关于汽车传动轴总成扭转疲劳特性测试的试验研究与应用_图文_百(精)

上海:2007年10月中国内燃机学会第七届学术年会论文集

关于汽车传动轴总成扭转疲劳特性测试的试验研究与应用

王明辉

(东风本田发动机有限公司,广东省广州市,510700

擒要:零部件疲劳性能测试是进行开发设计和质量控制的重要依据,本文以疲劳试验为基础,统计学理论为手段,介绍获得疲劳特性曲线及确定疲劳极限的基本方法及试验结果的应用,讨论传动轴疲劳特性。

关键词:汽车传动轴、扭转疲劳、试验研究与应用、S—N曲线、疲劳极限

随着社会的发展和汽车行业竞争的日趋激烈.车型及零部件的更新不断加快。缩短研发周期.提高产品竞争力成为各个汽车公司的当务之急。

汽车传动轴作为重要的传动部件。如何精确快速的确定其疲劳寿命,是传动设计人员十分关注的问题。由于传动轴高周疲劳失效的离散性很大,使得理论计算往往和实际寿命相差较远。但是可以运用统计学理论。在试验台架上快速、精确的获得疲劳寿命数据。研究传动轴总成在扭转疲劳试验台架上获取S—N曲线的试验方法。不仅可以为特定存活率下传动轴的疲劳特性计算提供依据,而且对于产品开发和生产质量控制都有积极指导作用。试验研究的范围,以导致传动轴失效的主要因素——扭转力矩为首选目标。

1试验简介

1.1试验原理

按照某种循环方式。施加绕其纵轴方向的力偶进行。直至传动轴最薄弱的零件疲劳破坏。 1.2设备简介

试验设备扭转疲劳专用试验机.能够实现扭矩正弦波、方波、角波以及组合波形的设定,可选角度或扭矩的控制模式。试验机有两个传动轴连接端,一个固定端一个驱动端,分别连接传动轴总成的外接头(接轮毂和内接头(接变速箱输出端,保证传动轴轴线位于试验机驱动轴的轴线之上。 1.3疲劳试验的分类

疲劳试验按试验对象可以分为材料疲劳试验和结构疲劳试验,传动轴总成试验是利用全尺寸零部件进行疲劳试验.属于典型的结构疲劳试验。按失效循环数可以分为高周疲劳试验和低周疲劳试验.传动轴实车失效的方式遵循高周疲劳的特点。按试验的目的可以分为:性能测试疲劳试验、验证疲劳试验、影响系数疲劳试验、对比疲劳试验等。本扭转疲劳试验是测定零部件的疲劳极限、S—N曲线等性能参量,属于性能测试疲劳试验。

2试验控制条件

2.1试件安装

保证传动轴中线与与设备的扭矩中心同轴。 2.2力循环

施加扭矩类型和大小并没有统一的标准。主要是根据传动轴总成类型和设计要求制定。本试验采用非对称正弦循环加载.交变扭矩的最大试验扭矩(Mmax取规定的额定负荷,最小试验扭矩Mmin取额定负荷的30%,交变扭矩的幅值为

Ma=(Mmax—MJ玎而J/2。

按正弦曲线变化的等幅循环力是最简单的循环力,它具有循环力最基本的特征,材料的基本疲劳性能数据多是在这种力下测得的。循环力下力一时间函数的最小单元称为力循环.一个力循环所需的时间称为周期,用T表示,下图为力循环的示意图。

作者简介:王明辉(1977一,男,本科,研究方向:传动轴疲劳寿命。 E-

mail:wangminghui7708@163.corn

书面交流论文

-图1力循环图

2.3试验频率

试验频率可分为三个范围。正常频率(5— 300nz,低频(0.1—0.5Hz,超高频(300—10000Hz,有研究表明低频使疲劳寿命降低,高频使疲劳寿命提高,在正常频率下,试验频率对疲劳强度影响不大。因此在正常频率范围内,为缩短试验时间.应尽可能提高试验频率,但应注意选用频率受设备本身能力和试件强度的限制, 同时应保证试件温度不会升高而影响到材料的疲劳特性。

2.4试验中止

试件应在规定的应力下连续试验,直至规定的试验基数或试件失效。试验中断会提高疲劳寿命.对塑性材料尤甚,但对疲劳极限实际无影响。失效准则是出现可见的疲劳裂纹或断裂。有下列情况之一者试验数据作废:

(1试件在非正常部位失效

(2试件端口上有明显的冶金缺陷或其他缺陷

(3由于中途停试造成数据异常

3试验方法及结果评估

试样S—N曲线的测定是承载能力评估的基础,可由成组法和升降法两部分试验组成。

3.1绘制特性曲线

对于高周疲劳寿命离散较大的特点,单点法每一扭矩水平只试验一个试件结果精度较差。为了得到精确的疲劳曲线,常采用成组法。即每一扭矩水平试验一组数据,通常成组法取三个组, 分别获得三个载荷水平下具有50%存活率的对数中值寿命:升降法则用以获取具有50%存活率的条件疲劳极限。用上述4个点组成S—N

曲线,然后按三参数幂函数的形式拟合获得具有50%存活率的S—N曲线。具体步骤如下:

3.1.1成组法

a.三级载荷水平的选取:最好使试件断裂的循环次数分别在下列范围内:

NI=(0.8—5.2x105

N2=(5.2~8.0x105

N3=(0.8—5.2x106

b.确定试件数量:每组试件数量一般可选用 5—8根。疲劳寿命的离散度越大。需要的数量越多,当误差限度8一定时。试件数量满足下面公式6√n/fa≥Cyfr给定置信度1咱及自由度 J1—1时t分布数值Cv一一变异系数,Cv=s/x,其中 s为对数疲劳寿命标准差。x为对数疲劳寿命均值。

c.实验数据的处理:试验所得数据有可能存在异常的情况,应该对数据进行处理,剔除偏离真实寿命比较大的点。能够真实描述疲劳试验数据分布的函数有两种,它们是对数正态分布函数和威布尔分布函数。但威布尔函数的处理比较复杂.因此T 程上多使用对数上E态分布。成组法获得的疲劳寿命可能是离散的,假定一组试件的疲劳寿命基本都在106以内时,根据实践经验,可以假定对数疲劳寿命遵循正态分布,由此可知母体的平均值u相当于50%存活率的对数疲劳寿命 lgN蚰=u (1 由(1可知lgNso=Y.19Ni/n (2 可求出中值疲劳寿命N∞

如果一组试件疲劳寿命基本都大于106循环时。取疲劳寿命的中值作为这组试件疲劳寿命 N卯的估量值。

3.1.2升降法确定疲劳极限

传动轴使用的是特种合金钢材料,材料的疲劳寿命曲线有水平段.水平段所对应的扭力值即为传动轴总成的疲劳极限。确定疲劳极限是校准设计值或者进行质量

控制的重要参数。也是绘制疲劳特性曲线的重要应用。确定疲劳极限主要注意以下两点:

a.确定循环基数:接近疲劳极限的时候,试件往往经历数千万次循环甚至数亿次也不发生破坏,为了缩短试验时间,提高效率,首先需要确定试验基数.大于循环基数的时候即视为达到极限。循环基数的取值依据不同材料或者设计寿命而定.对一般合金钢材料可取107循环为试验基数。

b.升降法确定疲劳极限:试件数量应保证在 13根以上,试验前应对全部试样编号并随机化处理。以保证获得六对有效数据。

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c.扭矩增量△M一般在预计疲劳极限M一1的 5%以内.试验可在三至五级弯矩水平下进行。应使第一根试样的试验扭矩水平略高于预计M一 1。根据上一根试样的试验结果(失效或通过, 决定下一根试样的试验水平个(降低或升高。直至完成全部试验。对第一次出现相反结果(失效和通过;通过和失效以前的数据.如在以后的试验数据波动范围之外,则予以舍弃;如在上述波动范围之内。则作为有效数据加以利用,即在试验过程中。陆续将它们平移到第一对相反结果之后.作为该试样在所设定扭矩水平下的第一个有效数据.见图2。

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图2升降图

指定寿命N=107x一破坏o——通过所用计算公式如下:承载扭矩疲劳极限M.F(∑s。}n

式中:SF慨峨J/2

Si、S,分别是出现相反结果的相临两级试验载荷,i=1.2……n。n一有效数据的对子数目。 3.1.3曲线绘制

将不同载荷下用成组法求得的结果与升降法测得的疲劳极限结合在一起。就组成了这种型号曲轴的S--N曲线.并且将成为今后进行统计推断的依据。S--N曲线的横坐标采用疲劳寿命的对数坐标.纵坐标采用扭矩坐标,但不排除各企业可以采用其它指标(例如:力、应力…作为自己的内控判据。

用光滑曲线连接数据各点,构成曲线。也可以按三参数幂函数拟合S—N曲线:

S=C(1+A,忡

式中S_载荷,A『-寿命,A、a待定常数 cL无限寿命下的疲劳极限(存活率

P=50%, 置信度r=95%

3.2试验结果评估

绘制S--N曲线应该符合两项基本特点: (1应该是一条平滑曲线,某一扭力点异常跳动致使曲线在局部突出或凹陷时,应该增加该扭矩点试验次数。

(2钢材料基本都存在疲劳极限,对应s— N曲线的水平段.由于试验中采用条件疲劳极限.曲线没有真正达到水平段,但至少应该出现水平接近段。

4应用

依据上述试验方法。能够较为准确的绘制传动轴总成s—N曲线.如下图为某汽车传动轴S-.-N曲线.曲线纵坐标采用扭矩作为内部判据。

试验选取的扭力级数及结果如下表:

绘制S—N曲线如图3

试验结果作为基础数据。可以进行扩展并在实际工作中加以利用:

(1对于传动设计人员,S—N曲线包含了疲劳寿命的重要特征.对于校核寿命计算,指导产品的研发和改进有较大的作用。例如:伴随科技技术发展.有一种新兴的虚拟疲劳试验利用有限元数值仿真技术.在计算机虚拟环境下实现疲劳试验,用以解决设计阶段无法验证疲劳寿命的表1试验结果

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问题.以S—N曲线描述的数据库.是设计模拟的必要条件。

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图3某传动轴S—N曲线

(2对于品质控制部门,可以依据50%存活率S—N曲线及试验数据,计算不同存活率范围的S—N曲线.制定检验质量波动的内控依据,及时在产品抽检中发现并跟踪产品寿命的异常变化。

(3对于制造及工艺部门,增加了工艺变更、材料变更及引起质量变化的情况发生时进行

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对比的手段。检验制造参数变化的有效性,具有指导意义。

(4试件在各扭力点疲劳失效的部位,断口失效分析。成份检验,表层、芯部硬度测量等试验数据及方法,在分析市场传动轴失效原因时。值得进一步的推广和借鉴。

5结论

验证性疲劳试验常用于结构疲劳试验,其目的是验证疲劳设计计算与寿命估算的正确性,确定零部件在额定使用载荷下是否具有预定的疲劳强度和疲劳寿命。通过试验获取疲劳极限和扭矩一寿命特性曲线(S—N曲线是数据分析和应用的重要

方式。比较准确的绘制S—N曲线,便于完成传动轴总成个部件的寿命评价,在传动轴疲劳强度评估试验、新设计、变更工艺、变更材料、货源鉴定、产品质量抽检及其它认为可能引起疲劳强度显著变化等情况都具有积极意义。

参考文献

【1】桂立丰,曹用涛.机械工程材料测试手册(力学卷. 沈阳:辽宁科学技术出版社2001.12

【2】孙志斌,崔万春,林端.中华人民共和国机械工业部部标准一汽车传动轴总成台架试验方法1999

【3】顾柏良.汽车工程手册(试验篇.北京:人民交通出版社,2001.