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變速器試驗(yàn)臺(tái)架剪切銷過載保護(hù)裝置通過2個(gè)剪切銷連接2 塊法蘭，使電機(jī)的輸出和變速器的輸入連接起來，以傳遞扭矩，其連接如圖1所示。剪切銷既要保證不會(huì)在正常工況條件下被剪斷，又要保證在非正常過載的情況下及時(shí)地被剪斷，以保護(hù)昂貴的設(shè)備，比如電機(jī)、扭矩儀等。
在安裝調(diào)試臺(tái)架時(shí)已調(diào)整2塊法蘭之間的同軸度誤差小于0.03 mm，所以由此造成的彎矩可以忽略不計(jì)，因此，剪切銷頸部只承受純剪切力作用。
但在臺(tái)架運(yùn)行過程中，設(shè)備商提供的剪切銷經(jīng)常出現(xiàn)非正常斷裂的情況，見圖2，使得設(shè)備利用率大大降低，而且對試驗(yàn)樣品造成不可預(yù)測的損傷。因此，文中利用有限元分析軟件ABAQUS對剪切銷頸部應(yīng)力進(jìn)行了分析計(jì)算，并提出改進(jìn)建議。
當(dāng)前國內(nèi)變速器疲勞試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)多為穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)。在進(jìn)行某變速器試驗(yàn)時(shí)，額定扭矩為400 N.m，輸入轉(zhuǎn)速為1800 r/min，但剪切銷在試驗(yàn)進(jìn)行至577、649、1322 min時(shí)分別出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，而變速器未出現(xiàn)斷齒或異常現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了試驗(yàn)樣品和試驗(yàn)進(jìn)度。因此，很有必要對剪切銷進(jìn)行分析。
試驗(yàn)臺(tái)架在當(dāng)前扭矩條件下采用頸部尺寸為6.5 mm的剪切銷，其對應(yīng)設(shè)計(jì)過載扭矩為650 N.m，剪切銷尺寸見圖3。
在建模時(shí)，用兩個(gè)圓盤模擬剪切銷結(jié)構(gòu)左端法蘭和右端法蘭；施加載荷時(shí)，將左端固定，在右端中心點(diǎn)施加理論設(shè)計(jì)扭矩650 N.m，法蘭與剪切銷之間建立接觸關(guān)系。整個(gè)模型網(wǎng)格如圖4所示。
應(yīng)用材料為45鋼，彈性模量 E=209 GPa，泊松比μ=0.269。為了較真實(shí)地模擬實(shí)際材料的彈塑性，有限元計(jì)算中采用材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖5所示。
由于剪切銷使用要求的特殊性，其強(qiáng)度必須保持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，既要滿足正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)傳遞扭矩，又要滿足突發(fā)載荷時(shí)快速斷裂，以保護(hù)臺(tái)架等昂貴設(shè)備。因此對于判定準(zhǔn)則有比較苛刻的要求，要求盡量與真實(shí)情況一致。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：von Mises屈服條件比 Tresca屈服條件大多數(shù)情況下更接近材料的真實(shí)屈服情況。故文中在有限元計(jì)算中的屈服條件也以von Mises屈服條件為準(zhǔn)。
圖6是剪切銷頸部尺寸為6.5 mm 應(yīng)力分布圖，可以看出最大主應(yīng)力為648.1 MPa，大于材料的許用屈服極限550. 1MPa，因此，剪切銷出現(xiàn)早期屈服斷裂，這也與試驗(yàn)結(jié)果相符。調(diào)整剪切銷頸部外徑尺寸，重新進(jìn)行核算，確定頸部安全尺寸為6.86 mm時(shí)，剪切銷頸部最大主應(yīng)力為524.9 MPa，應(yīng)力分布如圖7所示，小于材料的許用屈服極限550.1 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。
根據(jù)有限元分析計(jì)算結(jié)果，試制了一批剪切銷，頸部尺寸為6.86 mm，成對安裝于臺(tái)架剪切銷結(jié)構(gòu)，逐步提高試驗(yàn)扭矩，通過數(shù)據(jù)箱采集系統(tǒng)采集扭矩傳感器測量出的剪切銷瞬間斷裂扭矩，記錄在表2中。
從表2中的10組試驗(yàn)結(jié)果可以看出：切斷扭矩最大為671 N.m，最小的為617 N.m，都大于變速器額定扭矩1.5倍，小于其1.75倍，而且都在理論設(shè)計(jì)扭矩附近，可以滿足試驗(yàn)應(yīng)用。
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