用半軸靜扭強度試驗結果判定扭轉疲勞試驗壽命

韓國鵬，鄭棟，馮澤功

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

引言

為了簡化或替代耗費較大人力、物力和財力的疲勞試驗，對半軸靜扭強度與扭轉疲勞壽命之間的關系進行分析研究，并根據試驗結果歸納了一些經驗關系式。這些關系式表明，扭轉強度與扭轉疲勞之間存在一定的相關性。

歐系輕型商用車公司在臺架試驗標準方面只有半軸靜扭臺架試驗標準，評價指標要求：半軸破壞時的扭轉角≥150°、破壞扭矩Mb≥汽車暴力起步扭矩M。而我國QC／T 294—1999《汽車半軸技術條件 》僅有靜扭失效后備系數 K>1.8的要求，沒有對半軸破壞扭轉角的指標給出規定。本文所述是將扭轉強度數據進行分析整理，找出他們關系，給出合理的評價指標。

“柔性化設計半軸”在吸收傳動系統的沖擊載荷時降低動應力，使半軸在承受交變載荷時，在持久極限應力下工作（能承受無限次應力循環而不破壞的最大應力)，從而保證了“柔性化設計半軸”在整車服役期不損壞，同時對整車傳動系起到保護，這是“柔性化設計半軸”特點。根據柔性化設計理念，對扭轉強度的破壞扭轉角大小進行約束，通過試驗找出半軸破壞扭轉角對疲勞壽命的影響，充實 QC/T294—1999《汽車半軸技術條件》的評價指標，繼而通過扭轉強度結果參數預判半軸扭轉疲勞壽命。

1 約翰遜彈性極限

1.1 約翰遜彈性極限介紹

根據 QC/T1020-2015《汽車等速萬向節及其總成試驗方法》中3.9 約翰遜彈性極限取值方法，在扭矩-轉角曲線彈性段取點N，令MN=2QN，OQ平行于O1Q1，O1Q1與曲線先相切點為彈性極限。確定初始變形率的推薦方法是用點O和點N之間測得的數據進行線性回歸。N應取最大扭矩的35～50%；O點取50～10%最大扭矩，示意圖如圖1所示。

圖1

1.2 約翰遜彈性極限值計算

借助MATLAB軟件計算出約翰遜彈性極限值：

1）通過MATLAB軟件中cftool指令獲得擬合曲線。

2）將獲得的擬合曲線，在MATLAB軟件中將多余重復的點去除，進行單調操作。程序如下：

m=0；

n=0；

l=1；

m(l)=0.035；

n(l)=-114.61；

for i=1:3431

if x2(i+1)>m(l)

if y2(i+1)>n(l)

l=l+1; m(l)=x2(i+1);

n(l)=y2(i+1)；

end

end

end

3）獲得單調曲線，通過程序做出單調曲線上的約翰遜彈性極限點，如圖2所示。操作程序如下：

s=spline(m,n)；%求樣條函數

dp=fnder(ps)；%求樣條函數的微分

n1=fnval(ps,m)；%求樣條函數的值

k=fnval(dp,m)；%求函數各點切線的斜率

[LL,L]=size(n)；%數據的長度

k1=sum(k(200:750))/551；%直線段斜率

at1=1.5/k1；%直線段與縱坐標夾角正切值的1.5倍

L1=round(L/10)；

for j=750:10:(10*L1)

k2(j)=sum(k(j:j+9))/10；

at(j)=1/k2(j)；

if at(j)>at1；

t=j；

break；

end

end

nn=n(t)；

r=m(t)；

plot(m,n,r,nn,'+')；

圖2

2 試驗項目介紹

2.1 靜扭強度試驗

靜扭強度試驗在臥式WNZ-100000型試驗機上進行，設定恒定的旋轉角速度，逐步加大扭轉力矩，同時測定扭轉力矩和扭轉角度，可以得到一條扭轉力矩—扭轉角曲線。

在第一階段加載力矩隨著扭轉角的增加呈一根直線。但達到彈性極限后，進入屈服階段；當扭轉角繼續增加，變形愈來愈大，直到斷裂，這時的力矩為破壞力矩Mb，對應的扭轉角為破壞扭轉角θ。

2.2 扭轉疲勞試驗

根據QC/T 293—1999《汽車半軸臺架試驗方法》，對半軸加載循環載荷，加載示意圖如圖3。標準要求全浮式半軸，B50≥30×l04，B10≥20×l04。

圖3 扭轉疲勞加載曲線

2.3 試驗數據整理

使用不同產品半軸，其直徑、長度、材質、設計扭矩及其力學性能等有所不同。將靜扭強度試驗數據匯總分兩類：

1）在同批次下，扭轉疲勞壽命符合B10和B50為第一類；

2）在同批次下，扭轉疲勞壽命不符合B10和B50為第二類；

2.3.1 第一類靜扭強度試驗數據匯總如表1所示。

表1

2.3.2 第二類靜扭強度試驗數據匯總如表2所示。

表2

2.4 計算約翰遜彈性極限值

2.4.1 約翰遜彈性極限值計算完成后對數據進行如下處理：

1）對同批次下靜扭強度樣件破壞扭轉角θ計算平均值；

2）因扭轉疲勞試驗在樣件材料彈性范圍內進行循環載荷，將約翰遜彈性極限Mel與設計扭矩Mj關聯，獲得系數η，計算公式如下：

3）同批次下對η取平均值。

2.4.2 對表一中數據處理，獲得結果如表3所示

表3

2.4.3 對表二中數據處理，獲得結果如表4所示

表4

2.5 數據分析

2.5.1 表三數據分析

此數據靜扭強度后備系數 k和扭轉疲勞壽命均符合QC/T294—1999《汽車半軸技術條件》的評價指標的要求。

從表三數據得出：

1）樣品直徑不小于45mm，破壞扭轉角θ大多數不小于200 o，θ平均值均不小于200o；

2）樣品直徑小于45mm，破壞扭轉角θ平均值均不小于于150o，與歐系商用車汽車半軸扭轉強度評價指標吻合；

3）計算單個樣品約翰遜彈性極限值與設計扭矩比值η大多數不小于1.4，同批次η平均值均大于1.4。

2.5.2 表四數據分析

此數據靜扭強度后備系數k符合QC/T294—1999《汽車半軸技術條件》的評價指標的要求，而扭轉疲勞壽命不符合QC/T294—1999《汽車半軸技術條件》的評價指標的要求。

從表四數據得出：

1）當破壞扭轉角θ大于 200o時，約翰遜彈性極限值與設計扭矩比值η和η平均值均小于1.4；

2）當約翰遜彈性極限值與設計扭矩比值η和η平均值均大于1.4時，破壞扭轉角均小于200o。

3 結論

3.1 從表3和表4數據分析得出

靜扭強度檢驗結果與扭轉疲勞壽命存在著直接的關系，這種關系體現在破壞扭轉角的大小、彈性極限、設計扭矩，這種規律性能夠直接判定出扭轉疲勞壽命是否符合評價要求。要使半軸扭轉疲勞壽命符合要求，其前提是：① 樣品直徑不小于45mm，靜扭強度破壞扭轉角θ平均值不小于200o，η平均值不小于1.4；② 樣品直徑小于45mm，靜扭強度破壞扭轉角θ平均值不小于150o；η平均值不小于1.4。

考慮到工藝控制問題，同批次下，樣品性能穩定性，θ和η取平均值。

3.2 靜扭強度在滿足設計要求的情況下

樣件的韌性和塑性對扭轉疲勞壽命結果影響較大，即破壞扭轉角的大小，對于扭轉疲勞強度起著至關重要的作用，它關乎疲勞強度壽命是否滿足標準要求。從另一面也反應出，只要滿足θ和η，半軸可不再進行疲勞試驗。或在下列情況下進行少量的疲勞試驗：如開發初期的摸底、產品在金屬加工、熱處理等過程中，出現新的影響疲勞壽命的缺陷。

3.3 對破壞扭轉角θ和η要求的意義

更具有吸收沖擊載荷降低動應力，對傳動系起到保護，提高了整車傳動系的可靠性。正常工作扭矩是在彈性變形扭矩范圍內，只有半軸受到沖擊扭矩處在非正常工作時在塑性變形扭矩范圍工作。沖擊載荷是影響半軸使用壽的主要因素，通過塑性變形對傳動系過載保護。因為有≥200°和≥150°的要求，使半軸在服役期內，有足夠承受不斷的沖擊塑變產生的能力。在靜扭強度滿足要求的條件下，提高半軸的韌性和塑性使半軸在受沖擊載荷作用時，在塑變區可以提高抵抗變形和斷裂的能力。

4 結束語

行業標準QC／T 294—1999《汽車半軸技術條件》已經不適合當下試驗及其設計理念的要求，建議在行業標準前提下，增加半軸的評價指標即破壞扭轉角θ、約翰遜彈性極限和設計扭矩比值η，形成企業標準進行評價。減小市場失效率，提高半軸使用壽命和耐沖擊能力，也能縮短產品開發周期，減少試驗消耗，節約成本。

參考文獻

[1] 張洪欣.汽車設計.[M]吉林工業大學.1991.

[2] 黃明志.金屬力學性能.西安交通大學1986.

[3] 王有祈.熱處理工藝與典型案例.化學工業出版社2013.

[4] 楊川.金屬零部件失效分析基礎.國防工業出版社2014.

[5] 陸有生.全浮式汽車半軸的柔性化設計淺析半軸設計思想.南京汽車研究所1992.

[6] 《國產化歐系輕型商用車后橋半軸靜扭強度試驗報告》綜合匯編.南京汽車研究所.1991.

[7] 吳寧生.柔性化設計半軸的扭轉性能.疲勞性能及影響因素.南京汽車集團有限公司汽車工程研究院2015.