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1、本科生毕业设计（论文）翻译资料 吉 林 大 学机械科学与工程学院 本科生毕业设计（论文）翻译资料中文题目：使用应力减轻槽来降低驱动轴上的应力集中 英文题目：Using stress relief grooves to reduce stress concentration on axle drive shaft 学生姓名： 孙诗枨 学 号： 41120315 班 级： 机械三班 专 业： 机械工程及自动化指导教师： 秦四成 本科生毕业设计（论文）翻译资料使用应力减轻槽来降低驱动轴上的应力集中摘要 驱动轴在如传递功率和在动力传动系统中改变桥和轮的操纵角中扮演了重要角色，它被应用于大多数在动力传动

2、系统中要求高度可靠性的工程机械中。然而，对于一个拥有较长跨度的驱动轴，在周期性载荷的情况下，由于明显的疲劳损坏而导致的突然的卡环凹槽破坏是经常发生的。应力减轻槽被用于卡环凹槽处来减少应力集中和改善驱动轴的疲劳寿命。虽然有几个研究已经描述了应力减轻槽是如何减少应力集中的，但是应力减轻槽的几何细节仍需讨论。我们研究了应力减轻槽对应力集中的影响，通过考虑应力减轻槽的几何参数如尺寸、位置并应用有限元预测了驱动轴的疲劳寿命。结果，无因次几何参数为r/h=1.2，d/b=2.0的应力减轻槽可减少22.3%的应力集中，相对于无应力减轻槽的驱动轴最大增加约3.3倍的疲劳寿命。这些可作为选择应力减轻槽最佳形状的

3、索引。关键词 应力减轻槽;应力集中;驱动轴;有限元分析;应变寿命曲线。1.介绍 驱动轴安装于工程机械的转向前轮，用来将主要驱动力从动力传动系统的最终减速装置输送至前轮，如图1（a）所示。它是前轮输送动力和操纵转向最重要的装置之一。由于因过度载荷和周期性载荷而引起的疲劳断裂问题，驱动轴可靠性的保证问题仍待解决1-3。图1（b）展示了一个于卡环凹槽处发生疲劳断裂的例子，此处的正方形横截面造成了相对较高的应力集中。因此，疲劳断裂的防范是一个重要问题。 如果应力减轻槽的尺寸和位置选择得当，使用它是一种减少应力集中和延长疲劳寿命的相对简单的方法。实地试验和理论研究都展示了使用应力减轻槽的影响4-6。使用

4、应力减轻槽来减少应力集中最初由彼得逊提出6。应力集中的减轻可经由加工于驱动轴轴承安装座处的应力减轻槽来实现被发现，如图2。最近，伊利斯等人5展示了无事的线程经过机械加工的部分，即缓解压力的功能，对于螺纹连接改善连接应力，减少应力集中，弯曲力矩施加时改善连接灵活性。这些属性导致了连接处疲劳性能的改良。胜村政信等人7报告了在弯曲力矩施加的负载情况下的接触疲劳强度由应力减轻槽显著改善。另外，应力减轻槽的设计变量，如半径、切角和深度，对于接触疲劳强度的影响被系统地研究了。帕克等人8展示了相似的研究，应力减轻槽在减少应力集中方面发挥了比侧角切割更好的作用。通过这次研究，当应力减轻槽的半径增加到2.0mm

5、时，在弯矩和扭矩载荷下的应力集中分别减少了27.3%和18.2%。反之，当半径小到一定程度时，应力集中会增加。（a）挖掘机的转向前轮（b）发生于长跨度驱动轴卡环凹槽处的疲劳破坏图1 转向前轮的驱动轴图2 由彼得逊所提出的带有半径的应力减轻槽 应力减轻槽的具体几何参数仍需讨论。关于这些问题的研究被与应力减轻槽的尺寸和位置的决定有关的困难推动着。这个研究的目的是为了阐明应力减轻槽对减少应力集中的影响和疲劳寿命的延长以便于选择最理想的槽的尺寸和位置。有限元分析被用来进行评估具有应力减轻槽的驱动轴的卡环凹槽处的应力分布，两个半圆形的槽被加工于卡环凹槽处的两面。疲劳寿命的延伸归因于应力减轻槽也通过使用刻

6、痕-压力思想进行了理论研究。通过这些研究结果，决定了几何尺寸例如应力减轻槽的半径和卡环凹槽处的中心距，以便最大化驱动轴的疲劳寿命。2.驱动轴和应力减轻槽2.1驱动轴 研究中所用到的挖掘机的转向前轮的驱动桥不同于具有连续速度联轴器的汽车，而是具有独特的由短跨距和长跨距驱动轴组成的双联轴器，和典型的连接部件如轭和交叉元件3。图3展示了一个驱动轴的双联轴器的特点。长跨度驱动轴所用材料为SCM 440H，它的机械性能被陈列于表1。其中一例被记录的驱动轴的长跨度轴的疲劳破坏是一个发生在加工于驱动轴刻痕部分的破坏，由周期性载荷下的疲劳破坏引起。卡环应插入加工于长跨度驱动轴的槽，来支撑滚珠轴承防止其松懈。卡

7、环凹槽处的方形截面造成了一种相对较高的应力集中，疲劳破坏发生在卡环凹槽处，如图1（b）。表1.SCM 440H的机械特性屈服强度（Mpa）911抗拉强度（Mpa）1025断裂延伸率（%）21断面收缩率（%）58弹性系数（GPa）205泊松比0.29（a）卡环凹槽 （b）应力减轻槽图3 加工于卡环凹槽处两面的应力减轻槽的几何参数2.2应力减轻槽 为了减少应力集中和改善驱动轴的疲劳寿命，一个应力减轻槽被应用于卡环凹槽处附近。在此研究中，两个应力减轻槽被应用于长跨度驱动轴卡环凹槽处的两端，即由高度应力集中引起的疲劳损坏处。选择半圆形的应力减轻槽是为了使实际应用更简便。图3展示了卡环凹槽处的几何尺寸和

8、应力减轻槽。卡环凹槽处的宽度b和深度h分别为常量1.85mm和1.25mm。应力减轻槽的几何参数为选为d和r，即卡环凹槽处的中心距和应力减轻槽的半径。这些几何图形被参数化来研究卡环凹槽处应力减轻槽对应力集中的影响，并通过有限元分析来预测驱动轴的疲劳寿命。这可以阐明应力减轻槽对减少应力集中的影响和疲劳寿命的延长，以便于选择最理想的槽的尺寸和位置。按照无量纲几何参数r/h和d/b,在d/b=2,3,4之下r/h的范围为0.2到2.8，一个总数为35个类型的分析模型被创造出来。图4展示了一个3DCAD模型的例子，一个具有r/h=1.2和d/b=2.0的应力减轻槽的驱动轴。表2 SCM 440H的疲劳

9、性质疲劳强度系数（Mpa）1369.5疲劳韧性系数0.868疲劳强度指数-0.085疲劳韧性指数-0.6周期强度系数（GPa）1379.3周期加工硬化指数0.142图4 带有应力减轻槽的驱动轴的3D CAD模型。图5 驱动轴卡环凹槽和应力减轻槽的FE网状图。3.数值分析3.1压力分析 应用有限元技术进行参数化应力分析是用来定量研究应力减轻槽对于35个分析模型的应力集中现象。从这35个模型的每一个的研究可以发现，应力集中的改变与应力减轻槽的尺寸和位置有关。通过研究所获得的结果与无应力减轻槽的情况作了比较。 商业软件ANSYS v.12被用来计算卡环凹槽处和应力减轻槽的应力分布。图5展示了一个通过

10、由图4所示的CAD模型的四节点四面体元素所创造的有限元模型。表1所示的材料SCM 440H被选为应用于有限元分析的材料性质。为了用有限元分析进行边界状况的分析，位于短跨度驱动轴末端的键槽被修正了，并且位于长跨度驱动轴的轴承支座的径向和轴向被限制了。在对驱动轴进行操作的过程中，产生了扭矩、转矩和正应力，所以这些力在驱动轴上周期性地产生了正应力和切应力的合成应力。这些周期性应力中，扭矩是疲劳破坏的主要原因；由于边绝效应，其它应力的影响可以被忽略。在负载情况下，因此，最大扭矩为2499 N.m被施加于长跨度驱动轴的键槽处，并且同时进行最大转速为900rpm的旋转运动。3.2疲劳寿命的预测 为了预测驱

11、动轴的疲劳寿命，应用了刻痕-应力思想9。在这个思想中，疲劳断裂的起始寿命可以被发生于切口前端的小于最大公称应力的刻痕应力的最大值和刻痕拉应力之间的关系计算出来。和可以用诺伊贝尔等式和周期应力响应曲线，如等式（1）和等式（2）所示，计算出来。其中是从应力集中系数中推导出来的疲劳刻痕系数；和分别是周期强度系数和周期应变硬化系数；和分别是周期性负载下应力和拉力的范围。 在此研究中，这些数值和疲劳寿命之间，选择按照SWT方法的下列等式联系起来：其中和分别是疲劳强度系数和疲劳韧性系数；b和c分别是疲劳强度指数和疲劳韧性指数910。选用材料的性质的疲劳寿命评估被陈列于表2。处于一个完全颠倒的交替周期性载荷

12、下的疲劳载荷情况被选用，因为这是在操作中主要发生在驱动轴上的载荷情况。所以，最大扭矩为2499N.m，被用来作为应力分析的载荷状况，以应力比为-1以下被施加于长跨度驱动轴的键槽处。 （a）无应力减轻槽（b）有应力减轻槽（r/h=1.2,d/b=2.0）图6 卡环凹槽处的应力分布3. 数据结果和讨论 图6展示了由有限元方法所获得的于环切处的冯米泽斯应力的应力分布。对于如图6（a）所示的坏切除没有应力减轻槽的案例，最大应力为973.2MPa。这个数值比列表1中所示的所用材料的抗拉强度要低，但是却超过它的屈服强度。众所周知的是卡环凹槽处的深度缺口根部会出现相对较高的应力。这个被依据无量纲几何参数d/

13、b和r/h的35个有限元模型所定义的应力减轻槽，被要求用来减少高度应力集中。图6（b）展示了一个应用d/b=2.0和r/h=1.2的应力减轻槽的分析结果。卡环凹槽处的最大压力为755.7Mpa，相当于与一个没有卡环凹槽的驱动轴相比，降低了22.3%的应力集中。 35个有限元模型的参数研究的计算结果被陈列于表3，此处r/h选择0.22.8，低于d/b的2,3,4。这些参数提供了和，这两个数分别被特指用来作为卡环凹槽处的最大压力和应力减轻槽处的最大压力。会随着r/h的增加而减少，但是则会持续增加。因为的减少归因于应力减轻槽，和的比率，即/必须被检查以验证降低应力的影响。表3由于应力减轻槽几何参数的

14、改变而产生的发生在卡环凹槽处和应力减轻槽处的最大等价应力（：卡环凹槽处的最大应力，：应力减轻槽处的最大应力）。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图7/归因于应力减轻槽的几何参数这就意味着，直到所施加于应力减轻槽的应力达到卡环凹槽处的极值时，应力减轻槽满足使用条件。因此，当/1时，归因于应力减轻槽的效果是有效的，此不等式即被指定为应力减轻槽的有效条件。在满足d/b=2,3和4条件下的r/h的最大并满足有效要求的值分别为1.2,1.6和1.8。参照几何参数r/h和d/b的/的值可被标绘，并展示于图7中。当r/h的值由于d/b=2

17、,3和4的原因而增加时，/的值也在增加。当r/h<1.0时，/的值并不会受到d/b的剧烈影响。同时，当r/h的值比1.0更大时，由于d/b值的变化，/展现了一种显著的区别。这就意味着当应力减轻槽可以被加工的比卡环凹槽处更加深时，应力减轻槽在卡环凹槽处是有效的。其中的几何参数，当d/b=2.0，r/h=1.2时，/的值展现了1的最快捷的方法。在这个案例中显示出755.7MPa，这就意味着与不具备应力减轻槽的驱动轴相比，所施加应力的最大值减少了22.3%。目前研究的计算结果证实了当应力减轻槽被加工于卡环凹槽两侧并与其最接近，并且应力减轻槽的半径更大时，降低应力的效果会更好。 对于驱动轴疲劳寿

18、命，2，的预测，应用了来自Eqs的刻痕-压力思想。（1）（3）被展示于图8中。这个没有应力减轻槽的案例（见图8（a），提供了循环于卡环凹槽深槽底部的最小值7554，展示了一种与一个典型TCF（低循环疲劳）相似的相对较短的疲劳寿命。同时，具有几何参数如d/b=2.0和r/h=1.2的应力减轻槽的应用的例子，展示了一种疲劳寿命的显著的延伸，此处疲劳寿命为25112循环被计算出并展示于图8（b）。满足应力减轻槽有效要求，即/1，的疲劳寿命的计算结果被陈列于表4。与从应力分析中所获得的应力集中的影响相似，疲劳寿命随着r/h的增加和d/b的减少而增加，如图9所示。在d/b=2的条件下，与另一个参数为d/

19、b=3和4的案例相比，疲劳寿命快速接近于r/h=1.2的最大值25112周期。与不具备应力减压槽的驱动轴相比，这相当于造成了多于3.3倍的疲劳寿命的延长。表4 随着应力减轻槽几何参数的变化而改变的卡环凹槽处的疲劳寿命（单位：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） 不具备应力减轻槽（=7,574周期）（b）具备应力减轻槽（r/h=1.2,d/b=2.0),(=25,112周期）图8 卡环凹槽处的疲劳寿命预测图9.处于/1情况下，疲劳寿命2随应力减轻槽的几何参数变化而变化。5. 结论 为了改善驱动轴卡环凹槽处锋利凹槽的机械特性，应力减轻槽被用于减少应力集中和延长疲劳寿命。应用有限元分析，应力集中影响的减小和疲劳寿命的延长被定量地预测出归因于几何参数的改变如应力减压槽的尺寸和位置。卡环凹槽处的最大压力随着在d/b的值为2,3和4的条件下，r/h的值的增加而减少。然而，应力减轻槽处的最大压力却在增加。因此，当应力减轻槽的

21、位置被加工于卡环凹槽的两面，甚至应力减轻槽距卡环凹槽更近，其半径更大时，应力集中的减少会更加显著。在有效要求的条件下，/1，在案例d/b=2.0和r/h=1.2中，展示了最小值755.7MPa，这就意味着与不具有应力减压槽的驱动轴的相比，减少了22.3%的应力集中。上述对于应力减压槽应用的案例展示了疲劳寿命为25112周期，相比于不具备应力减压槽的驱动轴延长了3.3倍的疲劳寿命。因此，应力减压槽在相比较下而言是一种改善驱动轴锋利切口区域的应力集中和疲劳寿命等机械性能较有效的方法。此研究的发现可应用为选择应力减轻槽合适几何参数的索引。为了验证此研究，有关本研究的大规模疲劳测试正在被实施。这些计算

22、结果将在不远的将来发布。感谢 此工作由韩国能源技术评估和计划研究所（KETEP）所属的能源技术人力资源组所支持。感谢韩国贸易，工业和能源部的资金支持。（No.20134030200320）。术语：最大缺口应力：最大名义应力 ：疲劳强度系数 ：疲劳韧性系数 b:疲劳强度指数 C:疲劳韧性指数：循环强度系数：循环应变硬化指数：逆转失败 R：应力比参考文献1 H. Bayrakceken, S. Tasgetiren and I. Yavuz, Two cases of failure in the power transmission system on vehicles: a universal

23、 joint yoke and a drive shaft,Engineering Failure Analysis, 14 (2007) 716-724.2 G. Panrazopoulos, A. Sampani and E. Tsagaridis, Torsional failure of a knuckle joint of a universal steel coupling system during operation : a case study,Engineering Failure Analysis, 14 (2007) 73-84.3 D. S. Kim and H. E

24、. Kim, Life estimation of an axle drive shaft by calibrated accelerated life test method, Transaction of KSME A, 34 (3) (2010) 273-281.4 D. Marudachalam, K. Kanthavel and R. Krishnaraj, Optimization of shaft design under fatigue loading using Goodman method, International Journal of Scientific & Engineering Research, 2 (8) (2011) 1-5.5 S. Ellis, T. Wadsworth, K. Lee, M. Gerdes and S. Altizer, Connection fatigue index (CFI): an engineering solution for connection selection and a replacement for BSR, IADC/SPE Drilling Conference, IADC/SPE 1121105 (20