3章 车轴材料(4周)
基于损伤力学的车轴材料疲劳裂纹扩展的数值分析
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第３卷 第 １ ２ 期
２０ 年 ２月 ０８
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Ｖｏ ． ｊ３２ ＮＯ． １ Ｆｅ ｂ．２ ８ ００
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文 章编 号 ：６ ３０ ９ （０ ８０ —１７０ １７ ．２ １２ ０ ） １ ２—４ ０
基 于损伤 力 学 的 车轴 材 料 疲 劳 裂 纹 扩展 的 数 值 分 析
周素 霞 ， 广雪 ， 云叶 ， 楠 杨 谢 肖
（ 京交 通大学 机械与 电子控 制工 程学 院 ， 北 北京 １０ ４ ） ０ ０４
摘
要： 目前 ， 高速 动 车组 车轴 的疲 劳试验 数据 比较 少 ． 了保证 列 车 的安全 运行 ， 文在 车轴 的疲 为 本
劳 强度研 究 中 ， 用损伤 力 学方 法 ， 损伤 场 已知 的情 况下 ， 先进 行 了构件 应 力场 、 移 场和应 变 运 在 首 位 场的 分析 ； 应 力场 已知 的情 况 下 ， 行 了损伤 场 的 分析 与 裂纹 扩展 寿命 的预 估 ， 给 出 了具 体 的 在 进 并
分析步骤 ． 根据裂纹形成阶段的试验数据 ， 将裂纹形成和裂纹扩展两个过程有机结合在一起 ， 大大
Ｉ ｒ ｅ ｏ ｉ ｓ ｒ ｈ ａｅ ｙ ｏ ｇ ｐ ｅ ｒ ｉ ，ｄ ｍａ ｅ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｔ ｄ ｉ ｍｐ ｏ ｅ ｏ ａ ａｙ ｅ ｔ ｅ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｎ ｕ ｅ ｔ ｅ ｓ ｆ ｔ ｆｈｉ ｈ ｓ ｅ ｄ ｔａｎｓ ａ ｇ ｃ ａ ｉｓｍｅ ｈｏ ｓｅ ｌ ｙ ｄ ｔ ｎ ｌ ｚ ｈ ｆｔｇ ｅｂｅ ｖ ｏ ｆｔ ｅ ａ ｌｓ ａ ｉ ｕ ｈａ ｉ ｒｏ ｈ ｘｅ ．Ｆｉｓ ｌ ｒｔｙ，ｔ ｅ ｓ ｒ ｓ ｉｌ ｈ ｔｅ ｓｆｅｄ，ｔ ｅ ｄ ｓ ｌｃ ｍｅ ｅｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｓｒ ｉ ｉｌ ｆｔ ｈ ｉｐａ ｅ ｎｔｆ ｌ ｎ ｈ ｔａｎ ｆｅｄ ｏ ｈｅ ｉ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｒ ｎ ｙ ｅ ｔ ｔ ｅ ｇｉｅ ｍａ ｅ ｆ ｌ ｏ ｏ ｅ ｔａ ｅ ａ ａ ｚ ｄ ａ ｈ ｖ ｎ ｄａ ｇ ｅ ｄ．Ｓ ｃ ｎ ｌ ｌ ｉ ｅ ｏ ｄ ｙ，ｕ ｅ ｈｅ ｇｖ ｎ ｓｒ ｓ ｉｌ ｎｄ ｒｔ ｉｅ ｔｅ ｓｆｅ ｄ，ｔ ｅ ｄａ ｇ ｈ ｍａ ｅ ｆｅ ｄ ａ ｅ ｉ ｅ ｔｇ ｔ ｄ ａ ｄ ｔ ｅｃ ａ ｋ ｐｒ ｐ ｇ ｔｏ ｉ ｒ ｓ ｉ ｔ ｄ． ｃ ｄｉ ｏ ｔ ｅｅ ｐ ｒｍｅ ａ ｔ ｔ ｉｌ ｒ ｎｖ ｓｉ ａ ｅ ｎ ｈ ｒ ｃ ｏ ａ ａ ｉ ｎ ｌ ｅ ａ ｅ ｅ ｔｍａｅ Ａｃ ｏｒ ｎｇ ｔ ｈ ｘ ｅ ｉ ｎｔ ｄａ ａａ ｆ ｌ ｔ ｅ ｓ ａ ｅ ｏ ｒ ｃ ｎｉｉｔｎ ｈ ｔ ｇ ｆｃ ａ ｋ ｉ ｔａ ｉ ｇ，ｔ ｅ ｔ ｔ ｇ ｓｃ ａ ｋ ｉ ｔａ ｉ ｎ ｒ ｃ ｒ ｐ ｇ ｔｏ ｒ ｌｓ ｌ ｓ ｏ ｉｔ ｄ ｈ ｗｏ ｓ ａ ｅ ｒ ｃ ｎｉｉｔｎｇ ａ ｄ ｃ ａ ｋ ｐ ｏ ａ ａ ｉｎ ａ ｅｃｏ ｅｙ ａ ｓ ｃａ ｅ ｗｉｈ ｅ ｃ ｔ ｅ ．Ｔｈｅ ｅ ｏ ｅ， ｉ ｉ ｌ ｗａ ｌ ｏ ｒ ｄｕ ｅ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ．Ａｔｔ ｅ ｅ ｄ，ｔ ｅ ｆ ａ ｉ ｉ ｔ ｆ ｔ ａ ｈ ｏ ｈ ｒ ｒｆ ｒ ｔ ｓ ａｌ ｏ ｂｅ ｔ ｅ ｃ ｈ ｘ ｅ ｉ ｎｓ ｈ ｎ ｈ ｅ ｂｌ ｙ ｏ ｓ ｉ ｔ ｅ ｍｅ ｈ ｄ Ｗａ ａｉ ａ ｅ ｈｒ ｕ ｈ ｄ ｆｅ ｅ ｔｅｘ ｍｐ ｅ ，ａ ｄ ａ ｎ ｗ ｓｉ ｔ ｔ ｄ ｆ ｒｔ ｅ ａ ｅ ｆｈ ｇ ｈ ｔ ｏ ｓ ｖ ｄ ｔ ｄ ｔ ｏ ｇ ｉｆ ｒ ｎ ａ ｌ ｓ ｎ ｅ ｅ ｔｍａ ｅ ｍｅ ｈｏ ｏ ｈ ｘｌｓｏ ｉ ｈ ｌ ｓ ｅ ｒ ｉ ｓｐｒ ｐ ｓ ｄ． ｅ ｐ ｄ ｔａｎｓｉ ｏ ｏ ｅ Ｋｅ ｒ ｓ： ａｌ ｙ ｒ ｎｓ ｏ ｔ ｔｏ ｙ ｗｏ ｄ ｒ ｉｗａ ｔａ ｐ ｒａ ｉ ｎ； ｒ ｉ ｙ ａ ｌｓ ｄ ｍａ ｅ ｍｅ ｈａ ｉｓ ｃ ａ ｋ ｒ ｐ ｇａ ｉｎ； ｎ ｍｅ ｉａ ａｌ ｗａ ｘ ｅ ； ａ ｇ ｃ ｎｃ ； ｒ ｃ ｐ ｏ ａ ｔｏ ｕ ｒｃ ｌ ａ ｌｙ ｉ ｎａ ｓｓ
铁路轮规第三章轮轴新组装课件
第三章轮轴新组装1.基本作业条件1.1基本工序1.1.1车轴加工主要包括车轴超声波穿透探伤、车轴轴端三孔加工、车轴半精车、车轴精车、车轴成型磨削加工、车轴轮座磨削加工、车轴荧光磁粉探伤、车轴检测。
1.1.2车轮加工主要包括车轮轮毂孔加工、检测。
1.1.3轮对组装主要包括车轴、车轮选配、复测，轮对自动压装，轮对尺寸检测，轮对检查。
1.1.4轴承压装主要包括轴颈、防尘板座擦拭，轴颈、防尘板座、轴承、后挡检测，轴承与轴颈、后挡与防尘板座选配，轴颈、防尘板座涂脂，轴承压装，刻打标志板，轴承附件组装组装轴承前盖等附件，轴向游隙检测，轴承磨合测试，轮轴检查交验。
1.2主要工装设备超声波探伤仪、轴端三孔加工设备、数控车轴车床、车轴成型磨床、车轴外圆磨床、荧光磁粉车轴探伤机、数控立式车床或数控立式镗床、轮对自动压装机或轮对自动组装单元（含专用样板轮对）、轴端标记刻打机、微控轴承压装机、标志板刻打机、轴端螺栓智能力矩扳机、轴承磨合机等。
1.3主要检测器具车轴全长及轴肩距测量尺、车轴圆弧检查样板、轴端螺栓孔塞规、轴端三孔位置度量规、游标深度尺（深度游标卡尺）、粗糙度测量仪(含圆弧)、粗糙度对比样块、内径千分尺（表）、标准样环、轮对内侧距检测尺、轮位差测量尺、车轮检查器、轮径尺、车轮踏面形状检查样板、轮对偏心测量器、外径千分尺、轴承轴向游隙检测仪、力矩扳手等。
2.车轴2.1车轴技术状态检查2.1.1半精加工车轴外表面无残留氧化黑皮，无可见裂纹，无影响后续加工的锈蚀，轴身部位涂刷均匀厚度的醇酸清漆。
2.1.2半精加工车轴不应存在精加工时不能消除的刀痕和损伤。
（TB2945-1999）2.1.3车轴中心孔、螺栓孔加工后须逐个检查，符合图样要求。
2.1.4车轴轴身、轮座与轴身过渡部分的圆弧半径须符合图样要求，表面粗糙度须达到Ra3.2μm。
2.1.5 车轴组装加工前须对车轴施行全轴超声波穿透探伤检查。
2.2车轴加工技术要求2.2.1 轴端螺栓孔检测加工2.2.1.1轴端螺栓孔加工后，轴端螺栓孔须用螺纹塞规进行检查。
高速动车车轴的材料选择与应用
高速动车车轴的材料选择与应用一、引言高速动车是现代交通运输的重要组成部分，具有运载能力大、速度快、安全性高等特点。
车轴作为高速动车的重要组成部分之一，其材料选择与应用对车辆的性能和安全性有着重要影响。
本文将围绕高速动车车轴的材料选择与应用，进行详细的分析和探讨。
二、车轴材料的选择1. 强度和韧性要求高速动车在运行过程中需要承受较大的轴载荷和冲击载荷，车轴材料需要具备足够的强度和韧性以确保安全性。
常用的车轴材料有钢、铸铁和铜合金等。
钢具有较高的强度和韧性，适用于大部分高速动车。
铸铁相对于钢而言强度较低，仅适用于一些低速列车。
铜合金具有良好的强度和韧性，但造价较高，通常仅用于特殊要求的高速动车。
2. 轴重和轴径要求车轴的重量和直径对整个车辆的性能和稳定性有着直接影响。
车轴材料需要具备足够的轴重和轴径以满足运输需求。
钢材具有较高的轴重和轴径，适用于大部分高速动车。
铸铁相对于钢而言轴重较小，只适用于一些轻负载的车辆。
铜合金轴重适中，但造价较高。
3. 耐疲劳性要求高速动车的车轴在运行过程中会持续接受载荷的作用，经历频繁的应力循环，因此需要具备较高的耐疲劳性。
钢材具有良好的耐疲劳性能，适用于大部分高速动车。
铸铁相对于钢而言耐疲劳性稍差，只适用于一些低速列车。
铜合金具有良好的耐疲劳性能，但造价较高。
4. 制造和维护要求车轴的制造和维护要求对整个运输系统而言非常重要。
钢材制造成本较低，制造工艺成熟，容易维护。
铸铁制造成本较低，但制造工艺较复杂，维护相对困难。
铜合金制造成本较高，制造工艺复杂，维护也较为困难。
三、车轴材料的应用1. 高速铁路高速铁路属于高速动车的范畴，车轴材料的选择与应用需要符合高速铁路的要求。
在高速铁路中，钢材是最常用的车轴材料，由于其强度高、韧性好、耐疲劳性能好，能够满足高速铁路的运输要求。
2. 列车制动系统列车制动是高速动车的重要功能之一，对车轴材料的性能提出了更高的要求。
钢材因其高强度、好韧性和良好的疲劳性能，广泛应用于列车制动系统。
高速动车组车轴的制造工艺与材料选择探讨
高速动车组车轴的制造工艺与材料选择探讨随着高铁的快速发展，高速动车组成为人们出行的重要工具。
而车轴作为高速动车组的核心零部件之一，其质量和可靠性对列车运行的安全和舒适度有着重要影响。
因此，对于高速动车组车轴的制造工艺和材料选择进行深入探讨，具有重要意义。
1. 车轴的制造工艺1.1 钢材选用车轴所采用的材料应具备较高的强度、韧性和耐疲劳性能。
目前常用的材料包括轴承钢、中碳合金结构钢和铸钢等。
根据使用要求，合理选择材料可以提高车轴的使用寿命和安全性能。
1.2 热处理工艺经过锻造和机械加工后，车轴需要进行适当的热处理，以提高其综合性能。
热处理工艺主要包括淬火、回火和表面强化等。
通过调整热处理参数，可以改善车轴的硬度、韧性和抗疲劳性能，提高其耐久性。
1.3 高精度加工车轴作为高速旋转零部件，对尺寸精度和表面质量要求较高。
采用现代数控加工和磨削技术，可以实现车轴的高精度加工，确保轴承座的连接精度和轴的平衡性。
2. 车轴材料的选择2.1 轴承钢轴承钢具有较好的强度、硬度和耐磨性能，适用于高速动车组的车轴制造。
常见的轴承钢有GCr15和GCr18Mo等，其优点是材料性能稳定，适应性广泛。
2.2 中碳合金结构钢中碳合金结构钢具有较高的强度和耐疲劳性能，适用于承受较大载荷的场合。
通过调整合金元素的含量和热处理工艺，可以提高其材料性能和使用寿命。
2.3 铸钢铸钢具有良好的浇铸性能和机械性能，适用于生产大型、复杂形状的车轴。
目前，采用铸造加工制造车轴的技术已逐渐成熟，能够满足高速动车组对车轴质量和性能的需求。
3. 车轴制造工艺的改进与创新随着科技的不断进步，高速动车组的车轴制造工艺也在不断改进与创新。
3.1 先进的锻造技术采用先进的锻造技术，如数控锻造和精密锻造，可以实现车轴形状的精确控制和机械性能的提高。
通过提高锻造精度和材料利用率，可以减少车轴的加工量，并提高生产效率。
3.2 全自动化生产线引入全自动化生产线，可以实现车轴的批量生产和质量的稳定性。
轴的常用材料及主要力学性能
轴常用材料及主要力学性能转轴：支承传动机件又传递转矩，既同时承受弯矩和扭矩的作用。
心轴：只支承旋转机件而不传递转矩，既承受弯矩作用。
(转动心轴：工作时转动；固定心轴：工作时轴不转动)；传动轴：主要传递转矩，既主要承受扭矩，不承受或承受较小的弯矩。
花键轴、空心轴：为保持尺寸稳定性和减少热处理变形可选用铬钢；轴常用材料是优质碳素结构钢，如35、45和50，其中45号钢最为常用。
不太重要及受载较小的轴可用Q235、Q275等普通碳素结构钢；受力较大，轴尺寸受限制，可用合金结构钢。
受载荷大的轴一般用调质钢。
调质钢调质处理后得到的是索氏体组织，它比正火或退火所得到的铁素体混合组织，具有更好的综合力学性能，有更高的强度，较高的冲击韧度，较低的脆性转变温度和较高的疲劳强度。
调质钢：35、45、40Cr、45Mn2、40MnB、35CrMo、30CrMnSi、40CrNiMo；大截面非常重要的轴可选用铬镍钢；高温或腐蚀条件下工作的轴可选用耐热钢或不锈钢；在一般工作温度下，合金结构钢的弹性模量与碳素结构钢相近，为了提高轴的刚度而选用合金结构钢是不合适的。
轴的强度计算轴的强度计算一般可分为三种：1：按扭转强度或刚度计算；2：按弯扭合成强度计算；3：精确强度校核计算1：按扭转强度或刚度计算P2.许用扭转角的选用，应按实际而定。
参考的范围如下：要求精密，稳定的传动，取￠P=0.25～0.5(°)/m 一般传动，取￠P=0. 5～1 (°)/m；要求不高的传动，可取￠P大于1 (°)/m；起重机传动轴￠P=15´～20´/m；注：1. 表中P 值是考虑了弯曲影响而降低了的许用扭转剪应力。
2. 在下列情况下τP 取较大值、A 取较小值：弯矩较小或只受扭矩作用、载荷较平稳、无轴向载荷或只有较小的轴向载荷、减速器的低速轴、轴单向旋转。
反之，τP 取较小值，A 取较大值。
3. 在计算减速器的中间轴的危险截面处(安装小齿轮处)的直径时，若轴的材料为45号钢：取A=130 ～165。
车轴知识
车轴知识车轴是机车车辆承受动载荷的关键零件，受力状态复杂，它主要承受弯曲载荷、扭转载荷或弯扭复合载荷，并可能受到一定冲击。
所以，轴在工作中可因疲劳、弯曲、扭转或拉伸应力而断裂，但疲劳断裂是轴的普遍断裂形式。
因此，对车轴钢材而言，主要是保证其良好的强度，特别是弯扭复合疲劳强度及韧性。
为了防止其轴颈部位的迅速磨损，还应具备一定的表面硬度。
车轴的强度、韧性等性能要求须通过车轴钢材成分和热处理两方面来保证，与此同时，对钢材的冶金质量、淬透性要求等还须提出附加要求。
以下仅就高速铁路用车轴材质的优化选择加以论述。
车轴钢材成分车轴钢材成分对性能的保证包括两方面涵义，一方面指合金化问题，另方面指含碳量高低的选择。
车轴钢材的含碳量“碳”是钢中必不可少的元素，也是影响钢材性能的重要元素。
然而加碳虽然强化作用很高，但却显著降低韧性。
轴类零件一般选择中碳钢。
为了提高铁路行车安全性，应降低车轴钢的含碳量，在降碳的同时，可通过微合金化及热处理来提高车轴强度。
40～45钢车轴使用历史悠久，是国际上使用较多的钢种。
由于其强度偏低，耐磨性差，疲劳裂纹萌生门槛值较低，使用寿命较短。
但40～45钢韧脆转变温度低，加工性能好，成本低，如果能采用先进的冶炼、锻造技术和热处理工艺，在保持韧性前提下提高强度，其裂纹率很可能有所下降，使用寿命将会相对延长。
长期以来，我国的机车车辆均采用优质碳素钢车轴，国外由于各国的国情不同，技术观点不同，选用的车轴材料不尽相同。
依据各国车轴标准不同，车轴材料一般分为两大类，即碳素钢车轴及合金钢车轴。
但都属于低碳钢范畴。
碳素钢车轴钢材的含碳量一般选择0.30～0.45%，加入合金元素，可适当降碳。
车轴钢材的合金元素依据车轴钢材的使用性能，要求车轴钢具有较高的强度和韧性，即良好的综合性能。
因此，车轴钢合金化的目的就是添加合金元素达到强韧化目的。
钢材的韧化，意味着不发生脆化。
依据一般的强化机构，除细晶强化外，一般均会发生脆化，即脆性转变温度上升的同时，韧性破断的冲击值和断裂韧性值下降。
第3章 汽车零部件载荷及强度计算方法
式中：θ1、θ2、θ3、θ4、θ5－相应圆盘的扭转角位 移。
如中央制动器的转动惯量为ＪＣ，其当量转动惯量 为Ｊ 2 C e J C 2 2 2
2 2 J 2C J C ( ) e 同理，从主减速器从动件到车轮零部件，如车 轮，其转动惯量为 Jω ，当主传动比为 io 时，其当量转 动惯量为： J
①图中，分别画出了第一、二、三、四固有频率 的振型图，在图a中，有一振幅为零的点，称为节点， b 、c 、d图的振型中，节点数逐个增多。
②理论分析表明：第一固有频率对应单节点振 型，第二固有频率对应双节点振型，依此类推，第j固 有频率对应节点数为j的振型。 ③在θm=1情况下，即发动机扭矩相同的条件下， 图形表明了其它轴段变形量的幅值。 二、由传动系激振转矩引起的传动系载荷 发动机气缸内变化的气体压力和曲柄连杆机构往 复运动质量不均匀惯性力形成了周期性变化的激振转 矩，它使传动系产生受迫振动。 1. 发动机气缸对曲轴产生的转矩
对于一般汽车，安全系数的取值标准如下： ①断裂破坏，安全系数取1.8； ②疲劳破坏，安全系数取1.3； ③屈服失效，安全系数取1.3。 同其它机械相比，汽车设计特别强调减轻自重， 所以一般安全系数取值较小，多数是极限设计。 但注意到，对安全密切相关的制动、操纵及车轴 等零件，必需细致地计算其承受的应力，既要减轻重 量；又要保证安全。另外，对容易腐蚀和磨损的零 件，根据不同的情况，安全系数加大15%～30%。
2. 假设 在模型中，假定代表系统各部分转动惯量（Ｊ１、 Ｊ２、Ｊ３、Ｊ４、Ｊ５）的圆盘是绝对刚性的，这些圆 盘之间是由无质量的、扭矩刚度为ＣＴ１、ＣＴ２、ＣＴ ３ 、Ｃ Ｔ４ 的弹性轴连接着，并把一些靠近的彼此之间 相对变形较小的旋转质量加以合并简化，以减少系统 的自由度。
铁道车辆的车轴
铁道车辆的车轴车轴是轮对的主要配件,它除了车轮组成轮对外,两端还要与轴箱油润装置配合，保证车辆安全运行。
按其使用轴承的不同，车轴分为滑动轴承车轴和滚动轴承车轴。
目前,我国铁路货车轮对绝大部分都采用滚动轴承及滚动轴承车轴,但也有极少数车辆还在使用滑动轴承车轴及滑动轴承(一般为重载车辆所使用)。
一、车轴各部名称及功用(一)滚动轴承车轴滚动轴承车轴如图1-2所示。
图1-2 滚动轴承车轴１－中心孔；2－轴端螺栓孔;３－轴颈;4-卸荷槽;5－轴颈后肩；6-防尘挡圈座７－轮座前肩;8－轮座;9-轮座后肩；１０-轴身；11-轴端倒角1.中心孔：加工车轴和组装、加工轮对时机床顶针孔支点,并可以作为校对轴颈、车轮圆度的中心。
2．轴端螺栓孔:安装轴承前盖或压板,防止滚动轴承外移窜出,如图2-2(b)所示。
３.轴颈：安放轴承,承受垂直载荷。
4.卸荷槽:为磨削轴颈时便于砂轮退刀，起退刀槽的作用，可以减少轴承内圈组装后与此处相互间的接触应力,有利于提高此处的疲劳强度，如图２－２（ｃ)所示。
５．轴颈后肩:轴颈与防尘挡圈座间的过渡圆弧,可防止应力集中。
6.防尘挡圈座：安装防尘挡圈并限制滚动轴承后移。
7.轮座前肩：防尘挡圈座与轮座之间的过渡圆弧,可防止应力集中。
8．轮座:固定车轮，是车轴的最大受力部分。
9.轮座后肩：轮座与轴身之间的过渡圆弧，可防止应力集中。
１0．轴身：车轴中间连接部分。
1１.轴端倒角:轴端部设有１:1０的倒角，其作用是在压装滚动轴承时起引导作用。
（二)滑动轴承滑动轴承车轴与滚动轴承车轴各部名称与功用基本相同，所不同的有以下几点：1.增设轴领:主要是防止轴瓦外移。
2.轴颈：安装滑动轴承的轴瓦。
３.没有轴端螺栓孔。
４．没有卸荷槽。
二、货车车轴型号铁道部在新修订的车轴形式尺寸标准(GB１2８14-1991)中，规定我国铁路货车用标准型滚动轴承车轴有四种,即RB2、ＲＣ2、RD2、RE2型滚动轴承车轴；标准滑动轴承车轴中现在还存使用的有四种，即D、E、Ｆ、Ｇ型滑动轴承车轴。
车 轴 材 料 技 术 与 故 障
车轴材料技术与故障一、前言二、车轴材料基础三、车轴材料疲劳性能四、车轴故障分析五、车轴技术展望1、车轴的定义：连接轮对中两车轮，并与车轮一起沿钢轨旋转的部件。
2、车轴材料技术的关键词：车轴；金属材料；交变载荷；疲劳损伤；安全3、车轴主要承受的载荷类型5、车轴承受的应力分布旋转弯曲载荷是车轴在运行中承受的主要载荷形式。
车体的重量通过轴承施加在车轴两端轴颈上，力的方向朝下；而通过车轮施加在车轴轮座的支撑力方向向上，这样，在轴身、轮座、防尘挡板座和轴颈处均形成弯曲载荷。
应力分布为沿轴向的拉压应力。
在轴表面，上部最高点为最大拉应力，沿圆周向下逐步衰减到零，再变成压应力，逐步增加，直到下部最低点为最大压应力。
沿径向深度方向，表面应力最大，中心为零。
由于车轴在运行时不断旋转，轴表面确定位置上发生周期性的拉、压应力，即是一种交变载荷。
扭转载荷在车轴中是第二位的。
主要是在过弯道时(特别是小半径曲线上)产生。
相同的转角，内股道上的车轮走的距离短，而外股道上的车轮走的距离长，因而，在车轴上就产生了扭转力矩，形成扭转载荷。
此外，机车动轴在启动时承受较大的扭转载荷。
扭转载荷产生的最大剪切应力有两个方向：圆周方向和车轴纵向。
同样，在轴表面应力最大，沿径向深度方向递减，到轴中心则衰减为零。
但轴表面各处的应力的绝对值是一样的。
扭转载荷的主应力作用的平面与轴向成45°。
由此可见，铁路机车车辆车轴用钢必需具备的条件：（1）车轴材质需保证车轴具有足够的强度和良好的韧性，即具有良好的综合机械性能；（2）车轴材质需保证车轴具有足够的疲劳强度，保证在所规定的使用条件下的安全性、可靠性和使用寿命。
二、车轴材料基础车轴钢是指专用于生产铁道机车、车辆车轴的钢种。
按用途可分为货车轴用钢和客车轴用钢；按化学成分可分为碳素钢和合金钢车轴，其中货车和普通客车以碳钢为主，高速列车以合金钢为主。
按我国钢种分类标准，目前世界上所采用的货车车轴钢的碳含量均在0.35％～0.57％之间变动，属于中碳优质碳素钢类，高速列车采用低碳合金钢。
40Cr、50车轴钢疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨
40Cr、50车轴钢疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨一、概述随着现代工业技术的飞速发展，机械设备的疲劳失效问题日益凸显，成为制约设备性能提升和服役寿命延长的关键因素。
车轴作为高速运转的机械设备中的重要部件，其疲劳性能直接关系到整个设备的安全性和稳定性。
深入研究车轴钢的疲劳性能及疲劳断裂机理，对于提高车轴的使用寿命、预防疲劳失效以及优化机械设计具有重要的理论和现实意义。
本文选择40Cr和50两种典型的车轴钢作为研究对象，通过系统的实验和理论分析，旨在探究这两种材料的疲劳性能特点以及疲劳断裂的内在机理。
40Cr和50钢作为常用的车轴材料，在铁路、汽车、船舶等工业领域有着广泛的应用。
由于服役环境和使用条件的复杂性，车轴钢在实际应用中往往面临着交变应力、温度变化、腐蚀等多种因素的共同作用，这些因素都可能对车轴钢的疲劳性能产生显著影响。
本文首先通过文献综述，对国内外关于40Cr和50车轴钢疲劳性能的研究现状进行了梳理和评价，指出了当前研究中存在的问题和不足。
在此基础上，结合实验研究和理论分析，深入探讨了40Cr和50车轴钢的疲劳性能特点，包括疲劳强度、疲劳寿命、疲劳裂纹萌生与扩展规律等。
同时，通过断口分析、微观组织观察等手段，揭示了疲劳断裂的微观机理和影响因素，为进一步优化车轴钢的设计和使用提供了理论支撑和实践指导。
通过本文的研究，不仅能够加深对40Cr和50车轴钢疲劳性能的认识，而且可以为相关领域的工程实践和学术研究提供有益的参考和借鉴。
1. 简述车轴钢在交通运输领域的重要性车轴钢作为交通运输领域的关键材料，承担着至关重要的角色。
车轴是连接车轮和车架的核心部件，直接承受着车辆的重量和载重，同时还需应对行驶过程中的各种复杂力。
车轴钢的力学性能，特别是疲劳性能，直接关系到车辆的安全性和可靠性。
在高速列车、重型货车等交通运输工具中，车轴钢的疲劳性能更是至关重要，因为这些车辆在运行过程中会受到反复的应力作用，若车轴钢的疲劳性能不佳，极易引发疲劳断裂，从而导致严重的安全事故。
铁道车辆车轴强度设计方法
铁道车辆车轴强度设计方法铁道车辆车轴强度设计方法是铁路行业中非常重要的一项工作，它直接关系到铁路安全运营和车辆的寿命。
下面将从铁道车辆车轴材料、工艺和设计要素三个方面进行详细阐述。
一、铁道车辆车轴材料车轴是承受列车荷载和传递运动力的主要部件，因此要求材料具有高强度、高韧性和高耐疲劳性能。
目前，铁道车辆车轴材料主要有以下几种。
1、C类钢: C类钢是目前国内常用的车轴材料，它的强度和韧性均达到了较高的水平，但疲劳性能较差。
2、Cr-Mo钢: Cr-Mo钢是一种现代车轴材料，具有较高的强度、硬度和抗疲劳性，但生产工艺复杂、成本高。
3、轴承钢：轴承钢具有高强度、高韧性、高耐疲劳性和良好的加工性能，是一种理想的车轴材料。
二、铁道车辆车轴工艺车轴的强度不仅与材料有关，还与工艺有关。
下面介绍一些车轴的加工和热处理工艺。
1、锻造和热处理: 车轴的制造通常采用锻造工艺，其目的是消除钢材缺陷，提高材料的均匀性，以及增加车轴强度。
热处理是车轴制造的重要工艺，它不仅可以消除车轴内部的应力，还可以使车轴表面硬度提高、疲劳寿命延长。
2、旋压和磨削: 旋压是车轴表面光洁处理的重要工艺，它可以提高车轴的表面硬度和抗磨损能力。
磨削是车轴的最后一个加工工艺，也是最重要的一个工艺，它可以使车轴表面光洁度达到要求，并确保车轴的尺寸精度和几何形状。
三、铁道车辆车轴设计要素1、轴箱结构: 轴箱结构是车轴的重要组成部分，它直接关系到车轴的强度和刚度。
2、车轮轴距: 车轮轴距是指两个轮对之间的距离，车轴距愈大，车轮的负荷愈小，车轴的强度要求就愈低。
3、车轴载荷: 车轴的载荷是指车轴所受到的最大荷载，它直接影响车轴材料和工艺的选择。
4、弯矩和扭矩: 弯矩和扭矩是车轴所受到的主要力，设计时需要考虑它们的大小和作用方向。
总之，铁道车辆车轴的强度设计是一个复杂的系统工程，需要考虑材料、工艺和设计要素等多方面因素，确保车轴具有较高的强度和耐久性，保障铁路交通的安全和稳定运营。
汽车材料教案——第三章第三节1
硬度高，脆性大
铸造性能较好
抗腐蚀性比黄铜更好，但抗酸性差。
无冷脆现象，耐磨性能好
二、铝青铜的性能用途？
1、成分：
铜和铝的合金
2、性能：
塑性好，适于冷加工，而且机械性能好于黄铜。
三、其它特殊青铜？
1、铅青铜
2、锰青铜
3、铬青铜
4、锆青铜
轴承特别是滑动轴承是汽车上不可缺少的重要部件。今天我们来学习滑动轴承的材料。
2、粉末冶金材料
3、压延轴承材料
4、电镀轴承材料
四、轴承合金具备的性能
a)疲劳强度
b)耐磨减摩性
c)耐腐蚀性
d)承载性
五、轴瓦材料必备特性
1、有足够的强度和硬度
2、有足够的塑性和韧性
3、能够保持住润滑油
4、具有良好的磨合能力
5、具有良好的抗蚀性和导热能力
6、容易制造，价格低廉
六、轴承合金分类
锡基轴承合金
2002年9月日
章节
（单元）
第三章有色金属及其合金
课题
第三节滑动轴承合金
课时
2
第1课时
课型
新授
教
学
目
标
认知目标：
1、掌握轴承合金的用途
2、掌握轴承合金的性能、特性
3、掌握轴承合金的分类
能力目标：提高学生理解记忆能力
德育目标：提高学生融会贯通的能力
教学
重点
掌握轴承合金的用途
掌握轴承合金的分类
教学
难点
掌握轴承合金的性能、特性
第三节轴承合金
一、轴承分类
滑动轴承和滚动轴承。
二、承合金的用途
一般用来制造轴瓦、轴套和止推垫片。
中班科学活动教案：神奇的车轴
中班科学活动教案：神奇的车轴一、活动目标：1. 让幼儿通过观察、操作、探索，了解车轴的构造和作用。
2. 培养幼儿的观察力、动手操作能力和问题解决能力。
3. 激发幼儿对科学的兴趣，培养幼儿的合作意识。
二、活动准备：1. 实物车轴：准备几个不同形状、大小的车轴实物，让幼儿观察。
2. 图片：准备一些有关车轴的图片，帮助幼儿加深对车轴的认识。
3. 操作材料：为每个幼儿准备一套车轴模型，包括轮子、车轴等。
4. 记录表格：准备一个记录表格，用于幼儿记录观察到的车轴特点。
三、活动过程：1. 导入：邀请幼儿观察实物车轴，引导幼儿说出车轴的形状、大小等特征。
2. 讲解：向幼儿讲解车轴的构造和作用，让幼儿明白车轴在轮子转动中的重要性。
3. 操作：发给每个幼儿一套车轴模型，引导幼儿动手操作，观察轮子转动时车轴的变化。
4. 记录：让幼儿将观察到的车轴特点记录在记录表格中。
5. 分享：邀请幼儿分享自己的观察成果，引导幼儿相互交流。
四、活动延伸：1. 家园共育：请家长协助，让幼儿在家中观察家长使用的交通工具（如自行车、电动车等）的车轴，并记录下来。
2. 环境创设：在教室环境中布置一个“车轴世界”，让幼儿自由探索、操作，加深对车轴的认识。
五、活动反思：1. 教师要关注幼儿在活动中的表现，及时引导幼儿观察、思考，提高幼儿的参与度。
2. 在活动中，教师要注重培养幼儿的动手操作能力和问题解决能力，引导幼儿相互合作、交流。
3. 针对不同幼儿的发展水平，教师要适当调整教学内容和方法，让每个幼儿都能在活动中得到锻炼和成长。
六、教学重点与难点：重点：让幼儿通过观察、操作，了解车轴的构造和作用。
难点：让幼儿能够理解车轴在轮子转动中的重要性，并能够动手制作简单的车轴模型。
七、活动步骤：1. 导入：邀请幼儿观察实物车轴，引导幼儿说出车轴的形状、大小等特征。
2. 讲解：向幼儿讲解车轴的构造和作用，让幼儿明白车轴在轮子转动中的重要性。
3. 操作：发给每个幼儿一套车轴模型，引导幼儿动手操作，观察轮子转动时车轴的变化。
中班科学活动教案：神奇的车轴
1. 知识与技能：让幼儿了解车轴的形状、作用以及制作材料。
2. 过程与方法：通过观察、操作、实验等方法，培养幼儿的观察能力、动手能力和解决问题的能力。
3. 情感态度与价值观：激发幼儿对科学的兴趣和好奇心，培养幼儿的合作精神。
二、教学重点与难点：重点：让幼儿了解车轴的形状、作用以及制作材料。
难点：让幼儿通过观察、操作、实验等方法，掌握车轴的制作过程。
三、教学准备：1. 物质准备：车轴模型、轮子模型、多种材料（木头、塑料、金属等）。
2. 环境准备：安静、宽敞的活动室。
四、教学过程：1. 导入：邀请幼儿观察车轴模型，引导幼儿说出车轴的形状和作用。
2. 探索：让幼儿分组尝试制作车轴，鼓励幼儿选用不同的材料进行尝试。
4. 总结：引导幼儿总结制作车轴的过程，以及车轴的作用。
五、教学评价：1. 幼儿能正确描述车轴的形状和作用。
2. 幼儿能通过观察、操作、实验等方法，掌握车轴的制作过程。
3. 幼儿在制作车轴的过程中，表现出合作精神和解决问题的能力。
1. 回顾车轴的形状、作用以及制作材料。
2. 学习车轴的制作技巧，如切割、打磨等。
七、教学过程：1. 复习：邀请幼儿描述车轴的形状和作用，引导幼儿回顾制作车轴的过程。
2. 制作：让幼儿分组进行车轴的制作，教师巡回指导，解答幼儿在制作过程中遇到的问题。
八、教学评价：1. 幼儿能熟练描述车轴的形状和作用。
2. 幼儿能独立完成车轴的制作，并掌握一定的制作技巧。
3. 幼儿在制作过程中，能够积极与同伴合作，主动请教教师。
九、教学内容：1. 学习车轴的安装方法，如与轮子的连接方式。
2. 了解车轴在不同材料下的性能表现。
十、教学过程：1. 学习：教师讲解车轴与轮子的连接方法，引导幼儿掌握正确的安装步骤。
2. 实践：让幼儿分组进行车轴与轮子的安装，教师巡回指导。
3. 实验：让幼儿观察车轴在不同材料下的性能表现，探讨影响车轴性能的因素。
教学评价：1. 幼儿能正确安装车轴与轮子，掌握连接方法。
中班科学活动：神奇的车轴
中班科学活动：神奇的车轴（最新版）编制人：__________________审核人：__________________审批人：__________________编制单位：__________________编制时间：____年____月____日序言下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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轴类零件的材料、毛坯及热处理优秀文档
对于氮化钢（如38CrMoAl），需在渗氮之前进行调质和低温时效处理。 如要进行表面淬火，一般安排在精加工之前，以可纠正淬火引起的局部变形。
以消除粗车时产生的残余应力；毛坯余量小时，调质可安 轴类零件材料常用45钢、40 Cr、球墨铸铁等。
对于氮化钢（如38CrMoAl），需在渗氮之前进行调质和低温时效处理。 毛坯余量小时，调质可安排在粗车之前进行。
排在粗车之前进行。如要进行表面淬火，一般安排在精加 如要进行表面淬火，一般安排在精加工之前，以可纠正淬火引起的局部变形。
有些大型轴或结构复杂的轴采用铸件 轴类零件材料常用45钢、40 Cr、球墨铸铁等。
工之前，以可纠正淬火引起的局部变形。对精度要求高的 轴最常用的毛坯是圆棒料和锻件
毛坯余量大时，调质一般安排在粗车之后、半精车之前，以消除粗车时产生的残余应力； 对于氮化钢（如38CrMoAl），需在渗氮之前进行调质和低温时效处理。
轴，在淬火或粗磨之后，还需进行低温时效处理（在160℃ 对于氮化钢（如38CrMoAl），需在渗氮之前进行调质和低温时效处理。
铸件
锻件
精密机械制造基础
三、轴的热处理
精密机械制造基础
轴类零件的材料、毛坯及热处理
为了获得较好的综合力学性能，轴常需要调质处理。 毛坯余量小时，调质可安排在粗车之前进行。
毛坯余量大时，调质一般安排在粗车之后、半精车之前，以消除粗车时产生的残余应力； 轴类零件材料常用45钢、40 Cr、球墨铸铁等。
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对于氮化钢（如38CrMoAl），需在渗氮之前进行调质和低温时效处理。
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第7章车轴材料
提纲•
引言
•轮轴结构
•轮轴材料及性能
•轮轴的加工工艺
•轮轴的发展趋势
引言
车轴是高速列车的关键旋转和承载零部件，车体的重量依靠车轴是高速列车的关键旋转和承载零部件车体的重量依靠车轴承担和传递。
对列车的安全运行十分重要。
例子：
试验材料取自RD2 型表面开裂车轴。
该
车轴服役时间约为7 年零3 个月，裂纹
在车轴右端轴颈卸荷槽部位。
车轴材质
为LZ50 优质碳素钢。
0.54C，0.77Mn，0.23Si，0.09Cr，0.02 Ni，
0.011P，0.010S，0.01Cu。
轮轴的标准•欧洲的标准：UIC811/EN‐13104欧洲的标准
•美国标准AAR
•日本的标准：JISE4501
轴的承载能力与轮的直径存在定的比例关系，见下表。
轴的承载能力与轮的直径存在一定的比例关系，见下表。
轮轴结构
•轮轴的设计遵循的原则：轴重/轮径的比值轮轴的设计遵循的原则
一般在0.01‐0.02之
间，且随着速度
间且随着速度
的增加而降低。
机械结构及其设计•轮座突起
•车轴与轮毂之间为突悬组装
•轮座与轴身过渡圆弧的取值欧洲建议为ρ=0.1d
裂纹出现的位置及无损检测的必要性
设计方法
建立在力学基础上的结构设计原则：
•基于传统疲劳理论的许用应力法（结合有限元）
解决的基本问题：不同运行条件下轮轴压装过盈量及轮毂壁厚度尺寸；车轴镶入部的疲劳强度等。
建立在载荷谱的基础上，车轴的减重设计，例如空心轴的设计。
不同热处理状态下轴承钢的许用应力
轮轴材料及其性能
•日本标准：两个标准SFA55和SFA60，其中SPA60为日本标准其中
高速列车车轴用钢。
•欧洲标准：TGV标准A1N钢‐‐‐欧洲UIC811，寿命为700万公里。
曾采用CrMo钢和Ni Cr钢，但表面损伤效果不好。
‐
典型材料包括：EA1N,EA4T,34CrNiMo6
车轴钢的成分
50车轴钢
优势：相较40车轴钢，疲劳强度提高32%，抗断裂性能好。
，抗断裂性能好
轮轴加工工艺
表面中频（3kHz)淬火热处理
（表面感应加热，然后喷水冷
却）
车轴表面疲劳强度问题
表面滚压处理问题
1.熔炼：电炉或转炉熔炼；
熔炼电炉或转炉熔炼
2.钢锭轧制后再锻造成车轴；
3.调质处理(调质工艺为860℃油淬十550~680℃回火)，然后
质质艺为油淬十回火然进行半精加工，保留1mm(指直径)的精加工余量；
4.3kHz感应淬火和200℃的回火处理；
43kH℃的回火处理
5.对车轴进行0.7mm(指直径)的车削和0.22mm(指直径)的半
008mm(的精磨
精磨以及0.08mm(指直径)的精磨。
6.空心车轴还需进行镗孔加工，内表面加工精度要求高。
表面中频感应淬火处理
为了提高轴的疲劳强度，
对轴进行表面淬火，形成
马氏体硬化层。
注意：频率的影响
经过表面淬火，表面出现较高的残余压应力，而硬化层也较深。
经过表面淬火表面出现较高的残余压应力而硬化层也较深
C和G比较发现，经过3kHz处理的轴疲劳强度较10kHz 的高得多。
存在个安全值，12.6.
存在一个安全值，
随着交变应力次数的增加，应力强度因子存在曲线关系。
不同热处理方式，安全值的高低是不同的。
可值的高低是不同的可见，疲劳性能与组织状
态密切相关。
组织特征
•车轴表面为马氏体组织，逐渐过渡到贝氏体组织，4毫米车轴表面为马氏体组织逐渐过渡到贝氏体组织
处为细珠光体组织，再往内为铁素体组织，直至基体组织。
•高频淬火部位的硬度为HS55‐80；
•表层残余应力为588‐980MPa；
•恰当的滚压能够大幅提高轮轴的疲劳强度。
恰当的滚压能够大幅提高轮轴的疲劳强度
•非电解涂镀于压装部位，有利于提高疲劳强度。
轮轴的检修
•荧光和磁粉对轮座进行检测，再行组装。
荧光和磁粉对轮座进行检测再行组装
轮轴的发展趋势
•—空心车轴；
重载轮轴的轻量化空车轴
•高强度、低应力、低变形的车轮辐板外形；
举例车轴钢的韧性问题
‐108℃附近发生韧在发生韧
性的急剧降低。
夏比冲击试验：GB/T229‐1994
断口组织
裂纹问题
应力强度因子门槛值
谢谢！。