輸出軸的靜扭案例分析

許明中，楊小勇

(陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西西安 710077)

輸出軸的靜扭案例分析

許明中，楊小勇

(陜西法士特齒輪有限責任公司，陜西西安 710077)

變速器是整個汽車傳動系中一個極為關鍵的扭矩傳遞部件，雙中間軸變速器主要特點為承受載荷能力大，即輸出扭矩大，變速器靜扭強度最為薄弱環(huán)節(jié)往往就是輸出軸。針對雙中間軸變速器輸出軸靜扭強度試驗案例進行分析。

變速器；輸出軸；靜扭強度

Abstract:Transmission is a very important component to pass torque in entire vehicle driveline.The main characteristic of twin-countershaft transmission is high torque capacity.So the output shaft endures very high torque,and becomes the most weak part in transmission.Aiming at an example,the static torque of output shaft in twin-countershaft transmission was analyzed.

Keywords:Transmission;Output shaft;Static torque

0 引言

變速器是整個汽車傳動系中一個極為關鍵的扭矩傳遞部件，它可以將發(fā)動機輸出的能量以不同的轉速及其對應的扭矩傳遞到傳動軸和橋，來滿足駕駛員對汽車的行駛意圖。而變速器輸出軸又是變速器最為關鍵的受扭零件，所以輸出軸扭轉強度設計是眾多環(huán)節(jié)當中非常重要的一環(huán)。以下粗略分析輸出軸扭轉和應力關系。

1 案例分析

軸在變速器中有彎曲和扭轉或是彎扭復合變形，雙中間軸變速器的輸出軸就是其中純扭轉變形，在此，分析輸出軸的靜扭強度問題。變速器輸出軸在靜扭試驗機上施加載荷直至破壞后，試驗采集到M-φ(扭矩-扭角)曲線見圖1，橫截面破壞圖見圖2。

在此說明一下，圖1當中的扭矩-扭角曲線開始階段沒有呈現比例關系是因為克服試驗機卡具與試件間的間隙所造成的，只對扭角測量有較小的影響，OA段可以近似看作是條直線。

對輸出軸施加扭矩M時，橫截面在扭轉變形后仍然保持為平面，半徑仍為直線，扭轉時橫截面上無正應力，只有純剪應力τ，呈三角形分布，橫截面外表面應力最大[1]

式中[1]：Wp=πd3/16為軸的抗扭截面系數，d為軸的直徑。

如圖3(a)所示：當扭矩-扭角曲線達到點A時，也就是M與φ成正比關系開始破壞，這時，施加的扭矩為MA，軸表面處的切應力達到了材料的扭轉屈服應力τs，其應力值為[1]：

經過點A后，如果繼續(xù)加大扭轉，軸的橫截面上出現了一個環(huán)狀的塑性區(qū)，離圓心較遠的一些點將發(fā)生塑性流動，軸進入所謂彈塑性狀態(tài)，如圖2，這時橫截面上的剪應力分布規(guī)律

如圖3(b)所示。若材料的塑性很好，且當塑性區(qū)擴展到接近中心時，三角形應力分布占總的應力分布面積急劇減小，也就是彈性扭矩在扭矩M中比重越來越小，以至可以忽略不計，橫截面周邊上各點的切應力仍未超過扭轉屈服應力，扭轉曲線到達點B，此時的切應力分布如圖3(c)所示。點B扭矩與切應力有如下關系[1]：

軸扭轉曲線經過點B后，近乎為平直線，扭角增加而扭矩無明顯變化，直至到達點C，橫截面開始斷裂。以MB為強度準則進行設計，工程中稱為極限載荷法；以MA為強度準則進行設計則稱為極限應力法。從上面可以看出：以極限載荷法設計同樣的實心且具有一定塑性的軸，其許用扭矩將比用極限應力法所得要大1/3。

上面作者論述的為具有一定塑性的輸出軸，其抗拉、抗壓屈服強度相等，但抗剪的能力較差，純扭轉時，最大拉應力、最大壓應力與最大剪應力三者數值彼此相等，夾角成45°，因此，塑性軸扭轉時，將首先沿橫截面發(fā)生剪切屈服流動，繼而沿橫截面被剪斷，如圖2。然而，脆性材料，抗壓能力最強，抗剪能力次之，抗拉能力最差，故脆性圓材料扭轉時實際是被拉斷的，裂縫首先出現在沿螺旋線方向與軸線約成45°角處，扭矩與應力關系及應力分布較簡單，在此就不詳細分析了[1]。

2 結束語

所有強度設計中，都有一個安全系數的問題。顧名思義，安全系數越高，產品安全可靠性也就越好，但勢必帶來材料的浪費和成本的提高。選擇恰當的安全系數，加上合理設計，才是符合市場、滿足用戶所需的產品。

【1】 林毓锜,陳瀚,樓志文.材料力學:扭轉[M].西安：西安交通大學出版社，1994：37-47.

AnalysisoftheStaticTorqueofOutputShaft

XU Mingzhong,YANG Xiaoyong

(Shaanxi Fast Gear Co.，Ltd.,Xi’an Shaanxi 710077,China)

2014-09-30

許明中(1979—)，男，學士，工程師，研究方向為汽車變速器測試。E-mail：mademind@126.com。