传动轴的改进设计与制造
发布时间：2013-05-20 浏览次数：559
刘克成 王林
（大连理工大学模具研究所，辽宁 116023）
1 原始设计及缺陷分析
本文所涉及的传动轴应用于某进口建筑工程泵车上，由于工作环境恶劣，该部件极容易损坏，更新频繁。为了降低成本，逐步实现关键零部件的国产化，国内某机械加工厂测绘仿制了该传动轴。初始的年，国内仿制的使用寿命大约只有4个月。考虑到我们国内的材料性能、机械加工水平，显然该零件的初始设计加工方案中存在缺陷，需要重新进行结构设计和改进加工工艺。
该传动轴的失效断裂情形如图2所示，断裂面产生在轴肩侧壁小输油孔所在截面。仔细观察该断面，可以发现，在小输油孔周围的断面颜色较深，而且表面呈不规则自由面，而该断面的其他部位几何形状较均匀一致，呈现明显的扭转断裂状。结合实际工作环境，该传动轴工作时载荷状态为低速重载，高压润滑油从轴的中心孔入，侧壁小孔出，给齿轮轴承提供润滑。因此，可以分析得出，侧壁小孔周围部位失效是因为在孔加工时，由于表面质量达不到要求而存在微裂纹，高压润滑油浸入裂纹，致使裂纹扩散，从而使得轴在该截面的强度达不到设计要求，在下一次重载工作时造成截面的其余部位集体断裂，因摩擦而呈现近乎整齐光亮的断面。
对初始设计方案应用有限元分析计算进行强度校核，结果显示在额定工作载荷下该传动轴的轴肩部位强度满足要求，然而键槽部位在额定载荷下已经产生了挤压变形，轴的根部和小孔所在部位形成了应力集中，如图3所示。
因而对该传动轴初始设计的缺陷分析如下：
（1）由于小输油孔位置靠近轴根部位，在工作载荷的作用下容易在侧壁小输油孔处形成应力集中。
（2）侧壁的小输油孔是给轴承供油润滑，工作压力较大，如果内孔加工表面质量达不到要求，那么在高压油的作用下，很容易使得内孔表面的裂纹逐渐扩展，致使轴的强度达不到要求而断裂失效。
（3）键槽部位的强度不足，产生了较大的挤压变形。
由分析可知，键槽部位和侧壁输油控部位强度Z弱。继续加大载荷，在扭矩达到额定扭矩约2倍时，产生了破坏变形。
2 改进后的设计及分析
在以上分析的基础之上，我们做了如下改进：
（1）将侧壁输油孔的位置外移了一些，避开轴根部应力集中区域。
（2）将直孔变为斜孔，增加了垂直轴向截面的强度。
（3）对内孔的加工，增添了铰孔、镗孔工序，提高内孔的表面质量。
（4）对侧壁小孔的加工也增加了铰孔工序。
（5）将键槽传动改为六棱形花键传动，使得传动的Z大扭矩得到了增强。
改进后的设计方案如图4所示，在ANSYS有限元分析软件中进行扭矩模拟分析，得出分析结果如图5所示。分析结果显示，在扭矩达到额定载荷3倍时，花键表面和小油孔部位的强度都得到了满足，保证了实际工作的需要。
按照改进后的设计方案加工成本稍有增加，但与进口部件相比，成本仍不到1/3，而且显著提高了工件寿命。经生产实践应用，该传动轴的寿命已经由原来的4个月提高到10个月以上，完全替代了进口部件，降低了该机械的使用成本。
来源：《金属加工（冷加工）》2008年22期
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