轴类零件强度和疲劳寿命快速校验方法

张笑，乔会轩

轴类零件强度和疲劳寿命快速校验方法

张笑1，乔会轩2

（1.陕西法士特汽车工程研究院，陕西 西安 710000；2.武汉理工大学，湖北 武汉 430000）

文章介绍了在变速箱概念设计阶段快速对轴类零件进行强度和疲劳寿命校核的方法。可提高轴类零件机械性能的同时缩短设计周期。

轴类零件；强度；疲劳寿命

前言

轴类零件是变速箱系统的重要组成部分，在变速箱概念设计阶段由于轴类零件的细节特征没有确定，不适合用有限元方法对轴类零件进行校核。本文方法可快速进行轴类零件的初步强度确认，等到详细设计完成，再利用有限元进行轴类零件强度校核。这样避免了由于概念设计阶段轴类零件强度不够，导致在详细设计阶段需要对设计进行更改，缩短设计周期。

1 轴类零件强度校核

只有扭矩作用的情况下，轴类零件最大应力可由式1得到：

只有弯矩作用的情况下，轴类零件最大应力可由式2得到：

只有轴向力作用的情况下，轴类零件最大应力可由式3得到：

轴类零件主要受到扭矩和弯矩作用的时候，轴向力一般可忽略不计。此时应力可由式4得到：

轴类零件在设计是难免会有过油孔、过渡台阶倒圆角。此时需要考虑应力集中系数，同时考虑到零件在热处理表面存在残余压应力σc，零件应力由公式5得到：

式中：σ为不考虑应力集中时的轴应力

K为应力集中系数

轴类零件受扭矩作用时，过油孔、过渡台阶倒圆角处应力集中系数可由图1确定。

通过以上公式可快速得到轴类零件应力值。

2 轴类零件疲劳寿命校核

材料抗拉极限可通过拉伸试验快速得到，但是材料的疲劳极限需要大量试验，耗费大量时间才能得到。在只有材料抗拉极限的情况下，可根据经验公式6得到材料疲劳极限。

式中：S为试棒抗拉极限

S为试棒疲劳极限

在得到材料疲劳极限的前提下，还需考虑很多因素才能得到结构的疲劳极限。影响结构疲劳强度和疲劳寿命的因素众多，是至今人们对疲劳问题的认识尚未很好的解决的根本原因。随着人们对疲劳问题的不断研究，对各种影响因素的认识在不断的加深。通过式7可由材料疲劳极限得到结构的疲劳极限。

式中：K为表面加工系数

K为尺寸系数

K为载荷系数

K为温度影响系数

K为成活率系数

S为结构疲劳极限

根据经验，在校核轴类零件疲劳寿命时，只需考虑表面加工系数、尺寸系数即可。

表面加工系数可由式8得到。

式中a、b可由表1得到。

表1 a、b参数表

尺寸系数可由式9得到。

描述一个常幅疲劳载荷谱需要两个参数。设最大应力为max和最小应力为min。通过式10得到应力幅值max、平均应力min。

根据以上内容可编制EXCEL表格快速进行轴类零件进行强度、疲劳寿命校核。

3 简单实例

现有轴，材料为8620，抗拉极限1300MPa、屈服极限1170 MPa，轴径40mm,过油孔直径4mm，表面采用冷轧工艺。最大传递扭矩为1500Nm，结构需要渗碳和热处理，表面残余压应力为250MPa。验证该轴是否无限寿命要求。

由公式8可得表面加工系数为0.67。

由公式9可得，尺寸系数为0.84。

由式7可得结构疲劳极限为366 MPa。

由式5可得结构最大应力为600MPa。考虑表面残余应力的影响，最大应力为350 MPa。

由式10可得结构最小应力为-250MPa，平均应力为50.27MPa，应力幅值为300.27 MPa。

具体结果如图4所示。由下图可知，该轴受力情况在Goodman曲线区域内，满足无限疲劳寿命。

图2 EXCEL计算结果

有限元计算结果如图5所示。有限元计算结果为583 MPa，与EXCEL结果相差8%。

图3 有限元计算结果

4 结论

通过该文件中所使用的方法可快速对轴类零件在设计初始进行强度和疲劳寿命分析。等到轴类零件最终设计完成，再使用有限元方法对其进行更准确的受力分析。这样可在变速箱概念设计时及时发现问题，避免后期结构改动量过大，增加工作量。

[1] 《shigley's Mechanical Engineering Design》,McGraw-Hill,Richard G.Budynas,2011.

[2] 姚卫星.结构疲劳寿命分析[M]国防工业出版社,2003年.

Quick Check Method For Strength And Fatigue Life Of Shaft Parts

Zhang Xiao1, Qiao Huixuan2

( 1.Shaanxi Fast Automobile Engineering Institute., Shaanxi Xi'an 710077; 2.Wuhan University of Technology, Hubei Wuhan 430000 )

This paper describes the quickly checking method for the strength and fatigue life of shaft in the gearbox concept design phase. This method can improves mechanical performance of shaft parts and reducing design cycle time.

Shaft; Strength; Fatigue life

B

1671-7988(2019)21-118-03

U466

B

1671-7988(2019)21-118-03

张笑，男，硕士，就职于陕西法士特汽车工程研究院。主要从事计算分析工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.21.041

CLC NO.: U466