qiáng)度富裕，浪費(fèi)材料和增加傳動(dòng)軸的總體成本。為了充分利用材料，應(yīng)根據(jù)傳動(dòng)軸的實(shí)際工況，確定傳動(dòng)軸的實(shí)際承受的最大扭矩后以軸管直徑為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由表1計(jì)算公式并考慮臨界狀態(tài)得：

2 結(jié)論

通過(guò)傳動(dòng)軸軸管沿用標(biāo)準(zhǔn)和軸管扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算方法影響因素的分析，明確了傳動(dòng)軸軸管材料的強(qiáng)度指標(biāo)和計(jì)算方法，對(duì)輕型卡車傳動(dòng)軸軸管強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。其中，傳動(dòng)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(duì)比，明確了常用傳動(dòng)軸軸管材料強(qiáng)度指標(biāo)，為正確進(jìn)行傳動(dòng)軸軸管強(qiáng)度計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算方法的討論為正確進(jìn)行

強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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