汽车传动轴系应力应变测试方法分析

李静

摘 要：随着社会经济的发展，汽车行业也朝着高功率、高扭矩的方向发展。当汽车驱动轴系承受扭矩波动后，就会引起汽车驱动轴系的扭剪应力应变。这些都会严重影响汽车的行驶安全。简要分析了汽车驱动轴系应力应变测试方法，旨在为提高汽车行驶的安全性提供参考依据。

关键词：汽车传动轴系；应力应变；测试方法；行驶安全

中图分类号：U467.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.106

随着经济的发展和人们生活水平的提高，汽车成为了人们生活中必不可少的交通工具，人们对汽车功率和速度的要求也在不断提高。汽油机的应用使得汽车驱动轴系的受力情况变得越来越复杂，进而影响汽车的行驶安全。

1 应变片电测法

应变片电测法主要是利用电阻应变计完成对汽车驱动轴系应变的测量，之后根据应变与应力的关系确定汽车驱动轴系表面的应力状态。在测量过程中，可将电阻应变片粘贴在汽车传动轴系的被测点表面，一旦汽车驱动轴系的相关零件在荷载作用下发生应变，电阻应变片的电阻值就会发生变化。这时，就可以计算出汽车传驱动系被测点的应力应变情况。

应变片电测法具有灵敏度高、精度高、尺寸小等特点，但是，应变片的测量原理也决定了其固有的缺陷。具体包括以下2点：①应变片电测法属于一种接触式测量方法，它只能测量汽车驱动轴系表面的应变，不能测量其内部结构应变；②应变片电测法是一种电测量方法，需要使用带有导线的测量回路，因此，在利用应变片测试汽车驱动轴系应力应变时，要采取特殊的增强系统措施抵御电磁的干扰。

2 光弹性法

光弹性法主要是利用双折射效应测试其应力应变情况。当非晶体材料受到荷载作用时，会像晶体一样产生光学各向异性，从而发生双折射现象。但是，采用这种方法时，一旦去掉荷载，双折射现象就会消失。因此，可以将具有双折射效应的透明塑料按照一定比例制成汽车驱动轴系模型，或者直接在汽车驱动轴系上进行光贴片处理，之后再将模型或汽车传动轴系置于偏振光场中。如果此时施加一定的荷载，就会产生干涉条纹。施加的荷载越大，产生的干涉条纹就越多。通过对条纹的观测可以定性分析汽车驱动轴系模型的应力应变情况。光弹性法是一种光学测量方法，它可以测量汽车驱动轴系的内部应力应变，也可以直观地反应汽车驱动轴系的应力集中现象，进而确定应力部位和应力集中系数。但是，光弹性法测量的周期比较长，在测量汽车驱动轴系应力应变的情况时，需要制作3D光弹性模型。这个模型的制作工艺十分复杂，而且光弹性法的光学系统也较为复杂。

3 视觉测量法

视觉测量法是以2D计算机图像处理技术为基础，它主要运用2台高分辨率的摄像机、1台计算机、1个照明装置和一组图像分析软件完成测量工作。视觉测量法的优点是：①测试量程较大，成像精度能够达到亚像素级。因此，使用它可以测量0.01%级别的微小应变，同时，也可以测试100%甚至高于100%的应变。②视觉测量法属于一种光学测量，其测试结构相对简单，能够移动，而且方便测试。③运用视觉测量法能够测试汽车驱动轴系3D空间区域的力学特性。

视觉测量法也有一定的缺点：①影响测试精度的因素比较多。②因为测量是在摄像机的视场范围内进行的，而汽车驱动轴系的体积较大，摄像机的视场范围也较大，所以，图像分辨率较低，会影响汽车驱动轴系应力应变的测试精度。

4 测齿法

测齿法是当前使用最广泛的汽车驱动轴系应力应变测试方法。其测量装置主要是由传感器、信号齿轮、旋转轴、后续信号采集和处理环节组成的。信号齿轮是装在汽车驱动轴系的轴上，当被测汽车传动轴系旋转，信号齿轮在传感器上就会感应出信号，之后数字电路就会将信号整形成矩形脉冲信号。如果汽车传动轴系不受外力的作用，则会匀速转动，不会发生变形，两齿间距历经传感器的时间也相等，因此，输出的信号波形脉冲为齿形；如果汽车驱动轴系受到外力的作用而发生变形，就会导致轴系齿轮的周向线速度不等。两齿轮通过传感器的时间不等，传感器产生的信号波形脉冲为不均匀齿形，而不均匀的齿形脉冲中则包括汽车驱动轴系的扭转信息。之后利用晶振高频计算相邻齿轮之间的间隔脉冲，从而得到相邻齿轮脉冲的间隔时间，这也是传感器扫过2个相邻齿轮的间隔时间。利用这个时间能够计算出相邻齿轮脉冲间隔的角速度，之后再处理后续信号，以得到汽车驱动轴系的扭转变形信号，最终完成对汽车驱动轴系应力应变的测试。

在传动轴两端各安装1个60个齿的测量齿盘，并且要用轴承支撑，确保其刚性。驱动轴材料为45号钢，平均直径为70 mm，长度为820 mm，剪切模量为80 GPa。对此驱动轴进行应力应变测试时，测试条件为无负载、怠速，发动机转速为800 r/min，测试内容为驱动轴扭剪应力和扭矩的时域波形。

分析、计算2个齿盘的脉冲周期，可以得到驱动轴系的平均转速为84.215 r/min。由其扭转应力波形、扭转应变波形和扭矩波形可知，此传驱动系的应力在4.45～4.80 MPa内波动，而驱动轴系扭矩则在98～106 Nm之间波动。从频谱图中可以看出，驱动轴系的扭剪应力应变和扭矩信号的峰值在1.4 Hz、5.6 Hz、9.8 Hz和15.4 Hz处。

测齿法之所以被广泛应用，不仅因为它的测量装置价格较低，还因为它适用于汽车驱动轴系应力应变测量。这种方法的转速测量范围比较广，而且其可靠性和精度也比较高。

参考文献

[1]陈学文，王博，金春光.传动轴多工位锻造过程数值模拟及工艺优化[J].锻压技术，2013（04）：6-10.

[2]张克鹏，邵林，邓超，等.重型卡车传动轴强度仿真与试验分析[J].汽车工程师，2013（07）：29-32，49.

〔编辑：白洁〕