轻型卡车传动轴轴管力学设计研究

王家华

摘 要：文章对传动轴轴管强度校核进行了研究，在总结相关标准的基础上，研究了轴管扭转强度计算准则，并提出了轴管强度优化设计方法。关键词：材料;屈服强度;轴管强度;计算准则中图分类号：U463.216+.2  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）02-119-03

Abstract： In This paper， strength of power drive shaft was discussed. A new strength calculation method was established depending on summarizing of relevant standards and material mechanics.Keywords： Material; Yield strength; Shaft strength; Calculation principleCLC NO.： U463.216+.2  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）02-119-03

前言

传动轴是汽车动力从发动机向驱动轮传递过程中的关键一环，用于相对位置不断变化的两根轴之间的动力传递。传动轴装置主要由凸缘叉、万向节叉、万向节滑动叉、传动轴轴管、中间托架等组成。其中，传动轴轴管起到动力长距离传递的作用，主要承受扭转载荷，根据材料力学^[1]，一般都设计成空心圆管，这样在同样的扭转强度要求条件下，轴管可以减小材料消耗量和降低装置的质量。考虑到轻型卡车传动轴的工况、结构特点和工程经验，目前对传动轴装置的力学性能设计主要包括：轴管扭转强度计算、花键轴齿面挤压强度计算、传动轴临界转速计算。其基本计算公式如表1所示。其中，轴管扭转强度计算考虑传动轴轴管在最大扭转载荷作用下，轴管边缘处最大剪切应力τ是否小于轴管材料的许用剪切应力[τ]。这种力学设计、计算方法受到轴管材料、材料力学性能试验方法、强度计算方法三个方面因素的影响。

1 影响轴管力学计算结果的影响因素

如图2所示，在影响计算结果的因素中，轴管材料影响到计算准则中的许用应力[τ]，材料的力学性能试验方法影响到材料力学性能与许用应力的符合程度，计算理论依据对计算结果的正确性起关键作用。

1.1 轴管材料和力学性能试验方法

目前轴管材料标准仍然沿用YB/T 5209标准。该标准主要规定了轴管材料制造方法、外形尺寸系列、化学成分、力学性能和试验方法。2000版本标准中所列的三类传动轴轴管材料如表2所示：

YB/T 5209-2000标准采取了GB/T 228中规定的材料性能试验方法，即按批次抽样两根钢管，并在钢管焊缝90°的位置取样进行材料拉伸试验。随着新材料的发展和应用，传动轴轴管厂家已不再采用该标准中规定牌号的轴管材料，取代它们的是SS400、440QZ和480QZ，其主要性能指标如表3所示。轴管材料的变化必然影响到力学性能，因此传动轴轴管的许用剪切应力[τ]应根据所采用的材料作相应的修改。

对此材料应用情况的变化，YB/T 5209-2010对传动轴管材料性能再次更新，提升了轴管材料强度指标（如表4所示）：

1.2 强度计算方法及其优化设计

传统的轻型卡车传动轴设计是先根据工程经验选择传动轴轴管，然后进行轴管扭转强度校核。传动轴轴管扭转强度计算的理论依据是计算扭转引起的最大剪切应力，并与许用应力[τ]比较。一般资料上取[τ]=300/S MPa^[3]，其中S为安全系数，根据工况不同取不同数值，轻型卡车考虑到冲击等因素，一般取1.5。300MPa与标准YB/T 5209-2000中规定的I、II类轴管材料以及YB/T 5209-2010中CZ300的屈服极限σ_s一致，但传动轴轴管扭转强度计算时的强度准则是剪切强度，而σ_s是材料拉伸屈服应力。按第三强度理论，拉伸应力σ与剪切应力存τ=0.6σ^[2]关系，由此可得到相应的许用剪切应力[τ]，表5列出了不同轴管材料的许用剪切应力。这种设计方法的优点是可以充分利用原有设计经验，加快设计速度，但可能会造成强度富裕，浪费材料和增加传动轴的总体成本。为了充分利用材料，应根据传动轴的实际工况，确定传动轴的实际承受的最大扭矩后以轴管直径为目标函数进行优化设计。由表1计算公式并考虑临界状態得：

2 结论

通过传动轴轴管沿用标准和轴管扭转强度计算方法影响因素的分析，明确了传动轴轴管材料的强度指标和计算方法，对轻型卡车传动轴轴管强度设计具有一定的指导意义。其中，传动轴轴管标准规定的材料与生产厂商所用材料的对比，明确了常用传动轴轴管材料强度指标，为正确进行传动轴轴管强度计算奠定了基础。扭转强度计算方法的讨论为正确进行

强度设计以及优化设计提供了理论依据。

参考文献

[1] 范钦珊，殷雅俊，唐靖林.材料力学[M].高等教育出版社.

[2] 张宏欣，冯振东，王望宇等.汽车设计[M].第四版：机械工业出版社， 2004.8.132.

[3] YB/T 5209-2010.传动轴用电焊钢管[S].中华人民共和国工业和信息化部，2011.11.10.