拉扭加载下缺口参数对轴疲劳寿命的影响

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拉扭加载下缺 口参数对轴疲劳寿命的影响口 郑建欣兰州理工大学 机 电工程学院 兰州 730050摘 要：讨论了缺 口几何参数对缺口轴疲劳寿命的影响。建立缺口轴在拉扭载荷作用下的力学模型，运用有限元软件计算缺口根部的局部应力应变，根据 Von Mises等效应变法计算缺口轴在不同半径、深度、张开角下的寿命。结果表明，缺口轴疲劳寿命 随缺 口半径 r的增加而增加 ，随缺 口深度 t的增加 而降低 ；当 r和 t一定时 ，缺 口张开角 对圆轴疲劳寿命的影响程度较小。

关键词：拉扭载荷 缺口参数 应变分布 疲劳寿命中图分类号：TH1 14；0346 文献标识码：A 文章编号：1000—4998f2013)10—0058—03轴 是 工 程 中 的 重 要 零 部 件 ，在 实 际 应 用 中 ．轴 不可 避 免 地 存 在 各 种 缺 口 和 缺 陷 ，而 这 些 缺 口 或 者 缺 陷因 为应力 集 中的存 在往 往 成 为疲 劳 的敏 感部 位 ，决 定着 轴 的使 用 寿命 。并且 这 些缺 口规格 不 一 ，因 此研 究缺 口参 数 对 轴 类 零 件 疲 劳 寿 命 的 影 响 是 很 有 必 要 的 。

文献 『l，2]讨 论 了拉 伸 和 弯 曲 载 荷作 用 下 环 行切 口试件 的应 力集 中系数 。文献 『3，4]分 析 了在扭转 和拉 弯载荷 作 用 下 切 口 参 数 对 轴 的 应 力 场 强 的 影 响 。 文 献 『5～7]用数 值模 拟 数 据得 到 缺 口根部 的应 力应 变 响应 ．对构 件进 行 寿命 估 算 。文 献 [8]利 用 弹塑 性 有 限元 法 对缺 口 进 行 分 析 ．得 到 了 缺 口根 部 的 局 部 应 力 应 变 数据 ，并 用 KBM 法 和 STW 法 预 测 缺 口件 的 疲 劳 裂 纹 萌生 寿 命 ，预 测 误 差 在 两 个 因 子 之 内 。 文 献 [9～11]利 用维 有 限 元 方 法 对 不 同 缺 口 (椭 圆 、圆 )根 部 表 面 裂 纹和 角 裂 纹 的应 力 强 度 因 子 进 行 了分 析 。在 此 基 础 上 。

笔 者 利 用 弹 塑 性 有 限元 计 算 拉 扭 加 载 下 切 口尖 端 的局 部 应 力应 变 ．利 用寿命 计 算 公式 分 析切 口参 数 对 轴疲 劳 寿命 的影 响。

利 用 ANSYSIO．0有 限 元 分 析 软 件 ，建 立 缺 口轴 的维 实 体 模 型 ．加 载 并 求 解 ，得 到拉 扭 加 载 下 缺 口根部 的局部 应力 应 变分 布 ，然后 利 用 Von Mises等效 应收稿 日期 ：2013年 4月簧 圈 之 间 没 有 预 紧 力 存 在 。且 在 时 效 过 程 中发 生 屈 服 .

时效 和吹砂 工 序均会 引起 簧 圈开缝 ，但 时效 后 的弹簧开缝 微小 ，经 过拉伸 或 自由状 态 吹砂后 ，簧 圈缝 隙急 剧增大 ，导致 簧 圈 间隙和 拉簧 自由长 度超 差 。

3)65Si2MnWA等 经过 时 效 的 弹簧 ．可 以通 过 绑扎后 进行 吹砂 的方 式来 减小 簧圈 间 隙。

4)时效 和 吹 砂 工序 对 簧 圈 开缝 的影 响趋 势 随 着钢 丝 直 径 的变 粗 而 逐 渐 减 小 。

5)对 小 规 格 65Si2MnWA 制 拉 伸 弹 簧 ．应 以 最 终2013／10变 法 ，计 算 缺 口轴 在 不 同 半 径 、深 度 、张 开 角 下 的 寿命 ．并 绘 制 出 变 化 曲 线 ，从 而 得 到 在 拉 扭 加 载 下 缺 口的几 何参 数对轴 疲 劳寿命 的影 响 。

1 缺 口轴的描述参量在 安 全 设 计 中 ，缺 口 轴 的 疲 劳 寿 命 N 与 缺 口处 的应 力 集 中 系数 有 关 ，应 力集 中 系数 越 大 ，疲 劳 寿命 越小 。所 以 缺 口的 应 力 集 中 系 数 是 轴 疲 劳 寿 命 的 重 要 设计 依据 。具有 环 形切 口的轴 缺 口模 型 如 图 1所示 ，其应 力 集 中 系 数 用 缺 口半 径 r、缺 口深 度 t、缺 口 张 角来 描述 。即缺 口尖 端 附 近 的应 力 集 中 系数 是 缺 口参 数r、t、 和 轴 的 几 何 尺 寸 0、b的 函 数 ：k 6，r，￡， ) (1)··+ 一+ ·+ “-4-·+ -+ + 一+ 一+ 一+ 一—+一一-4---+---4-一+ --4-一—+一n—+一．-+-一—+一--4"-一—-卜 —--卜·热处 理 (淬火 +回火 )状 态 供 料 ，改善 工 艺 流程 ，使 簧 圈之 间 产 生 预 紧 力 。避 免 簧 圈 开 缝 对 产 品 质 量 的 影 响 。

参考文献[1] 罗辉．机械弹簧制造技术[M]．北京：机械工业出版社，1987.

[2] 机械工业部统编．弹簧制造工艺学[M]．北京：机械工业出版社 ．1988.

『3] HB3—56—2008，碳素、合金钢丝制圆柱螺旋压缩、拉伸弹簧规范 『S]． △ (编 辑 丁 罡 )机械制造51卷 第590期
口轴 的 疲 劳 寿 命 随 着 缺 口深 度 t的 增 加 而 减 小 。 而 且疲 劳 寿 命 随 缺 口深 度 ￡的 变 化 十 分 均 匀 。 在 t=4mm 、a／b=0．67时 ，缺 口轴 的疲 劳 寿命 最小 ，极 易 断 裂 ，考 虑 到缺 口的 可加工 性 ，在 中碳 钢疲 劳断 裂设计 中 ．缺 口深度t一 般 取 (0．13～0．16)6是 适 宜 的 。

3．4 张 开 角 对 轴 疲 劳 寿 命 的 影 响45号 钢在 拉扭 载 荷作 用下 ，张 开角 与 缺 口轴疲劳 寿命 的影响关系如图 7所示 。随着 a／b的逐渐增大 ．缺口轴 的疲劳寿命呈 上升趋势 ，当 a／b一定 时 ，缺 口轴 的疲劳寿命 随张开角 的增加而增加 。但 是变化幅度不 大。

4 结论上 述 研究 证 明 ，将 缺 口半 径 r、缺 口深 度 t和缺 口2013／10角 度 作 为影 响缺 口轴 疲 劳 寿 命 的描 述 参 量 是 符 合工 程 实 际 情 况 的 。

(1)当 缺 口深 度 t一 定 时 ， 随 着 a／b的 逐 渐 增 大 ，缺 口轴 的疲 劳寿命 呈上 升趋 势 。当 a／b一定 时 ，缺 口轴的疲劳 寿命 随着半 径 r的增 加 而增 加 。缺 口半 径 r对寿 命 的影 响 主 要 是 由 于 缺 口根 部 半 径 的 变 化 改 变 了 缺口处 的应力 集 中水 平 ，从 而影 响 了缺 口轴 的疲 劳 寿命 。

(2)当 缺 口半 径 r一 定 时 ，随 着 a／b的 逐 渐 增 大 ，缺 口轴 的疲 劳寿命 呈 上升趋 势 。当 a／b一 定时 ，缺 口轴的疲 劳寿命 随缺 口深度 ￡的增加 而减 小 ，而 且疲 劳 寿命 随缺 口深 度 t的 变 化 十 分 均 匀 。

(3)当 a／b一 定 时 ，缺 口轴 的 疲 劳 寿 命 随 张 角 的 变大 而 增 加 ，但 是 变 化 幅 度 不 是 很 大 ，张 角 对 缺 口轴 的 疲劳寿命 影 响不 明显 。

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