混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)傳動(dòng)軸強(qiáng)度與疲勞壽命分析

張克鵬

陜西重型汽車(chē)有限公司 陜西西安 710200

1 前言

混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)底盤(pán)傳動(dòng)軸的主要作用是將變速器的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)橋。文章以某混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)底盤(pán)傳動(dòng)軸總成為研究對(duì)象，首先在三維設(shè)計(jì)軟件CATIA中建立了傳動(dòng)軸總成的三維模型，然后在HyperMesh中建立有限元網(wǎng)格模型，對(duì)各個(gè)裝配部件采用正確的接觸關(guān)系，并施加合理的位移約束和載荷邊界條件，最后利用大型非線性有限元軟件ABAQUS分析平臺(tái)，計(jì)算傳動(dòng)軸總成在極限工況下各個(gè)部件的靜強(qiáng)度，通過(guò)分析得到總成的薄弱部位，然后利用靜強(qiáng)度結(jié)果，在疲勞分析軟件FEMFAT中進(jìn)行傳動(dòng)軸總成的疲勞壽命分析，找出在傳動(dòng)軸工作過(guò)程中，疲勞破壞容易發(fā)生的部位。同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證仿真分析的準(zhǔn)確性，為傳動(dòng)軸總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2 分析模型的建立

2.1 傳動(dòng)軸部件材料屬性

根據(jù)傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)部門(mén)提供的材料，參考《汽車(chē)設(shè)計(jì)手冊(cè)》并通過(guò)查詢《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得到傳動(dòng)軸總成各個(gè)部件的材料屬性，如表1所示[1]。

表1 傳動(dòng)軸總成各部件材料屬性

2.2 傳動(dòng)軸強(qiáng)度定義

傳動(dòng)軸強(qiáng)度按發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器匹配，在實(shí)際選配過(guò)程中，由計(jì)算扭矩T選擇相應(yīng)強(qiáng)度等級(jí)的傳動(dòng)軸：

式中，T為傳動(dòng)軸計(jì)算扭矩，Nm；Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大輸出扭矩，Nm；ig1，ip1為變速器和分動(dòng)器一檔速比；t為安全系數(shù)，取t=1.5；Ms為傳動(dòng)軸屈服扭矩，Nm。

該傳動(dòng)軸總成屈服扭矩≥47 000 Nm ，軸管直徑為120 mm，十字軸軸徑為68 mm。

2.3 有限元模型的建立

本文對(duì)傳動(dòng)軸總成的主傳動(dòng)軸管、凸緣叉、萬(wàn)向節(jié)滑動(dòng)叉、滑動(dòng)叉套管、萬(wàn)向節(jié)十字軸、十字軸套筒等進(jìn)行三維建模。在保證計(jì)算精度的前提下，綜合考慮網(wǎng)格數(shù)量，進(jìn)行網(wǎng)格密度的合理調(diào)整，消除不良單元，做好各個(gè)部件之間的接觸參數(shù)設(shè)定，使計(jì)算容易收斂。文中采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，局部進(jìn)行加密處理，整個(gè)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)量為222 891，實(shí)體單元數(shù)量為792 545，如圖1所示。

3 邊界條件

3.1 接觸邊界條件

由于研究對(duì)象為傳動(dòng)軸總成，各個(gè)部件之間須通過(guò)設(shè)置正確的接觸來(lái)滿足分析研究要求。當(dāng)兩個(gè)物體彼此接觸時(shí)，垂直于接觸面的力作用在兩個(gè)物體上。如果在接觸面之間存在摩擦，可能產(chǎn)生剪力以阻止物體的切向運(yùn)動(dòng)（滑動(dòng)）。從力學(xué)分析角度看，接觸是邊界條件高度非線性的復(fù)雜問(wèn)題，它允許力從模型的一部分傳遞到另一部分。因?yàn)橹挥挟?dāng)兩個(gè)表面發(fā)生接觸時(shí)才會(huì)有約束產(chǎn)生，而當(dāng)兩個(gè)接觸的面分離時(shí)，就不存在約束作用了，所以這種約束是不連續(xù)的。在ABAQUS中，有ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit兩種接觸模擬，ABAQUS/Standard的接觸模擬是基于表面或者基于接觸單元的；ABAQUS/ Explicit的接觸模擬可以利用通用（“自動(dòng)”）接觸算法或者接觸對(duì)算法。通常定義一個(gè)接觸模擬只需簡(jiǎn)單指定所采用的接觸算法和將會(huì)發(fā)生接觸作用的部件即可。由于ABAQUS/Standard在粘結(jié)和滑移兩種狀態(tài)之間的不連續(xù)可能導(dǎo)致收斂問(wèn)題，而且該傳動(dòng)軸總成所有部件都是體網(wǎng)格，體與體之間可以自動(dòng)建立接觸，所以采用ABAQUS/Explicit接觸模擬，只要指定每一對(duì)接觸的兩個(gè)部件，利用接觸對(duì)算法讓它們之間進(jìn)行自動(dòng)接觸，即可解決分析過(guò)程中的收斂問(wèn)題[2]。

在定義接觸的過(guò)程中，基于接觸對(duì)算法，設(shè)定摩擦因數(shù)為0.2，并假定接觸面之間處于小滑移狀態(tài)，計(jì)算很快得到收斂。整個(gè)傳動(dòng)軸總成中包含以下幾個(gè)接觸關(guān)系：a. 滑動(dòng)叉套管與萬(wàn)向節(jié)滑動(dòng)叉花鍵間的接觸；b. 萬(wàn)向節(jié)滑動(dòng)叉與十字軸套筒之間的接觸；c. 十字軸套筒與萬(wàn)向節(jié)十字軸之間的接觸；d. 凸緣叉與十字軸套筒之間的接觸。

3.2 約束及載荷邊界條件

傳動(dòng)軸總成在工作過(guò)程中，一端由凸緣叉連接變速器，一端由凸緣叉連接驅(qū)動(dòng)橋，傳動(dòng)軸將變速器動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)橋以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)行駛。由于驅(qū)動(dòng)橋端是被動(dòng)端，所以對(duì)驅(qū)動(dòng)橋端的凸緣叉4個(gè)安裝孔進(jìn)行6個(gè)自由度的全約束[3]。

載荷邊界條件此處主要是來(lái)自變速器的扭矩，施加屈服扭矩載荷為47 000 Nm，載荷位于變速器端凸緣叉4個(gè)安裝孔的中心處，如圖2所示。

4 靜強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 位移及扭轉(zhuǎn)角度

傳動(dòng)軸總成在極限載荷工況下最大綜合位移為3.306 mm，如圖3所示。傳動(dòng)軸受到變速器施加的扭矩，扭轉(zhuǎn)角度為2.46o。

4.2 應(yīng)力

由于該混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)底盤(pán)傳動(dòng)軸總成在工作過(guò)程中，發(fā)生破壞頻率比較高的部件主要為變速器端的凸緣叉和萬(wàn)向節(jié)十字軸部分，所以將主要對(duì)這兩個(gè)部件進(jìn)行分析。

4.2.1 凸緣叉

應(yīng)力大小采用等效von-mise考核，凸緣叉在給最大扭矩工況下最大應(yīng)力為535.5 MPa，如圖4所示。最大應(yīng)力發(fā)生在凸緣叉與變速器連接的安裝孔位置附近，這與破壞性試驗(yàn)（施加扭矩直至傳動(dòng)軸發(fā)生破壞）中破壞位置一致，如圖5所示。由于傳動(dòng)軸受繞X方向的扭矩，凸緣叉是直接接受變速器動(dòng)力的部件，而凸緣叉的4個(gè)安裝孔與變速器固定連接，所以在傳動(dòng)軸工作過(guò)程中，凸緣叉安裝孔周?chē)鷳?yīng)力較大。

4.2.2 萬(wàn)向節(jié)十字軸

萬(wàn)向節(jié)十字軸在最大扭矩工況下最大應(yīng)力為581.2 MPa，如圖6所示。最大應(yīng)力處為十字軸伸出端根部，由于傳動(dòng)軸在扭轉(zhuǎn)過(guò)程中，凸緣叉將變速器動(dòng)力傳遞到十字軸，十字軸又將動(dòng)力傳遞給萬(wàn)向節(jié)滑動(dòng)叉，因此十字軸在整個(gè)傳動(dòng)軸總成中又起到接受動(dòng)力并傳遞動(dòng)力的作用，所處工況相當(dāng)惡劣，而且計(jì)算所得的應(yīng)力最大處與十字軸破壞性試驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)際破壞位置相當(dāng)吻合，試驗(yàn)破壞位置如圖7所示。

通過(guò)以上兩個(gè)部件計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況的對(duì)比，可以證明有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性。

5 疲勞壽命計(jì)算結(jié)果及分析

在疲勞分析中，有限元技術(shù)已經(jīng)成為一種不可缺少的分析工具，根據(jù)有限元分析的靜強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的疲勞壽命分析已經(jīng)在一些重要的工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用[4]。

5.1 載荷信息

本文采用疲勞壽命分析軟件FEMFAT對(duì)該混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)傳動(dòng)軸總成進(jìn)行疲勞壽命分析。根據(jù)中華人民共和國(guó)汽車(chē)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸總成性能要求及試驗(yàn)方法（QC/T 649-2000），該混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)底盤(pán)傳動(dòng)在軸疲勞壽命試驗(yàn)過(guò)程中，施加簡(jiǎn)單正弦循環(huán)扭矩載荷，最大扭矩載荷為22 000 Nm，最小為其最大載荷的30%，即6 600 Nm，如圖8所示。

在計(jì)算過(guò)程中，由于最大載荷22 000 N·m時(shí)，靜強(qiáng)度最大應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，因此其疲勞壽命屬于高周疲勞，使用S-N曲線即名義應(yīng)力法進(jìn)行全壽命分析。這是最早形成的抗疲勞設(shè)計(jì)方法，它以材料或部件的S-N曲線為基礎(chǔ)，對(duì)照結(jié)構(gòu)疲勞危險(xiǎn)部位的應(yīng)力集中系數(shù)和名義應(yīng)力，結(jié)合疲勞損傷累計(jì)理論進(jìn)行疲勞壽命分析。

5.2 疲勞壽命分析結(jié)果

將ABAQUS中計(jì)算的靜強(qiáng)度應(yīng)力分析結(jié)果導(dǎo)入FEMFAT中，各個(gè)部件選擇對(duì)應(yīng)的材料，選擇統(tǒng)計(jì)學(xué)影響因素，疲勞計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

由圖9可以看出，傳動(dòng)軸總成疲勞壽命最小的地方主要有萬(wàn)向節(jié)滑動(dòng)叉頸部、主傳動(dòng)軸管端部、凸緣叉螺栓孔附近，這與傳動(dòng)軸總成實(shí)際使用情況中的破壞位置也十分吻合，如圖10所示，這些都說(shuō)明傳動(dòng)軸疲勞壽命分析趨勢(shì)的正確性。

6 結(jié)論

a. 采用合理的接觸和約束條件，使計(jì)算容易收斂，有限元模型更加準(zhǔn)確。

b. 經(jīng)過(guò)有限元分析，發(fā)現(xiàn)混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)底盤(pán)傳動(dòng)軸總成變速器端的凸緣叉和萬(wàn)向節(jié)十字軸在最大扭矩工況下，其最大應(yīng)力位置與破壞性試驗(yàn)過(guò)程的破壞位置極度吻合，證明有限元分析的準(zhǔn)確性。

c. 通過(guò)對(duì)該混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)底盤(pán)傳動(dòng)軸總成進(jìn)行疲勞壽命分析，得到傳動(dòng)軸總成表明的疲勞壽命結(jié)果云圖，并且驗(yàn)證了傳動(dòng)軸的最小壽命位置和實(shí)際使用過(guò)程中的損壞位置極度吻合，說(shuō)明了疲勞壽命分析在趨勢(shì)上能反映部件的疲勞壽命薄弱位置。

d. 傳動(dòng)軸的強(qiáng)度與疲勞壽命分析較真實(shí)地反映了傳動(dòng)軸的實(shí)際工作情況，可為以后的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供計(jì)算依據(jù)。

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[2] 莊茁,周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[3] 鐘佩思,王景林,劉梅等.基于有限元的傳動(dòng)軸受扭分析[J].機(jī)械傳動(dòng),2008(5):88-90.

[4] 姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社版社,2003.