輕型貨車用扭轉(zhuǎn)緩沖器的仿真研究

王靈犀，李 楠

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159)

貨車作為一種運(yùn)輸工具，其行駛環(huán)境比轎車惡劣，傳動(dòng)系中的沖擊載荷較大。隨著節(jié)能減排要求的提高，要求減小輕型貨車發(fā)動(dòng)機(jī)的排量，使用高轉(zhuǎn)速柴油機(jī)，此類柴油機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度較低，故對(duì)傳動(dòng)系的緩沖能力提出了更高要求。解決的方案之一是在傳統(tǒng)的貨車動(dòng)力傳動(dòng)系中加裝扭轉(zhuǎn)緩沖器。

目前國(guó)內(nèi)扭轉(zhuǎn)緩沖器的典型產(chǎn)品有上海SH760型汽車中間傳動(dòng)軸上的扭轉(zhuǎn)緩沖器及SH380型自卸汽車在發(fā)動(dòng)機(jī)和液力機(jī)械變速器之間的扭轉(zhuǎn)緩沖器［1］。前者的彈性元件為橡膠簾布結(jié)構(gòu)，通過(guò)簾布層的拉伸來(lái)傳遞扭矩;后者的彈性元件為密封橡膠塊結(jié)構(gòu)，通過(guò)壓縮橡膠塊來(lái)傳遞扭矩。

由于大部分扭轉(zhuǎn)緩沖器只使用在重型車領(lǐng)域，本文研究把扭轉(zhuǎn)緩沖器應(yīng)用在輕型貨車上，目的在于將扭轉(zhuǎn)緩沖器廣泛使用在輕型貨車領(lǐng)域。以Catia軟件作為平臺(tái)，為扭轉(zhuǎn)緩沖器建模，利用有線元軟件Ansys Workbench進(jìn)行靜力學(xué)分析。

1 扭轉(zhuǎn)緩沖器模型的建立

1.1 有限元仿真基本步驟

根據(jù)廠家提供設(shè)計(jì)參數(shù)及相關(guān)資料，在Catia中建立扭轉(zhuǎn)緩沖器的三維模型圖，保存為STP文件后，通過(guò)有限元確定扭轉(zhuǎn)緩沖器的穩(wěn)定性及其可靠性。有限元仿真分析步驟，如圖1所示［2］。

圖1 有限元仿真的基本步驟

根據(jù)汽車設(shè)計(jì)理論，選取設(shè)計(jì)扭矩為13224kgf·cm，根據(jù)緩沖器選擇計(jì)算可確定盤(pán)的尺寸，外徑為221mm，內(nèi)徑為70mm，兩孔中心距為80mm，盤(pán)的厚度為33mm。

1.2 扭轉(zhuǎn)緩沖器各部分零件的建模

對(duì)橡膠塊進(jìn)行建模。開(kāi)始—機(jī)械設(shè)計(jì)—零件設(shè)計(jì)，進(jìn)入草圖界面，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)幾何圖形，在三維坐標(biāo)系中選擇ZY面作為草圖繪制面，得出橡膠塊的幾何圖形。再將幾何圖形拉伸并陣列，最終得出橡膠盤(pán)的模型，如圖2所示。

圖2 橡膠盤(pán)模型

傳力銷的建模。傳力銷把來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到傳動(dòng)軸上，安裝在扭轉(zhuǎn)緩沖器上的傳力銷分為兩種，即主動(dòng)、從動(dòng)傳力銷。根據(jù)之前選定的尺寸，繪制草圖，退出草圖工作臺(tái)，將輪廓旋轉(zhuǎn)，得到模型，如圖3所示。

圖3 傳力銷模型

三角盤(pán)的建模。三角盤(pán)在扭轉(zhuǎn)緩沖器中起固定作用，限制橡膠塊的軸向移動(dòng)。繪制出三角盤(pán)的草圖，將其拉伸，得到三維模型，如圖4所示。

圖4 三角盤(pán)模型

按步驟依次建立其他零件，并在Catia裝配模塊中，對(duì)扭轉(zhuǎn)緩沖器進(jìn)行裝配。圖5為扭轉(zhuǎn)緩沖器的整體模型，扭矩從圖最左側(cè)的法蘭盤(pán)輸入，經(jīng)主傳力銷傳遞給副傳力銷，副傳力銷通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與傳動(dòng)軸相連。其中傳力銷與橡膠塊接觸的部分易發(fā)生損壞，是仿真分析的關(guān)鍵。

為減少工作量，將裝配體簡(jiǎn)化成一組橡膠塊傳力銷結(jié)構(gòu)，并把橡膠塊分為三部分，中間環(huán)形結(jié)構(gòu)為鋼絲簾布層，其余兩部分為橡膠，以此作為靜力學(xué)分析的最終模型。

圖5 扭轉(zhuǎn)緩沖器模型

2 扭轉(zhuǎn)緩沖器的有限元分析

仿真采用Workbench中的靜力學(xué)分析，結(jié)構(gòu)靜力分析用于完成結(jié)構(gòu)線性和非線性的靜力分析和動(dòng)態(tài)靜力分析。

靜力分析方程為:

式中:［K］為剛度矩陣;{u}為位移矢量;［F］為靜力載荷。靜力分析中不考慮隨時(shí)間變化的載荷，忽略慣性力和阻尼。如果材料為線彈性，結(jié)構(gòu)小變形，則［K］是常量，求解的是靜力線性問(wèn)題;如果［K］為變量，則求解的是靜力非線性問(wèn)題［3］。

2.1 文件導(dǎo)入

建立好三維模型后以STP格式導(dǎo)入Ansys Workbench，得到幾何模型如圖6所示。

圖6 橡膠塊模型

2.2 設(shè)置材料屬性

在engineering data菜單中選擇general materials下的structural steel并添加，在engineering data中修改材料名、彈性模量、泊松比、材料密度。在explicit下添加rubber，并修改參數(shù)屬性。

2.3 設(shè)置接觸面和運(yùn)動(dòng)副

接觸分為五類，分別是bonded、no separation、frictionless、rough、frictional，其中前兩個(gè)為線性行為，其余為非線性行為［4］。定義兩個(gè)傳力銷與橡膠塊接觸的部分為rough，橡膠塊內(nèi)部皆設(shè)置為bonded，并將接觸行為設(shè)置為非對(duì)稱，算法定義為罰函數(shù)算法。在兩個(gè)傳力銷和橡膠塊之間定義轉(zhuǎn)動(dòng)副，使其運(yùn)算時(shí)零件間保持相互轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)。

2.4 劃分網(wǎng)格

在geometry菜單下選擇replace geometry，瀏覽STP文件，然后導(dǎo)入。采用自由劃分網(wǎng)格的方法，在mesh菜單下，將element size設(shè)置為1mm。劃分的網(wǎng)格模型如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格模型

2.5 邊界條件

在Analysis setting中把Large deflection打開(kāi)，分析大變形的彈性材料，再設(shè)置相應(yīng)的步長(zhǎng)等。在其中一個(gè)傳力銷的末端定義Fixed support，定義Force在另一個(gè)傳力銷的一個(gè)側(cè)面，并只在X軸方向施加力。為防止計(jì)算時(shí)傳力銷和橡膠塊表面出現(xiàn)滲透或碰撞，將Displacement的Z軸方向設(shè)置為0。

2.6 求解計(jì)算

在Solution下添加Total deformation、Equivalent Elastic Strain、Equivalent Stress。

得到總體位移圖、應(yīng)變和應(yīng)力圖，如圖8、9、10所示。

在Workbench求解結(jié)果中，顏色越深表示應(yīng)力和應(yīng)變?cè)酱螅趫D9、10中可以清晰地看到，應(yīng)力和應(yīng)變最明顯的地方在鋼絲簾布層上。

圖8 橡膠塊的總體位移圖

圖9 橡膠塊的應(yīng)變?cè)茍D

圖10 橡膠塊的應(yīng)力云圖

表1、2是在3843N的作用下，橡膠塊隨時(shí)間變化的應(yīng)變、應(yīng)力數(shù)值。

表1 應(yīng)變隨時(shí)間變化值

表2 應(yīng)力隨時(shí)間變化值

3 結(jié)論

通過(guò)仿真分析得到了扭轉(zhuǎn)緩沖器實(shí)際工作過(guò)程中最大的應(yīng)力和應(yīng)變，應(yīng)力最大值為246.97MPa，根據(jù)理論值，最大抗拉強(qiáng)度為1028.91MPa，滿足要求。最大變形延伸量率0.2%，滿足其最小伸長(zhǎng)率5%的許用要求。緩沖器存在較大的安全裕度，可進(jìn)一步優(yōu)化，滿足輕量化的要求。

［1］羊拯民.傳動(dòng)軸和萬(wàn)向節(jié)［M］.北京:人民交通出版社，1986.

［2］洪文，孫逢春，余曉江.車輛動(dòng)力一傳動(dòng)系性能仿真的方法研究［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22(5):583－586.

［3］李范春.Ansys Workbench設(shè)計(jì)建模與虛擬仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011:1－10，216－264.

［4］王立濤.大型有限元分析軟件——ANSYS的應(yīng)用技巧［J］.安徽工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，18(3):18－21.