汽车半轴的疲劳强度分析

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1、第16卷第4期西南工学院学报Vo1．16No．42001年l2月OURNALOF8OI兀HWESTINSTITUTEOFTECHNOLOGYDec．2001文章编号：1007—8916(2001)o4—0047—04汽车半轴的疲劳强度分析胡玉梅王欣潘娅(1重庚太学汽车工程研完所重虔400044；2．西南科拄太学计算机科学学院四川绵阳610002)摘要：本文采用有限元方法对半轴的疲劳强度进行分析，得到的最小疲劳寿命的计算值与卖验值非常接近，从而得知采用的方法是正确的，对各参数的选择是合理的。美键词：半轴；疲劳寿命；删分析

2、中图分类号：TB302，U4636文献标识码：A0引言汽车半轴是汽车的重要传力部件，特别是非全浮式半轴，不仅要传递来自发动机的扭矩，还要承受车轮上作用的垂直力、侧向力以及牵引力和制动力所形成的纵向力，是汽车上的易损部件之一，也是新车型开发中应进行结构强度分析的重点构件。为了考核某新车的半轴是否有足够的疲劳强度，按照国标对该半轴进行了扭转疲劳试验，结果两根半轴出乎意料地在试验开始两小时后断裂，为了寻求断裂的真正原因，作者在有限元分析的基础上，应用Von—Mises畸形变量理论和修正的Gerber模型对该半轴作了疲劳强度的

3、有限元分析。分析结果表明，该半轴在规定工况下的疲劳寿命约为l4万次，与实验断裂时的次数基本吻合。1疲劳强度分析基本理论1．1疲劳寿命计算零件截面上承受的周期性变化的应力，称为交变应力。在交变应力作用下，产生的破坏习惯上称为疲劳破坏。例如连杆、传动轴等。在高频变化的应力的作用下，零件可能发生“高周疲劳”失效。判断零件是否发生高周疲劳失效、建立失效的安全判据，必须要以“疲劳极限”为基准，即零件在不发生疲劳失效条件下所能承受的极限应力。值得一提的是：由于疲劳发生的机理相当复杂，至今对它的研究大都来源于实践经验，各派学者也提出

4、了各自的见解和主张，所获得的经验公式适用的范围也各不相同，从而也导致计算零构件的疲劳寿命时，由于选择的计算理论不同，tldg,*,来的疲劳寿命也存在差异。为了比较准确地估算出半轴的疲劳寿命，必须采用正确的理论。考虑到该半轴各点的应力状态实际上有六个应力分量，计算疲劳寿命的步骤为：(1)确定应力分量，要计算半轴的疲劳寿命，首先应经过有限元分析，计算出各个节点的正应力、、S，剪切应力s、s、s。通过给半轴施加最大扭矩，得到各个节点的晟太正应力、最大剪切应力分量；通过给半轴施加平均扭矩，从而得到各个节点的平均正应力、平均剪切

5、应力分量。(2)计算等效应力S∞在最大扭矩和平均扭矩联合作用的情况下，—个零件的应力状态是由交变应力和平均应力分量组成的。在确定疲劳寿命前，必须从各个应力分量计算出等效交变应力和等效平均应力。在计算等效应力删，我们选择的是最适台钢结构零件的",Yon—M畸变能量理论。既把一个多应力分量等效为收稿日期：2001—06—11西南工学院学报2001丘简单的拉压应力状态来考虑。这个理论认为：只有等效应力S等于抗拉屈服强度时，零构件才会屈服对于一般的三维应力状态，Von—Mises等效应力形式为：s删=}0．5*[(s盯s)+(

6、ss血)+(sS)。+6*(s+s+s)]i。s一二}0．5*[(s～s州)+(ss)+(s～s～)+6*(s+s+s)]}枷式中：4一表示交变应力；m一表示平均应力。(3)确定完全反向的弯曲应力，在拉压状态下，标准样件的疲劳寿命能够从标准的SN曲线中求出。然而，为了考虑平均应力的影响，在预测疲劳寿命前，首先必须用等效交变应力和平均应力计算反向的弯曲反力S为了更真实地估计零件的疲劳寿命，我们选择修正的Gerber模型来计算反向弯曲应力：=式中：S一表示材料的抗拉极限(4)查找疲劳寿命，根据40Cr的S—N曲线，可查出这

7、种材料的耐久极限S和断裂极限s，与之对应的应力交变循环值。和也可以从相应sN曲线中查出来(sN曲线是坐标位置(s，)和(sr，N，)两点相连而成的)。从而有N=Nr()；式中：b=log(Sf／So)／tog(N，／N)在此值得一提的是：正如前面所说，由于疲劳发生的机理相当复杂，受很多因素的影响，至今对它的研究太都来源于实践经验，而且40Cr的sN曲线也来源于十分有限的实验。因此，400"的耐久极限s和断裂极限的具体取值有很大的弹性在本次分析中，综合各方面资料，取：耐久极限：S=680Mpa，Nr=1000次断裂极限：

8、S，=200Mpa，=10000000次1．2安全系数计算判断一个零件是否会发生疲劳破坏，除了用疲劳寿命的标准来评价外，还可以采用安全系数来进行评价。要使零件的疲劳强度达到国家的要求，则必须使零件的工作安全系数应大于或等于规定的安全系数。式中：”～工作安全系数；一1-#~m，取一t=(0．383*+94)MPa；一有效应力集中系数