1、上海:2007年10月 中國內燃機學會第七屆學術年會論文集關于汽車傳動軸總成扭轉疲勞特性測試的 試驗研究與應用王明輝(東風本田發動機有限公司,廣東省廣州市,510700擒要:零部件疲勞性能測試是進行開發設計和質量控制的重要依據,本文以疲勞試驗為基礎,統計學理論為手段,介 紹獲得疲勞特性曲線及確定疲勞極限的基本方法及試驗結果的應用,討論傳動軸疲勞特性。關鍵詞:汽車傳動軸、扭轉疲勞、試驗研究與應用、SN曲線、疲勞極限隨著社會的發展和汽車行業競爭的日趨激 烈.車型及零部件的更新不斷加快。縮短研發周 期.提高產品競爭力成為各個汽車公司的當務之 急。汽車傳動軸作為重要的傳動部件。如何精確 快速的確定其疲

2、勞壽命,是傳動設計人員十分關 注的問題。由于傳動軸高周疲勞失效的離散性很 大,使得理論計算往往和實際壽命相差較遠。但 是可以運用統計學理論。在試驗臺架上快速、精 確的獲得疲勞壽命數據。研究傳動軸總成在扭轉 疲勞試驗臺架上獲取SN曲線的試驗方法。不僅 可以為特定存活率下傳動軸的疲勞特性計算提供 依據,而且對于產品開發和生產質量控制都有積 極指導作用。試驗研究的范圍,以導致傳動軸失 效的主要因素扭轉力矩為首選目標。1試驗簡介1.1試驗原理按照某種循環方式。施加繞其縱軸方向的力 偶進行。直至傳動軸最薄弱的零件疲勞破壞。 1.2設備簡介試驗設備扭轉疲勞專用試驗機.能夠實現扭 矩正弦波、方波、角波以及組

3、合波形的設定,可 選角度或扭矩的控制模式。試驗機有兩個傳動軸 連接端,一個固定端一個驅動端,分別連接傳動 軸總成的外接頭(接輪轂和內接頭(接變速箱 輸出端,保證傳動軸軸線位于試驗機驅動軸的 軸線之上。 1.3疲勞試驗的分類疲勞試驗按試驗對象可以分為材料疲勞試驗 和結構疲勞試驗,傳動軸總成試驗是利用全尺寸 零部件進行疲勞試驗.屬于典型的結構疲勞試 驗。按失效循環數可以分為高周疲勞試驗和低周 疲勞試驗.傳動軸實車失效的方式遵循高周疲勞 的特點。按試驗的目的可以分為:性能測試疲勞 試驗、驗證疲勞試驗、影響系數疲勞試驗、對比 疲勞試驗等。本扭轉疲勞試驗是測定零部件的疲 勞極限、SN曲線等性能參量,屬于

4、性能測試疲 勞試驗。2試驗控制條件2.1試件安裝保證傳動軸中線與與設備的扭矩中心同軸。 2.2力循環施加扭矩類型和大小并沒有統一的標準。主 要是根據傳動軸總成類型和設計要求制定。本試 驗采用非對稱正弦循環加載.交變扭矩的最大試 驗扭矩(Mmax取規定的額定負荷,最小試驗 扭矩Mmin取額定負荷的30%,交變扭矩的幅值 為Ma=(MmaxMJ玎而J/2。按正弦曲線變化的等幅循環力是最簡單的循 環力,它具有循環力最基本的特征,材料的基本 疲勞性能數據多是在這種力下測得的。循環力下 力一時間函數的最小單元稱為力循環.一個力循 環所需的時間稱為周期,用T表示,下圖為力循 環的示意圖。書面交流論文-圖1

5、力循環圖2.3試驗頻率試驗頻率可分為三個范圍。正常頻率(5 300nz,低頻(0.10.5Hz,超高頻(300 10000Hz,有研究表明低頻使疲勞壽命降低,高 頻使疲勞壽命提高,在正常頻率下,試驗頻率對 疲勞強度影響不大。因此在正常頻率范圍內,為 縮短試驗時間.應盡可能提高試驗頻率,但應注 意選用頻率受設備本身能力和試件強度的限制, 同時應保證試件溫度不會升高而影響到材料的疲 勞特性。2.4試驗中止試件應在規定的應力下連續試驗,直至規定 的試驗基數或試件失效。試驗中斷會提高疲勞壽 命.對塑性材料尤甚,但對疲勞極限實際無影 響。失效準則是出現可見的疲勞裂紋或斷裂。有 下列情況之一者試驗數據作廢

6、:(1試件在非正常部位失效(2試件端口上有明顯的冶金缺陷或其他缺 陷(3由于中途停試造成數據異常3試驗方法及結果評估試樣SN曲線的測定是承載能力評估的基 礎,可由成組法和升降法兩部分試驗組成。3.1繪制特性曲線對于高周疲勞壽命離散較大的特點,單點法 每一扭矩水平只試驗一個試件結果精度較差。為 了得到精確的疲勞曲線,常采用成組法。即每一 扭矩水平試驗一組數據,通常成組法取三個組, 分別獲得三個載荷水平下具有50%存活率的對數 中值壽命:升降法則用以獲取具有50%存活率的 條件疲勞極限。用上述4個點組成SN曲線,然 后按三參數冪函數的形式擬合獲得具有50%存活 率的SN曲線。具體步驟如下:a.三級

7、載荷水平的選取:最好使試件斷裂的 循環次數分別在下列范圍內:NI=(0.85.2x105N2=(5.28.0x105N3=(0.85.2x106b.確定試件數量:每組試件數量一般可選用 58根。疲勞壽命的離散度越大。需要的數量越 多,當誤差限度8一定時。試件數量滿足下面公 式6n/faCyfr給定置信度1咱及自由度 J11時t分布數值Cv一一變異系數,Cv=s/x,其中 s為對數疲勞壽命標準差。x為對數疲勞壽命均 值。c.實驗數據的處理:試驗所得數據有可能存 在異常的情況,應該對數據進行處理,剔除偏離 真實壽命比較大的點。能夠真實描述疲勞試驗數 據分布的函數有兩種,它們是對數正態分布函數 和威

8、布爾分布函數。但威布爾函數的處理比較復 雜.因此T程上多使用對數上E態分布。成組法獲 得的疲勞壽命可能是離散的,假定一組試件的疲 勞壽命基本都在106以內時,根據實踐經驗,可 以假定對數疲勞壽命遵循正態分布,由此可知母 體的平均值u相當于50%存活率的對數疲勞壽命 lgN蚰=u (1 由(1可知lgNso=Y.19Ni/n (2 可求出中值疲勞壽命N如果一組試件疲勞壽命基本都大于106循環 時。取疲勞壽命的中值作為這組試件疲勞壽命 N卯的估量值。傳動軸使用的是特種合金鋼材料,材料的疲 勞壽命曲線有水平段.水平段所對應的扭力值即 為傳動軸總成的疲勞極限。確定疲勞極限是校準 設計值或者進行質量控制

9、的重要參數。也是繪制 疲勞特性曲線的重要應用。確定疲勞極限主要注 意以下兩點:a.確定循環基數:接近疲勞極限的時候,試 件往往經歷數千萬次循環甚至數億次也不發生破 壞,為了縮短試驗時間,提高效率,首先需要確 定試驗基數.大于循環基數的時候即視為達到極 限。循環基數的取值依據不同材料或者設計壽命 而定.對一般合金鋼材料可取107循環為試驗基 數。b.升降法確定疲勞極限:試件數量應保證在 13根以上,試驗前應對全部試樣編號并隨機化處 理。以保證獲得六對有效數據。上海:2007年10月 中國內燃機學會第七屆學術年會論文集 641c.扭矩增量M一般在預計疲勞極限M一1的 5%以內.試驗可在三至五級彎矩

10、水平下進行。 應使第一根試樣的試驗扭矩水平略高于預計M一 1。根據上一根試樣的試驗結果(失效或通過, 決定下一根試樣的試驗水平個(降低或升高。 直至完成全部試驗。對第一次出現相反結果(失 效和通過;通過和失效以前的數據.如在以后 的試驗數據波動范圍之外,則予以舍棄;如在上 述波動范圍之內。則作為有效數據加以利用,即 在試驗過程中。陸續將它們平移到第一對相反結 果之后.作為該試樣在所設定扭矩水平下的第一 個有效數據.見圖2。1￥3、,1/, 15,、n廠、 12,4/ 一￥ ,r/。矗 并圖2升降圖指定壽命N=107x一破壞o通過 所用計算公式如下:承載扭矩疲勞極限 M.F(s。n式中:SF慨峨

11、J/2將不同載荷下用成組法求得的結果與升降法 測得的疲勞極限結合在一起。就組成了這種型號 曲軸的S-N曲線.并且將成為今后進行統計推 斷的依據。S-N曲線的橫坐標采用疲勞壽命的 對數坐標.縱坐標采用扭矩坐標,但不排除各企 業可以采用其它指標(例如:力、應力作為 自己的內控判據。用光滑曲線連接數據各點,構成曲線。也 可以按三參數冪函數擬合SN曲線:S=C(1+A,忡式中S_載荷,A-壽命,A、a待定常數 cL無限壽命下的疲勞極限(存活率P=50%, 置信度r=95%3.2試驗結果評估繪制S-N曲線應該符合兩項基本特點: (1應該是一條平滑曲線,某一扭力點異 常跳動致使曲線在局部突出或凹陷時,應該

12、增加 該扭矩點試驗次數。(2鋼材料基本都存在疲勞極限,對應s N曲線的水平段.由于試驗中采用條件疲勞極 限.曲線沒有真正達到水平段,但至少應該出現 水平接近段。4應用依據上述試驗方法。能夠較為準確的繪制傳動軸 總成sN曲線.如下圖為某汽車傳動軸S-.-N曲 線.曲線縱坐標采用扭矩作為內部判據。試驗選取的扭力級數及結果如下表:繪制SN曲線如圖3試驗結果作為基礎數據。可以進行擴展并在 實際工作中加以利用:(1對于傳動設計人員,SN曲線包含了 疲勞壽命的重要特征.對于校核壽命計算,指導 產品的研發和改進有較大的作用。例如:伴隨科 技技術發展.有一種新興的虛擬疲勞試驗利用有 限元數值仿真技術.在計算機

13、虛擬環境下實現疲 勞試驗,用以解決設計階段無法驗證疲勞壽命的 表1試驗結果f基&:璺2達墼 必:型0.92000000問題.以SN曲線描述的數據庫.是設計模擬的 必要條件。l,口O12501200一Il,q,1100蘭l o,o:10005。,。50痘勞壽命曲線 v1f 川 l f_ 駙、f一 抖 一4寸 NI l l ! 卜 I【 r I十 k r州 卅 ;111l 111|jiOOB十D5l 00B+0 l 0口E+071OOBt口-#圖3某傳動軸SN曲線(2對于品質控制部門,可以依據50%存 活率SN曲線及試驗數據,計算不同存活率范圍 的SN曲線.制定檢驗質量波動的內控依據,及 時在產品抽檢中發現并跟蹤產品壽命的異常變 化。(3對于制造及工藝部門,增加了工藝變 更、材料變更及引起質量變化的情況發生時進行642書面交流論文對比的手段。檢驗制造參數變化的有效性,具有 指導意義。(4試件在各扭力點疲勞失效的部位,斷 口失效分析。成份檢驗,表層、芯部硬度測量等 試驗數據及方法,在分析市場傳動軸失效原因 時。值得進一步的推廣和借鑒。5結論驗證性疲勞試驗常用于結構疲勞試驗,其目 的是驗證疲勞設計計算與壽命估算的正確性,確 定零部件在額定使用載荷下是否具有預定的疲勞 強度和疲勞壽命。通過試驗獲取疲勞極限和扭 矩一壽命特性曲線(SN曲線是數據分析和應 用的重要方式。比較準確的繪制SN曲線,