關(guān)于汽車傳動(dòng)軸總成扭轉(zhuǎn)疲勞特性測(cè)試的試驗(yàn)研究與應(yīng)用_圖文

1、上海:2007年10月 中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集關(guān)于汽車傳動(dòng)軸總成扭轉(zhuǎn)疲勞特性測(cè)試的 試驗(yàn)研究與應(yīng)用王明輝(東風(fēng)本田發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司,廣東省廣州市,510700擒要:零部件疲勞性能測(cè)試是進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制的重要依據(jù),本文以疲勞試驗(yàn)為基礎(chǔ),統(tǒng)計(jì)學(xué)理論為手段,介 紹獲得疲勞特性曲線及確定疲勞極限的基本方法及試驗(yàn)結(jié)果的應(yīng)用,討論傳動(dòng)軸疲勞特性。關(guān)鍵詞:汽車傳動(dòng)軸、扭轉(zhuǎn)疲勞、試驗(yàn)研究與應(yīng)用、SN曲線、疲勞極限隨著社會(huì)的發(fā)展和汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激 烈.車型及零部件的更新不斷加快。縮短研發(fā)周 期.提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力成為各個(gè)汽車公司的當(dāng)務(wù)之 急。汽車傳動(dòng)軸作為重要的傳動(dòng)部件。如何精確 快速的確定其疲

2、勞壽命,是傳動(dòng)設(shè)計(jì)人員十分關(guān) 注的問(wèn)題。由于傳動(dòng)軸高周疲勞失效的離散性很 大,使得理論計(jì)算往往和實(shí)際壽命相差較遠(yuǎn)。但 是可以運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論。在試驗(yàn)臺(tái)架上快速、精 確的獲得疲勞壽命數(shù)據(jù)。研究傳動(dòng)軸總成在扭轉(zhuǎn) 疲勞試驗(yàn)臺(tái)架上獲取SN曲線的試驗(yàn)方法。不僅 可以為特定存活率下傳動(dòng)軸的疲勞特性計(jì)算提供 依據(jù),而且對(duì)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)質(zhì)量控制都有積 極指導(dǎo)作用。試驗(yàn)研究的范圍,以導(dǎo)致傳動(dòng)軸失 效的主要因素扭轉(zhuǎn)力矩為首選目標(biāo)。1試驗(yàn)簡(jiǎn)介1.1試驗(yàn)原理按照某種循環(huán)方式。施加繞其縱軸方向的力 偶進(jìn)行。直至傳動(dòng)軸最薄弱的零件疲勞破壞。 1.2設(shè)備簡(jiǎn)介試驗(yàn)設(shè)備扭轉(zhuǎn)疲勞專用試驗(yàn)機(jī).能夠?qū)崿F(xiàn)扭 矩正弦波、方波、角波以及組

3、合波形的設(shè)定,可 選角度或扭矩的控制模式。試驗(yàn)機(jī)有兩個(gè)傳動(dòng)軸 連接端,一個(gè)固定端一個(gè)驅(qū)動(dòng)端,分別連接傳動(dòng) 軸總成的外接頭(接輪轂和內(nèi)接頭(接變速箱 輸出端,保證傳動(dòng)軸軸線位于試驗(yàn)機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的 軸線之上。 1.3疲勞試驗(yàn)的分類疲勞試驗(yàn)按試驗(yàn)對(duì)象可以分為材料疲勞試驗(yàn) 和結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn),傳動(dòng)軸總成試驗(yàn)是利用全尺寸 零部件進(jìn)行疲勞試驗(yàn).屬于典型的結(jié)構(gòu)疲勞試 驗(yàn)。按失效循環(huán)數(shù)可以分為高周疲勞試驗(yàn)和低周 疲勞試驗(yàn).傳動(dòng)軸實(shí)車失效的方式遵循高周疲勞 的特點(diǎn)。按試驗(yàn)的目的可以分為:性能測(cè)試疲勞 試驗(yàn)、驗(yàn)證疲勞試驗(yàn)、影響系數(shù)疲勞試驗(yàn)、對(duì)比 疲勞試驗(yàn)等。本扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)是測(cè)定零部件的疲 勞極限、SN曲線等性能參量,屬于

4、性能測(cè)試疲 勞試驗(yàn)。2試驗(yàn)控制條件2.1試件安裝保證傳動(dòng)軸中線與與設(shè)備的扭矩中心同軸。 2.2力循環(huán)施加扭矩類型和大小并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。主 要是根據(jù)傳動(dòng)軸總成類型和設(shè)計(jì)要求制定。本試 驗(yàn)采用非對(duì)稱正弦循環(huán)加載.交變扭矩的最大試 驗(yàn)扭矩(Mmax取規(guī)定的額定負(fù)荷,最小試驗(yàn) 扭矩Mmin取額定負(fù)荷的30%,交變扭矩的幅值 為Ma=(MmaxMJ玎而J/2。按正弦曲線變化的等幅循環(huán)力是最簡(jiǎn)單的循 環(huán)力,它具有循環(huán)力最基本的特征,材料的基本 疲勞性能數(shù)據(jù)多是在這種力下測(cè)得的。循環(huán)力下 力一時(shí)間函數(shù)的最小單元稱為力循環(huán).一個(gè)力循 環(huán)所需的時(shí)間稱為周期,用T表示,下圖為力循 環(huán)的示意圖。作者簡(jiǎn)介:王明輝(

5、1977一,男,本科,研究方向:傳動(dòng)軸疲勞壽命。 E-mail:wangminghui7708163.corn書(shū)面交流論文-圖1力循環(huán)圖2.3試驗(yàn)頻率試驗(yàn)頻率可分為三個(gè)范圍。正常頻率(5 300nz,低頻(0.10.5Hz,超高頻(300 10000Hz,有研究表明低頻使疲勞壽命降低,高 頻使疲勞壽命提高,在正常頻率下,試驗(yàn)頻率對(duì) 疲勞強(qiáng)度影響不大。因此在正常頻率范圍內(nèi),為 縮短試驗(yàn)時(shí)間.應(yīng)盡可能提高試驗(yàn)頻率,但應(yīng)注 意選用頻率受設(shè)備本身能力和試件強(qiáng)度的限制, 同時(shí)應(yīng)保證試件溫度不會(huì)升高而影響到材料的疲 勞特性。2.4試驗(yàn)中止試件應(yīng)在規(guī)定的應(yīng)力下連續(xù)試驗(yàn),直至規(guī)定 的試驗(yàn)基數(shù)或試件失效。試驗(yàn)中

6、斷會(huì)提高疲勞壽 命.對(duì)塑性材料尤甚,但對(duì)疲勞極限實(shí)際無(wú)影 響。失效準(zhǔn)則是出現(xiàn)可見(jiàn)的疲勞裂紋或斷裂。有 下列情況之一者試驗(yàn)數(shù)據(jù)作廢:(1試件在非正常部位失效(2試件端口上有明顯的冶金缺陷或其他缺 陷(3由于中途停試造成數(shù)據(jù)異常3試驗(yàn)方法及結(jié)果評(píng)估試樣SN曲線的測(cè)定是承載能力評(píng)估的基 礎(chǔ),可由成組法和升降法兩部分試驗(yàn)組成。3.1繪制特性曲線對(duì)于高周疲勞壽命離散較大的特點(diǎn),單點(diǎn)法 每一扭矩水平只試驗(yàn)一個(gè)試件結(jié)果精度較差。為 了得到精確的疲勞曲線,常采用成組法。即每一 扭矩水平試驗(yàn)一組數(shù)據(jù),通常成組法取三個(gè)組, 分別獲得三個(gè)載荷水平下具有50%存活率的對(duì)數(shù) 中值壽命:升降法則用以獲取具有50%存活率的

7、 條件疲勞極限。用上述4個(gè)點(diǎn)組成SN曲線,然 后按三參數(shù)冪函數(shù)的形式擬合獲得具有50%存活 率的SN曲線。具體步驟如下:3.1.1成組法a.三級(jí)載荷水平的選取:最好使試件斷裂的 循環(huán)次數(shù)分別在下列范圍內(nèi):NI=(0.85.2x105N2=(5.28.0x105N3=(0.85.2x106b.確定試件數(shù)量:每組試件數(shù)量一般可選用 58根。疲勞壽命的離散度越大。需要的數(shù)量越 多,當(dāng)誤差限度8一定時(shí)。試件數(shù)量滿足下面公 式6n/faCyfr給定置信度1咱及自由度 J11時(shí)t分布數(shù)值Cv一一變異系數(shù),Cv=s/x,其中 s為對(duì)數(shù)疲勞壽命標(biāo)準(zhǔn)差。x為對(duì)數(shù)疲勞壽命均 值。c.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理:試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)有

8、可能存 在異常的情況,應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,剔除偏離 真實(shí)壽命比較大的點(diǎn)。能夠真實(shí)描述疲勞試驗(yàn)數(shù) 據(jù)分布的函數(shù)有兩種,它們是對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù) 和威布爾分布函數(shù)。但威布爾函數(shù)的處理比較復(fù) 雜.因此T程上多使用對(duì)數(shù)上E態(tài)分布。成組法獲 得的疲勞壽命可能是離散的,假定一組試件的疲 勞壽命基本都在106以內(nèi)時(shí),根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),可 以假定對(duì)數(shù)疲勞壽命遵循正態(tài)分布,由此可知母 體的平均值u相當(dāng)于50%存活率的對(duì)數(shù)疲勞壽命 lgN蚰=u (1 由(1可知lgNso=Y.19Ni/n (2 可求出中值疲勞壽命N如果一組試件疲勞壽命基本都大于106循環(huán) 時(shí)。取疲勞壽命的中值作為這組試件疲勞壽命 N卯的估量值。3.1

9、.2升降法確定疲勞極限傳動(dòng)軸使用的是特種合金鋼材料,材料的疲 勞壽命曲線有水平段.水平段所對(duì)應(yīng)的扭力值即 為傳動(dòng)軸總成的疲勞極限。確定疲勞極限是校準(zhǔn) 設(shè)計(jì)值或者進(jìn)行質(zhì)量控制的重要參數(shù)。也是繪制 疲勞特性曲線的重要應(yīng)用。確定疲勞極限主要注 意以下兩點(diǎn):a.確定循環(huán)基數(shù):接近疲勞極限的時(shí)候,試 件往往經(jīng)歷數(shù)千萬(wàn)次循環(huán)甚至數(shù)億次也不發(fā)生破 壞,為了縮短試驗(yàn)時(shí)間,提高效率,首先需要確 定試驗(yàn)基數(shù).大于循環(huán)基數(shù)的時(shí)候即視為達(dá)到極 限。循環(huán)基數(shù)的取值依據(jù)不同材料或者設(shè)計(jì)壽命 而定.對(duì)一般合金鋼材料可取107循環(huán)為試驗(yàn)基 數(shù)。b.升降法確定疲勞極限:試件數(shù)量應(yīng)保證在 13根以上,試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)全部試樣編號(hào)并隨機(jī)

10、化處 理。以保證獲得六對(duì)有效數(shù)據(jù)。上海:2007年10月 中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 641c.扭矩增量M一般在預(yù)計(jì)疲勞極限M一1的 5%以內(nèi).試驗(yàn)可在三至五級(jí)彎矩水平下進(jìn)行。 應(yīng)使第一根試樣的試驗(yàn)扭矩水平略高于預(yù)計(jì)M一 1。根據(jù)上一根試樣的試驗(yàn)結(jié)果(失效或通過(guò), 決定下一根試樣的試驗(yàn)水平個(gè)(降低或升高。 直至完成全部試驗(yàn)。對(duì)第一次出現(xiàn)相反結(jié)果(失 效和通過(guò);通過(guò)和失效以前的數(shù)據(jù).如在以后 的試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍之外,則予以舍棄;如在上 述波動(dòng)范圍之內(nèi)。則作為有效數(shù)據(jù)加以利用,即 在試驗(yàn)過(guò)程中。陸續(xù)將它們平移到第一對(duì)相反結(jié) 果之后.作為該試樣在所設(shè)定扭矩水平下的第一 個(gè)有效數(shù)據(jù).見(jiàn)圖2。1

11、￥3、,1/, 15,、n廠、 12,4/ 一￥ ,r/。矗 并圖2升降圖指定壽命N=107x一破壞o通過(guò) 所用計(jì)算公式如下:承載扭矩疲勞極限 M.F(s。n式中:SF慨峨J/2Si、S,分別是出現(xiàn)相反結(jié)果的相臨兩級(jí)試驗(yàn) 載荷,i=1.2n。n一有效數(shù)據(jù)的對(duì)子數(shù)目。 3.1.3曲線繪制將不同載荷下用成組法求得的結(jié)果與升降法 測(cè)得的疲勞極限結(jié)合在一起。就組成了這種型號(hào) 曲軸的S-N曲線.并且將成為今后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)推 斷的依據(jù)。S-N曲線的橫坐標(biāo)采用疲勞壽命的 對(duì)數(shù)坐標(biāo).縱坐標(biāo)采用扭矩坐標(biāo),但不排除各企 業(yè)可以采用其它指標(biāo)(例如:力、應(yīng)力作為 自己的內(nèi)控判據(jù)。用光滑曲線連接數(shù)據(jù)各點(diǎn),構(gòu)成曲線。也 可以

12、按三參數(shù)冪函數(shù)擬合SN曲線:S=C(1+A,忡式中S_載荷,A-壽命,A、a待定常數(shù) cL無(wú)限壽命下的疲勞極限(存活率P=50%, 置信度r=95%3.2試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估繪制S-N曲線應(yīng)該符合兩項(xiàng)基本特點(diǎn): (1應(yīng)該是一條平滑曲線,某一扭力點(diǎn)異 常跳動(dòng)致使曲線在局部突出或凹陷時(shí),應(yīng)該增加 該扭矩點(diǎn)試驗(yàn)次數(shù)。(2鋼材料基本都存在疲勞極限,對(duì)應(yīng)s N曲線的水平段.由于試驗(yàn)中采用條件疲勞極 限.曲線沒(méi)有真正達(dá)到水平段,但至少應(yīng)該出現(xiàn) 水平接近段。4應(yīng)用依據(jù)上述試驗(yàn)方法。能夠較為準(zhǔn)確的繪制傳動(dòng)軸 總成sN曲線.如下圖為某汽車傳動(dòng)軸S-.-N曲 線.曲線縱坐標(biāo)采用扭矩作為內(nèi)部判據(jù)。試驗(yàn)選取的扭力級(jí)數(shù)及結(jié)果如

13、下表:繪制SN曲線如圖3試驗(yàn)結(jié)果作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。可以進(jìn)行擴(kuò)展并在 實(shí)際工作中加以利用:(1對(duì)于傳動(dòng)設(shè)計(jì)人員,SN曲線包含了 疲勞壽命的重要特征.對(duì)于校核壽命計(jì)算,指導(dǎo) 產(chǎn)品的研發(fā)和改進(jìn)有較大的作用。例如:伴隨科 技技術(shù)發(fā)展.有一種新興的虛擬疲勞試驗(yàn)利用有 限元數(shù)值仿真技術(shù).在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)疲 勞試驗(yàn),用以解決設(shè)計(jì)階段無(wú)法驗(yàn)證疲勞壽命的 表1試驗(yàn)結(jié)果f基&:璺2達(dá)墼 必:型0.92000000問(wèn)題.以SN曲線描述的數(shù)據(jù)庫(kù).是設(shè)計(jì)模擬的 必要條件。l,口O12501200一Il,q,1100蘭l o,o:10005。,。50痘勞壽命曲線 v1f 川 l f_ 駙、f一 抖 一4寸 NI

14、 l l ! 卜 I【 r I十 k r州 卅 ;111l 111|jiOOB十D5l 00B+0 l 0口E+071OOBt口-#圖3某傳動(dòng)軸SN曲線(2對(duì)于品質(zhì)控制部門,可以依據(jù)50%存 活率SN曲線及試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算不同存活率范圍 的SN曲線.制定檢驗(yàn)質(zhì)量波動(dòng)的內(nèi)控依據(jù),及 時(shí)在產(chǎn)品抽檢中發(fā)現(xiàn)并跟蹤產(chǎn)品壽命的異常變 化。(3對(duì)于制造及工藝部門,增加了工藝變 更、材料變更及引起質(zhì)量變化的情況發(fā)生時(shí)進(jìn)行642書(shū)面交流論文對(duì)比的手段。檢驗(yàn)制造參數(shù)變化的有效性,具有 指導(dǎo)意義。(4試件在各扭力點(diǎn)疲勞失效的部位,斷 口失效分析。成份檢驗(yàn),表層、芯部硬度測(cè)量等 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及方法,在分析市場(chǎng)傳動(dòng)軸失效原因 時(shí)。值得進(jìn)一步的推廣和借鑒。5結(jié)論驗(yàn)證性疲勞試驗(yàn)常用于結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn),其目 的是驗(yàn)證疲勞設(shè)計(jì)計(jì)算與壽命估算的正確性,確 定零部件在額定使用載荷下是否具有預(yù)定的疲勞 強(qiáng)度和疲勞壽命。通過(guò)試驗(yàn)獲取疲勞極限和扭 矩一壽命特性曲線(SN曲線是數(shù)據(jù)分析和應(yīng) 用的重要方式。比較準(zhǔn)確的