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1、本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）翻譯資料 吉 林 大 學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）翻譯資料中文題目：使用應(yīng)力減輕槽來降低驅(qū)動軸上的應(yīng)力集中 英文題目：Using stress relief grooves to reduce stress concentration on axle drive shaft 學(xué)生姓名： 孫詩棖 學(xué) 號： 41120315 班 級： 機(jī)械三班 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動化指導(dǎo)教師： 秦四成 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）翻譯資料使用應(yīng)力減輕槽來降低驅(qū)動軸上的應(yīng)力集中摘要 驅(qū)動軸在如傳遞功率和在動力傳動系統(tǒng)中改變橋和輪的操縱角中扮演了重要角色，它被應(yīng)用于大多數(shù)在動力傳動

2、系統(tǒng)中要求高度可靠性的工程機(jī)械中。然而，對于一個擁有較長跨度的驅(qū)動軸，在周期性載荷的情況下，由于明顯的疲勞損壞而導(dǎo)致的突然的卡環(huán)凹槽破壞是經(jīng)常發(fā)生的。應(yīng)力減輕槽被用于卡環(huán)凹槽處來減少應(yīng)力集中和改善驅(qū)動軸的疲勞壽命。雖然有幾個研究已經(jīng)描述了應(yīng)力減輕槽是如何減少應(yīng)力集中的，但是應(yīng)力減輕槽的幾何細(xì)節(jié)仍需討論。我們研究了應(yīng)力減輕槽對應(yīng)力集中的影響，通過考慮應(yīng)力減輕槽的幾何參數(shù)如尺寸、位置并應(yīng)用有限元預(yù)測了驅(qū)動軸的疲勞壽命。結(jié)果，無因次幾何參數(shù)為r/h=1.2，d/b=2.0的應(yīng)力減輕槽可減少22.3%的應(yīng)力集中，相對于無應(yīng)力減輕槽的驅(qū)動軸最大增加約3.3倍的疲勞壽命。這些可作為選擇應(yīng)力減輕槽最佳形狀的

3、索引。關(guān)鍵詞 應(yīng)力減輕槽;應(yīng)力集中;驅(qū)動軸;有限元分析;應(yīng)變壽命曲線。1.介紹 驅(qū)動軸安裝于工程機(jī)械的轉(zhuǎn)向前輪，用來將主要驅(qū)動力從動力傳動系統(tǒng)的最終減速裝置輸送至前輪，如圖1（a）所示。它是前輪輸送動力和操縱轉(zhuǎn)向最重要的裝置之一。由于因過度載荷和周期性載荷而引起的疲勞斷裂問題，驅(qū)動軸可靠性的保證問題仍待解決1-3。圖1（b）展示了一個于卡環(huán)凹槽處發(fā)生疲勞斷裂的例子，此處的正方形橫截面造成了相對較高的應(yīng)力集中。因此，疲勞斷裂的防范是一個重要問題。 如果應(yīng)力減輕槽的尺寸和位置選擇得當(dāng)，使用它是一種減少應(yīng)力集中和延長疲勞壽命的相對簡單的方法。實地試驗和理論研究都展示了使用應(yīng)力減輕槽的影響4-6。使用

4、應(yīng)力減輕槽來減少應(yīng)力集中最初由彼得遜提出6。應(yīng)力集中的減輕可經(jīng)由加工于驅(qū)動軸軸承安裝座處的應(yīng)力減輕槽來實現(xiàn)被發(fā)現(xiàn)，如圖2。最近，伊利斯等人5展示了無事的線程經(jīng)過機(jī)械加工的部分，即緩解壓力的功能，對于螺紋連接改善連接應(yīng)力，減少應(yīng)力集中，彎曲力矩施加時改善連接靈活性。這些屬性導(dǎo)致了連接處疲勞性能的改良。勝村政信等人7報告了在彎曲力矩施加的負(fù)載情況下的接觸疲勞強(qiáng)度由應(yīng)力減輕槽顯著改善。另外，應(yīng)力減輕槽的設(shè)計變量，如半徑、切角和深度，對于接觸疲勞強(qiáng)度的影響被系統(tǒng)地研究了。帕克等人8展示了相似的研究，應(yīng)力減輕槽在減少應(yīng)力集中方面發(fā)揮了比側(cè)角切割更好的作用。通過這次研究，當(dāng)應(yīng)力減輕槽的半徑增加到2.0mm

5、時，在彎矩和扭矩載荷下的應(yīng)力集中分別減少了27.3%和18.2%。反之，當(dāng)半徑小到一定程度時，應(yīng)力集中會增加。（a）挖掘機(jī)的轉(zhuǎn)向前輪（b）發(fā)生于長跨度驅(qū)動軸卡環(huán)凹槽處的疲勞破壞圖1 轉(zhuǎn)向前輪的驅(qū)動軸圖2 由彼得遜所提出的帶有半徑的應(yīng)力減輕槽 應(yīng)力減輕槽的具體幾何參數(shù)仍需討論。關(guān)于這些問題的研究被與應(yīng)力減輕槽的尺寸和位置的決定有關(guān)的困難推動著。這個研究的目的是為了闡明應(yīng)力減輕槽對減少應(yīng)力集中的影響和疲勞壽命的延長以便于選擇最理想的槽的尺寸和位置。有限元分析被用來進(jìn)行評估具有應(yīng)力減輕槽的驅(qū)動軸的卡環(huán)凹槽處的應(yīng)力分布，兩個半圓形的槽被加工于卡環(huán)凹槽處的兩面。疲勞壽命的延伸歸因于應(yīng)力減輕槽也通過使用刻

6、痕-壓力思想進(jìn)行了理論研究。通過這些研究結(jié)果，決定了幾何尺寸例如應(yīng)力減輕槽的半徑和卡環(huán)凹槽處的中心距，以便最大化驅(qū)動軸的疲勞壽命。2.驅(qū)動軸和應(yīng)力減輕槽2.1驅(qū)動軸 研究中所用到的挖掘機(jī)的轉(zhuǎn)向前輪的驅(qū)動橋不同于具有連續(xù)速度聯(lián)軸器的汽車，而是具有獨特的由短跨距和長跨距驅(qū)動軸組成的雙聯(lián)軸器，和典型的連接部件如軛和交叉元件3。圖3展示了一個驅(qū)動軸的雙聯(lián)軸器的特點。長跨度驅(qū)動軸所用材料為SCM 440H，它的機(jī)械性能被陳列于表1。其中一例被記錄的驅(qū)動軸的長跨度軸的疲勞破壞是一個發(fā)生在加工于驅(qū)動軸刻痕部分的破壞，由周期性載荷下的疲勞破壞引起?？ōh(huán)應(yīng)插入加工于長跨度驅(qū)動軸的槽，來支撐滾珠軸承防止其松懈?？?/p>

7、環(huán)凹槽處的方形截面造成了一種相對較高的應(yīng)力集中，疲勞破壞發(fā)生在卡環(huán)凹槽處，如圖1（b）。表1.SCM 440H的機(jī)械特性屈服強(qiáng)度（Mpa）911抗拉強(qiáng)度（Mpa）1025斷裂延伸率（%）21斷面收縮率（%）58彈性系數(shù)（GPa）205泊松比0.29（a）卡環(huán)凹槽 （b）應(yīng)力減輕槽圖3 加工于卡環(huán)凹槽處兩面的應(yīng)力減輕槽的幾何參數(shù)2.2應(yīng)力減輕槽 為了減少應(yīng)力集中和改善驅(qū)動軸的疲勞壽命，一個應(yīng)力減輕槽被應(yīng)用于卡環(huán)凹槽處附近。在此研究中，兩個應(yīng)力減輕槽被應(yīng)用于長跨度驅(qū)動軸卡環(huán)凹槽處的兩端，即由高度應(yīng)力集中引起的疲勞損壞處。選擇半圓形的應(yīng)力減輕槽是為了使實際應(yīng)用更簡便。圖3展示了卡環(huán)凹槽處的幾何尺寸和

8、應(yīng)力減輕槽?？ōh(huán)凹槽處的寬度b和深度h分別為常量1.85mm和1.25mm。應(yīng)力減輕槽的幾何參數(shù)為選為d和r，即卡環(huán)凹槽處的中心距和應(yīng)力減輕槽的半徑。這些幾何圖形被參數(shù)化來研究卡環(huán)凹槽處應(yīng)力減輕槽對應(yīng)力集中的影響，并通過有限元分析來預(yù)測驅(qū)動軸的疲勞壽命。這可以闡明應(yīng)力減輕槽對減少應(yīng)力集中的影響和疲勞壽命的延長，以便于選擇最理想的槽的尺寸和位置。按照無量綱幾何參數(shù)r/h和d/b,在d/b=2,3,4之下r/h的范圍為0.2到2.8，一個總數(shù)為35個類型的分析模型被創(chuàng)造出來。圖4展示了一個3DCAD模型的例子，一個具有r/h=1.2和d/b=2.0的應(yīng)力減輕槽的驅(qū)動軸。表2 SCM 440H的疲勞

9、性質(zhì)疲勞強(qiáng)度系數(shù)（Mpa）1369.5疲勞韌性系數(shù)0.868疲勞強(qiáng)度指數(shù)-0.085疲勞韌性指數(shù)-0.6周期強(qiáng)度系數(shù)（GPa）1379.3周期加工硬化指數(shù)0.142圖4 帶有應(yīng)力減輕槽的驅(qū)動軸的3D CAD模型。圖5 驅(qū)動軸卡環(huán)凹槽和應(yīng)力減輕槽的FE網(wǎng)狀圖。3.數(shù)值分析3.1壓力分析 應(yīng)用有限元技術(shù)進(jìn)行參數(shù)化應(yīng)力分析是用來定量研究應(yīng)力減輕槽對于35個分析模型的應(yīng)力集中現(xiàn)象。從這35個模型的每一個的研究可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中的改變與應(yīng)力減輕槽的尺寸和位置有關(guān)。通過研究所獲得的結(jié)果與無應(yīng)力減輕槽的情況作了比較。 商業(yè)軟件ANSYS v.12被用來計算卡環(huán)凹槽處和應(yīng)力減輕槽的應(yīng)力分布。圖5展示了一個通過

10、由圖4所示的CAD模型的四節(jié)點四面體元素所創(chuàng)造的有限元模型。表1所示的材料SCM 440H被選為應(yīng)用于有限元分析的材料性質(zhì)。為了用有限元分析進(jìn)行邊界狀況的分析，位于短跨度驅(qū)動軸末端的鍵槽被修正了，并且位于長跨度驅(qū)動軸的軸承支座的徑向和軸向被限制了。在對驅(qū)動軸進(jìn)行操作的過程中，產(chǎn)生了扭矩、轉(zhuǎn)矩和正應(yīng)力，所以這些力在驅(qū)動軸上周期性地產(chǎn)生了正應(yīng)力和切應(yīng)力的合成應(yīng)力。這些周期性應(yīng)力中，扭矩是疲勞破壞的主要原因；由于邊絕效應(yīng)，其它應(yīng)力的影響可以被忽略。在負(fù)載情況下，因此，最大扭矩為2499 N.m被施加于長跨度驅(qū)動軸的鍵槽處，并且同時進(jìn)行最大轉(zhuǎn)速為900rpm的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。3.2疲勞壽命的預(yù)測 為了預(yù)測驅(qū)

11、動軸的疲勞壽命，應(yīng)用了刻痕-應(yīng)力思想9。在這個思想中，疲勞斷裂的起始壽命可以被發(fā)生于切口前端的小于最大公稱應(yīng)力的刻痕應(yīng)力的最大值和刻痕拉應(yīng)力之間的關(guān)系計算出來。和可以用諾伊貝爾等式和周期應(yīng)力響應(yīng)曲線，如等式（1）和等式（2）所示，計算出來。其中是從應(yīng)力集中系數(shù)中推導(dǎo)出來的疲勞刻痕系數(shù)；和分別是周期強(qiáng)度系數(shù)和周期應(yīng)變硬化系數(shù)；和分別是周期性負(fù)載下應(yīng)力和拉力的范圍。 在此研究中，這些數(shù)值和疲勞壽命之間，選擇按照SWT方法的下列等式聯(lián)系起來：其中和分別是疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞韌性系數(shù)；b和c分別是疲勞強(qiáng)度指數(shù)和疲勞韌性指數(shù)910。選用材料的性質(zhì)的疲勞壽命評估被陳列于表2。處于一個完全顛倒的交替周期性載荷

12、下的疲勞載荷情況被選用，因為這是在操作中主要發(fā)生在驅(qū)動軸上的載荷情況。所以，最大扭矩為2499N.m，被用來作為應(yīng)力分析的載荷狀況，以應(yīng)力比為-1以下被施加于長跨度驅(qū)動軸的鍵槽處。 （a）無應(yīng)力減輕槽（b）有應(yīng)力減輕槽（r/h=1.2,d/b=2.0）圖6 卡環(huán)凹槽處的應(yīng)力分布3. 數(shù)據(jù)結(jié)果和討論 圖6展示了由有限元方法所獲得的于環(huán)切處的馮米澤斯應(yīng)力的應(yīng)力分布。對于如圖6（a）所示的壞切除沒有應(yīng)力減輕槽的案例，最大應(yīng)力為973.2MPa。這個數(shù)值比列表1中所示的所用材料的抗拉強(qiáng)度要低，但是卻超過它的屈服強(qiáng)度。眾所周知的是卡環(huán)凹槽處的深度缺口根部會出現(xiàn)相對較高的應(yīng)力。這個被依據(jù)無量綱幾何參數(shù)d/

13、b和r/h的35個有限元模型所定義的應(yīng)力減輕槽，被要求用來減少高度應(yīng)力集中。圖6（b）展示了一個應(yīng)用d/b=2.0和r/h=1.2的應(yīng)力減輕槽的分析結(jié)果?？ōh(huán)凹槽處的最大壓力為755.7Mpa，相當(dāng)于與一個沒有卡環(huán)凹槽的驅(qū)動軸相比，降低了22.3%的應(yīng)力集中。 35個有限元模型的參數(shù)研究的計算結(jié)果被陳列于表3，此處r/h選擇0.22.8，低于d/b的2,3,4。這些參數(shù)提供了和，這兩個數(shù)分別被特指用來作為卡環(huán)凹槽處的最大壓力和應(yīng)力減輕槽處的最大壓力。會隨著r/h的增加而減少，但是則會持續(xù)增加。因為的減少歸因于應(yīng)力減輕槽，和的比率，即/必須被檢查以驗證降低應(yīng)力的影響。表3由于應(yīng)力減輕槽幾何參數(shù)的

14、改變而產(chǎn)生的發(fā)生在卡環(huán)凹槽處和應(yīng)力減輕槽處的最大等價應(yīng)力（：卡環(huán)凹槽處的最大應(yīng)力，：應(yīng)力減輕槽處的最大應(yīng)力）。r/hd/b=2（MPa）（MPa）/0.2931.5632.90.680.4900.7646.10.720.6895.2675.50.750.8872.9677.20.781.0822.4695.10.851.2755.7706.70.941.4616.4726.61.181.6533.7745.21.401.8410.8765.21.86r/hd/b=3（MPa）（MPa）/0.2940.0688.50.730.4922.5690.50.750.6913.5705.40.770.8

15、899.0711.70.791.0879.7727.20.831.2868.7738.50.851.4807.8751.20.931.6775.1766.40.991.8703.0784.11.122.0676.7804.91.192.2605.8825.71.362.4533.4847.61.59r/hd/b=4（MPa）（MPa）/0.2952.5709.60.740.4947.1712.30.750.6934.1729.80.780.8925.3731.90.791.0912.2753.60.831.2888.9756.60.851.4883.4768.50.871.6873.8785.

16、30.901.8858.3801.20.932.0803.0821.51.022.2766.9841.51.102.4738.4863.31.172.6702.1886.61.262.8652.7914.01.40圖7/歸因于應(yīng)力減輕槽的幾何參數(shù)這就意味著，直到所施加于應(yīng)力減輕槽的應(yīng)力達(dá)到卡環(huán)凹槽處的極值時，應(yīng)力減輕槽滿足使用條件。因此，當(dāng)/1時，歸因于應(yīng)力減輕槽的效果是有效的，此不等式即被指定為應(yīng)力減輕槽的有效條件。在滿足d/b=2,3和4條件下的r/h的最大并滿足有效要求的值分別為1.2,1.6和1.8。參照幾何參數(shù)r/h和d/b的/的值可被標(biāo)繪，并展示于圖7中。當(dāng)r/h的值由于d/b=2

17、,3和4的原因而增加時，/的值也在增加。當(dāng)r/h<1.0時，/的值并不會受到d/b的劇烈影響。同時，當(dāng)r/h的值比1.0更大時，由于d/b值的變化，/展現(xiàn)了一種顯著的區(qū)別。這就意味著當(dāng)應(yīng)力減輕槽可以被加工的比卡環(huán)凹槽處更加深時，應(yīng)力減輕槽在卡環(huán)凹槽處是有效的。其中的幾何參數(shù)，當(dāng)d/b=2.0，r/h=1.2時，/的值展現(xiàn)了1的最快捷的方法。在這個案例中顯示出755.7MPa，這就意味著與不具備應(yīng)力減輕槽的驅(qū)動軸相比，所施加應(yīng)力的最大值減少了22.3%。目前研究的計算結(jié)果證實了當(dāng)應(yīng)力減輕槽被加工于卡環(huán)凹槽兩側(cè)并與其最接近，并且應(yīng)力減輕槽的半徑更大時，降低應(yīng)力的效果會更好。 對于驅(qū)動軸疲勞壽

18、命，2，的預(yù)測，應(yīng)用了來自Eqs的刻痕-壓力思想。（1）（3）被展示于圖8中。這個沒有應(yīng)力減輕槽的案例（見圖8（a），提供了循環(huán)于卡環(huán)凹槽深槽底部的最小值7554，展示了一種與一個典型TCF（低循環(huán)疲勞）相似的相對較短的疲勞壽命。同時，具有幾何參數(shù)如d/b=2.0和r/h=1.2的應(yīng)力減輕槽的應(yīng)用的例子，展示了一種疲勞壽命的顯著的延伸，此處疲勞壽命為25112循環(huán)被計算出并展示于圖8（b）。滿足應(yīng)力減輕槽有效要求，即/1，的疲勞壽命的計算結(jié)果被陳列于表4。與從應(yīng)力分析中所獲得的應(yīng)力集中的影響相似，疲勞壽命隨著r/h的增加和d/b的減少而增加，如圖9所示。在d/b=2的條件下，與另一個參數(shù)為d/

19、b=3和4的案例相比，疲勞壽命快速接近于r/h=1.2的最大值25112周期。與不具備應(yīng)力減壓槽的驅(qū)動軸相比，這相當(dāng)于造成了多于3.3倍的疲勞壽命的延長。表4 隨著應(yīng)力減輕槽幾何參數(shù)的變化而改變的卡環(huán)凹槽處的疲勞壽命（單位：周期） d/b r/h2.03.04.00.29183.08818.38320.70.410683.09589.28533.30.610990.010023.09069.90.812342.010779.09459.21.016394.011908.010088.01.225112.012627.011351.01.4-17905.011675.01.6-22036.012

20、285.01.8-13361.0（a） 不具備應(yīng)力減輕槽（=7,574周期）（b）具備應(yīng)力減輕槽（r/h=1.2,d/b=2.0),(=25,112周期）圖8 卡環(huán)凹槽處的疲勞壽命預(yù)測圖9.處于/1情況下，疲勞壽命2隨應(yīng)力減輕槽的幾何參數(shù)變化而變化。5. 結(jié)論 為了改善驅(qū)動軸卡環(huán)凹槽處鋒利凹槽的機(jī)械特性，應(yīng)力減輕槽被用于減少應(yīng)力集中和延長疲勞壽命。應(yīng)用有限元分析，應(yīng)力集中影響的減小和疲勞壽命的延長被定量地預(yù)測出歸因于幾何參數(shù)的改變?nèi)鐟?yīng)力減壓槽的尺寸和位置?？ōh(huán)凹槽處的最大壓力隨著在d/b的值為2,3和4的條件下，r/h的值的增加而減少。然而，應(yīng)力減輕槽處的最大壓力卻在增加。因此，當(dāng)應(yīng)力減輕槽的

21、位置被加工于卡環(huán)凹槽的兩面，甚至應(yīng)力減輕槽距卡環(huán)凹槽更近，其半徑更大時，應(yīng)力集中的減少會更加顯著。在有效要求的條件下，/1，在案例d/b=2.0和r/h=1.2中，展示了最小值755.7MPa，這就意味著與不具有應(yīng)力減壓槽的驅(qū)動軸的相比，減少了22.3%的應(yīng)力集中。上述對于應(yīng)力減壓槽應(yīng)用的案例展示了疲勞壽命為25112周期，相比于不具備應(yīng)力減壓槽的驅(qū)動軸延長了3.3倍的疲勞壽命。因此，應(yīng)力減壓槽在相比較下而言是一種改善驅(qū)動軸鋒利切口區(qū)域的應(yīng)力集中和疲勞壽命等機(jī)械性能較有效的方法。此研究的發(fā)現(xiàn)可應(yīng)用為選擇應(yīng)力減輕槽合適幾何參數(shù)的索引。為了驗證此研究，有關(guān)本研究的大規(guī)模疲勞測試正在被實施。這些計算

22、結(jié)果將在不遠(yuǎn)的將來發(fā)布。感謝 此工作由韓國能源技術(shù)評估和計劃研究所（KETEP）所屬的能源技術(shù)人力資源組所支持。感謝韓國貿(mào)易，工業(yè)和能源部的資金支持。（No.20134030200320）。術(shù)語：最大缺口應(yīng)力：最大名義應(yīng)力 ：疲勞強(qiáng)度系數(shù) ：疲勞韌性系數(shù) b:疲勞強(qiáng)度指數(shù) C:疲勞韌性指數(shù)：循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)：循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù)：逆轉(zhuǎn)失敗 R：應(yīng)力比參考文獻(xiàn)1 H. Bayrakceken, S. Tasgetiren and I. Yavuz, Two cases of failure in the power transmission system on vehicles: a universal

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