扭力轴疲劳强度有限元分析与试验研究
障真器工业技术交流｛再
扭力轴疲劳强度有限元分析与试验研究
国旭华１，郁鼎文２，李宏伟１，文伟力２
（１．北京北方车辆集团有限公司，北京１０００７２；２．清华大学精密仪器与机械学系，北京１０００８４）
摘要：采用有限元分析方法对扭力轴强度进行理论分析，对扭力轴轴颈与花键间过渡圆弧处齿根在外栽荷作用下的应力分布和应力值进行分析，发现其薄弱环节是过渡圆弧花键齿根；对不同的过渡圆弧半径进行分析，得到了优化的圆弧半径Ｒ，并通过试验得到验证。
关键词：有限元分析；扭力轴；应力；疲劳强度中图分类号：ＴＰ
３０２
文献标志码：Ａ
ｏｎ
ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙａｎｄＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ
ＧＵＯＸｕｈｕａｌ，ＹＵＤｉｎｇｗｅｎ２，ＬＩ
ｔｈｅＦａｔｉｇｕｅＳｔｒｅｎｇｔｈｏｆＴｏｒｓｉｏｎＳｈａｆｔ
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（１．ＢｅｉｊｉｎｇＮｏｒｔｈＶｅｈｉｃｌｅＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７２，Ｃｈｉｎａ；
２．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰｒｅｃｉｓｉｏｎＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄ
Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｏｒｓｉｏｎｓｈａｆｔｉｓｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙａｎａｌｙｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｗａｙ．Ａｃ—
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ，Ｔｏｒｓｉｏｎｓｈａｆｔ，Ｓｔｒｅｓｓ，Ｅｎｄｕｒａｎｃｅｌｉｆｅ
扭力轴是特种车辆悬挂装置中的重要零部件，工作时承受来自路面的各种作用力——大应力随机扭转载荷，吸收冲击及振动能量。疲劳断裂是扭力
轴常见的、严重的失效形式，它是在没有先兆的情况下突然出现，将直接影响车辆行驶及作战任务可靠性。因此研制高性能扭力轴、提高扭力轴疲劳寿命，
ＴＰ３０４钢Ａ—ＴＩＧ焊接接头弯曲试样见图４，由试验结果可以看出，面弯和背弯的试样表面都完好，焊接接头的韧性较好，弯曲试验合格。
工艺，２００４（２）：３８—４０．
参考文献
［１３葛小层．Ａ—ＴＩＧ焊接技术的研究与发展［Ｊ］．新技术新
［２３吴强，王利辉，王玉良．２０碳钢Ａ—ＴＩＧ焊剂研制及单面焊双面成形工艺试验ＥＪ］．广船科技，２００２（３）：２６—３０．
［３］冯砚厅．ＴＩＧ焊时的熔池形状及尺寸［Ｊ］．河北电力技
术，１９９９，１８（４）：１７—２０．
ａ）面弯
图４弯曲试样
３
ｂ）背弯
［４］ＺｈａｎｇｚＤ，ＬｉｕＬ
Ｍ，ＳｈｅｎＹ，ｅｔａ１．Ｗｅｌｄｉｎｇｏｆｍａｇｎｅｓｉ—
ｕｍａｌｌｏｙｓｗｉｔｈａｃｔｉｖａｔｉｎｇｆｌｕｘ口］．ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆ
ＷｅｌｄｉｎｇａｎｄＪｏｉｎｔｉｎｇ，２００５，１０（６）：７３７—７４３．
结语
不锈钢管，不开坡口可一次焊透，实现单面焊双面成
形。与普通ＴＩＧ焊相比，效率更高，而且Ａ—ＴＩＧ焊缝组织更为均匀，晶粒细小。活性碳化钨极氩弧焊接ＴＰ３０４声５０
ｍｍ×６
一～量要Ａ二！墨磐琶！燮三懋竺竺储骱。鬻茹≯舭’工程师往要从事焊接收稿日期：２…００９…ｉ２…Ｂ…１２日
责任编辑ｔ，ｖｌｇ
ｍｍ的不锈钢管接头的拉
伸、弯曲等综合力学性能均符合ＴＰ３０４不锈钢有关
・１２０・
《新技术新工艺》・兵器工业技术交流２０１０年第５期
对于履带车辆至关重要。影响扭力轴疲劳寿命的因素主要有结构尺寸及参数、材料及材质、工艺加工及热、处理。运用有限元计算方法，扭力轴结构参数即过渡圆弧Ｒ对扭力轴应力分布的影响进行分析研究，优化扭力轴的结构参数，能够提高扭力轴疲劳强
度。
均匀圆轴上，应力分布是均匀的，为方便分析，将扭力轴轴向进行简化，得到分析模型，如图４所示。
ｌ扭力轴有限兀分析
某型号扭力轴所用材料为４５ＣｒＮｉＭｏＶＡ，查手册口］得到该材料常规力学性能为：弹性模量Ｅ一
２１４０００ＭＰａ，屈服强度以≥１３７４ＭＰａ，锄一１５５３
图３整体模型
图４分析模型
１・２边界及载荷条件
扭力轴右端花键轴与花键孔配合，分析时将模型右端施加固定约束，形成刚性连接。模型左端施加固定扭矩，如图
５所示。
图５边界条件与载荷
ＭＰａ，艿：１４％。有限元弹塑性分析所用４５ＣｒＮｉＭｏＶＡ钢的全拉伸曲线为参考文献［２］推荐的弹塑性材料拉伸曲线。扭力轴两端花键部分与中间轴颈之间通过过渡圆弧相联，过渡圆弧能够减少其应力集中，过渡圆弧半径Ｒ的大小将直接影响扭力轴轴颈与花键连接部分的应力集中状态和大小。
１．１技术路线
１・３扭力轴等效应力分析
图６为扭力轴等效应力分布云图，图７为扭力轴等效应力局
部放大图，图８为扭
在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中建立扭力轴ＣＡＤ参数化三维实体模型，导入有限元分析软件ＡＮＳＹＳ中，以第４强度理论进行扭力轴应力分析。分析方法如
图１所示。
力轴等效应力切片
图。扭力轴承受的外
第４强度理论认为，材料屈服的主要因素是该点的形状改变比能。在复杂应力状态下，材料内一点的形状改变比能妇达到材料单向拉伸屈服时形状改变比能
第４强度理论
载荷扭矩在扭力轴端的花键结合部分转换
围６等效应力分布云图
、之多
｝建横
Ｐｒｏ／Ｅ
有限元分析
ＡＮＳＹＳ
为作用在花键键齿面的压力，在花键键齿面形成压应力。由于花键与轴颈之间的过渡圆弧，使得该界面不均匀，扭力轴的最大应力分布在过渡圆弧与花键相交的花键键齿根部。
图１分析万法
的极限巍ｕ。，材料就会发生塑性屈服，可以表达为：％＝１。＋乜ｒＥ（口１一盯ｚ）２＋（仃２一ｃｒ３）２＋（ｃｒ３一∞）２］
（１）
材料的破坏条件可表达为：
√丢［（们一口ｚ）２＋（ｃｒ２一∞）２＋（盯ｓ一盯－）２］≥仉
（２）
图７等效应力局部放大图
图８齿根处等效应力分布
因此材料的强度条件可表达为：１．４过渡圆弧半径Ｒ的大小对应力的影响
√丢［（口。～盯。）２＋（ｃｒ２一ｃｒ３）２＋（∞一仃－）２］≤［盯］
（３）
过渡圆弧半径Ｒ的大小将影响花键键槽的过渡长度，同时影响花键键齿根部的应力大小和分布。采用有限元分析方法对不同过渡圆弧半径进行建模和分析，得到不同过渡圆弧半径下的花键齿根等效应力分布及其应力值，如图９所示。可以看到，并不是过渡圆弧半径Ｒ越大，应力分布及应力值越好，过渡圆弧半径Ｒ在５０～１００ｍｍ，花键齿根等效应
力较小。
通过在ＣＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中改变扭力轴花键处过渡圆弧半径的大小，分析扭力轴最大应力及其分布，如图２所示。
扭力轴的整体模型如
图２分析步骤
图３所示，扭力轴在受到纯扭矩时，其在直径相同的
《新技术新工艺》・兵器工业技术交流２０１０年
第５期
・１２１・
表１２组样本疲劳扭转次数
圆弧半径／衄
图９
不同过渡圆弧的等效应力变化
２试验验证
ａＪ过渡圆弧半径Ｒ＝３００ｍｍ样件ｂ）过渡圆弧半径Ｒ＝１００ｒ锄样件
利用有限元分析方法，对扭力轴的过渡圆弧半径Ｒ进行分析，Ｒ取值范围在５０～３５０ｍｍ，选取其图１１第１组试验扭力轴断裂情况
中Ｒ＝１００ｍｍ及Ｒ＝３００ｍｍ
２个参数制成样本，
对比疲劳寿命。２．１试验条件
１）样本使用同批采购原料制造。
２）采用成熟热处理工艺，热处理条件相同；采用成熟加工工艺，加工条件相同。
３）随机抽取２组样本，每组正、反轴各１根。过渡圆弧半径Ｒ＝３００ｍｉｌｌ样件
４）试验扭角口，固定扭转频率，试验装置如图围１２第２组试验扭力轴断裂情况
１０所示。
３
结语
１）等效应力集中和等效应力最大点均发生在
扭力轴过渡圆弧与花键相交的花键齿根位置，因此可以判断扭力轴的薄弱环境在此位置。
２）不同的过渡圆弧半径，等效应力值有所变化。其变化形式呈波动而不是单向增加或减小；同时并不是过渡圆弧半径越大越好，当过渡圆弧半径尺在５０一－．１００ｍｍ范围内时，其等效应力较小，疲劳强度高。
１．电机２．皮带轮３．皮带４．大皮带轮５．连杆６．连杆７．摆臂参考文献
８．连杆９．摆臂１０．扭杆Ａ１１．扭杆Ｂ１２．离合器１３．减速箱
图１０疲劳强度试验装置简图
［１］《机械工程材料性能数据手册》编委会．机械工程材料性２．２试验结果
能数据手册Ｉ－Ｍ］．北京：北京机械工业出版社，１９９５．
１）第１组试验，Ｒ＝３００ｍｍ样本扭转３９０４５［２１刘习文，吴国勋．弹塑性材料全拉伸曲线拟合的新模型次时，过渡圆弧处断裂，如图１１ａ所示；Ｒ一１００
ｍｍ
［Ｊ］．北京航空航天大学学报，１９９６，２２（５）：５９１—５９４．
样本扭转６９１２９次时，过渡圆弧处断裂，如图１１所示，后者寿命高于前者３万多次，即采用Ｒ＝１００作者简介：国旭华（１９６２一），女，研高，主要从事特种车辆传动
ｍｍ疲劳强度提高；
及行动等方面的研究工作。
收稿日期：２０１０年１月６日
２）第２组试验，Ｒ＝３００ｍｍ样本扭转５９１８６次时，过渡圆弧处断裂，如图１２所示；Ｒ一１００ｍｍ
责任编辑吕菁
样本扭转６４４１６次，产品完好，后者寿命高于前者，
即采用Ｒ＝１００ｍｍ疲劳强度提高。
试验结果见表１。
・１２２・
誓新技术新工艺》・兵器工业技术交流２０１０年
第５期
扭力轴疲劳强度有限元分析与试验研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
国旭华， 郁鼎文， 李宏伟， 文伟力， GUO Xuhua， YU Dingwen， LI Hongwei， WEN Weili
国旭华,李宏伟,GUO Xuhua,LI Hongwei(北京北方车辆集团有限公司,北京,100072)， 郁鼎文,文伟力,YU Dingwen,WEN Weili(清华大学,精密仪器与机械学系,北京100084)新技术新工艺
NEW TECHNOLOGY & NEW PROCESS2010(5)
参考文献(2条)
1. 编委会 机械工程材料性能数据手册 1995
2. 刘习文;吴国勋 弹塑性材料全拉伸曲线拟合的新模型[期刊论文]-北京航空航天大学学报 1996(05)
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