某型减速器安全轴强度研究

某型减速器安全轴强度研究

林能铨 ,莫皓翔 ,张达

（中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002）

摘  要：某安全轴为减速器传动零部件中的重要零件。针对该安全轴的结构特点，本文通过有限元分析软件ANSYS对安全轴进行强度校核，运用两种不同手册介绍的计算扭断力矩方法计算其扭断力矩，并通过试验对计算结果进行验证。对于该类零件的强度分析、扭断力矩计算，提供了一种更准确的方式。

关键词：安全轴 强度 有限元分析 扭断力矩

Strength Analysis and Research on aninsurance shaftof a Reduction

Lin nengquan  Mo haoxiang  Zhang da

（AECC Hunan Aviation Powerplant Research Institute， Zhuzhou ，HuNan 412002）

Abstract：Insurance shaft is an important part of the transmission system. According to the structure properties of the insurance shaft, statics analysis have been studied based on ANSYS analysis in this paper. The breakaway torque is calculated by the methods of breakaway torque calculation introduced by two different manuals, and the calculation results are verified by tests.it provides a more accurate method for strength analysis and the breakaway torque calculation of this kind of parts .

Key words：insurance shaft； strength；finite element analysis；breakaway torque

某减速器传动链上设有安全轴，其功能是将起动机扭矩通过花键联接传递给发动机，实现工作扭矩的传递。在传递扭矩的同时，安全轴具有保护功能，其作用为在工作异常扭矩过大时主动断裂以保护起动机本体和主发动机，以确保传动链上其他件的安全。因此，安全轴的强度需满足正常的扭矩传递；还需要扭矩过大时，安全轴能实现主动断裂以保护起动机本体和主发动机的功能。

本文主要通过有限元分析的方法、扭断力矩的计算，研究该安全轴的强度及其扭断力矩。通过理论计算结果与试验结果比较分析，为该类零件的强度分析提供一个参考思路。

1. 安全轴介绍

安全轴（见图1）结构为前后端皆为花键，中间为圆柱段的小短轴，花键端负责工作扭矩的输入和输出，圆柱段为承扭段，负责工作扭矩的传递。在圆柱段设计了承剪段，当减速器工作发生异常状况，导致扭矩过大时，承剪段将在大扭矩下发生扭断，用于保护减速器本体。安全轴材料为40CrNiMoA（其材料性能数据取自《中国航空材料手册》[1]）。

图1安全轴模型

2. 静强度校核
   1. 几何模型

本文以某型安全轴为研究对象，安全轴只承受扭矩的作用，采用ANSYS进行有限元前、后处理及线弹性有限元分析。

2.2网格划分

对安全轴花键部分进行简化，简化后有限元计算模型见图2。采用十节点四面体单元对安全轴模型进行网格划分，共划分有1543343个单元，2327197个节点，有限元网格模型见图3。

图2有限元计算模型

图3有限元网格模型

2.3边界条件及载荷设置

约束所有节点的周向位移所有节点的轴向位移。温度载荷以均温的形式施加在计算模型上；扭矩以MPC（RBE3）的形式施加在图3所示的C面上。

表1 计算工况及载荷

安全轴在各工况下有限元计算结果见表2，应力分布云图见图4~图7。

表2 应力计算结果

图4 工况1应力云图

图5工况2应力云图

图6工况3应力云图

图7工况4应力云图

(1)

——扭矩, N.mm；

——承受扭矩截面面积, mm3

根据公式（1）及安全轴的结构特点，安全轴承剪段所在截面直径最小，其截面面积因此最小，在载承受同样扭矩情况下其承受的剪切应力最大。ANSYS有限元分析结果中4个工况的应力云图最大应力区也皆分布于承剪区域，符合其结构及受力特点。因此安全轴的承剪段的强度裕度关系到安全轴能否满足正常工作需求。

2.4结果分析

根据《航空燃气涡轮发动机主轴静强度设计规范》

[2]，屈服强度储备系数和极限强度储备系数须满足以下要求：

a）限制载荷状态

屈服强度储备系数：

(2)

（按传统常规方法计算KS≥1.5；按有限元方法计算：KS≥1.0）

极限强度储备系数：

      (3)

b）极限载荷状态

极限强度储备系数：

        (4)

式中：

——最大当量应力，MPa；

——屈服强度，MPa；

——极限拉伸强度，MPa。

根据上述校核标准，对安全轴进行了校核，校核结果见表3。

表3 强度校核结果

通过表3强度校核的计算结果，表明安全轴的强度可满足正常的工作扭矩传递，并且屈服强度和极限强度皆有足够的裕度。

3. 扭断载荷计算

《中国航空材料手册》及《航空发动机设计手册》[3]均介绍了轴类的扭断载荷的计算方法，两种计算方法如下：

方法一：采用《中国航空材料手册》中介绍的方法，具体扭断力矩的计算方法如下：

最大剪切应力：

            (5)

式中：

——扭矩, N.mm；

——轴的抗扭截面模量, mm3；

——最大剪切应力，MPa。

当安全轴扭断时，最大当量应力满足：

         (6)

根据以上公式，得出扭断力矩：

            (7)

方法二：采用《航空发动机设计手册》介绍的方法，具体扭断力矩的计算方法如下：

轴的破坏扭矩计算式为：

  (8)

式中：

—— 轴的破坏扭矩，N.mm；

——轴的抗扭截面模量, mm3；

—— 相应于计算状态温度T和工作时间t的材料持久强度极限，本文取极限强度，MPa；

——断面收缩率，%；

——折算系数

，        (9)

d——内径，D——外径。

根据以上介绍的扭断力矩的计算方法，对安全轴的扭断力矩进行计算，计算截面见图1，计算结果见表4。

表4 扭断力矩计算结果

4. 试验验证

为考核安全轴的强度，及验证哪种扭矩计算方法更适合本文的安全轴扭断力矩的计算，采用图8所示的试验方案进行试验验证。

试验方案：采用旋转液压作动器作为试验载荷执行机构，在安全轴的输出端花键进行固定，安全轴的输入端花键进行纯扭矩的加载。

为避免单个试验件扭断试验结果的偶然性，共选取了7个不同批次的安全轴进行试验；安全轴的扭断力矩区间如表5所示，扭断力矩为600～660N.m。试验的扭断力矩更接近于方法二计算出来的结果,但是具有一定的偏差，这种计算和试验力矩的偏差，可以考虑为所采用的材料数据为典型拉伸性能数据，且试验件材料有分散性的影响。

图8 试验安装局部剖视图

表5 扭断试验结果

通过对安全轴进行扭断试验表明，安全轴的强度完全可满足正常的扭矩传递功能，符合前文的强度校核计算结果；扭断力矩区间为600～660N.m，也满足设计的扭矩过大时，主动断裂的设计意图。

5. 结论

（1）采用有限元分析软件ANSYS的强度校核表明，安全轴具有足够的强度裕度满足正常工作，于试验结果吻合。

（2）对于该类的轴采用《航空发动机设计手册》介绍的扭断载荷计算方法计算得到的扭断力矩更为接近试验结果。

（3）对于更为精确的扭断力矩计算，应考虑采用所分析对象的实际材料性能数据。

参考文献

[1] 《中国航空材料手册》编辑委员会. 中国航空材料手册 第1卷 结构钢 不锈钢. 北京：中国标准出版社，2002年

[2] 欧园霞，航空燃气涡轮发动机主轴静强度设计规范,2004

[3] 《航空发动机设计手册》总编委会编.航空发动机设计手册 第18册 叶片轮盘及主轴强度分析.北京：航空工业出版社,2001年