基于SolidWorks的汽車傳動(dòng)軸輪端接頭的有限元分析

蔡舒旻，盛希寧

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 常州劉國(guó)鈞分院，江蘇 常州 213000)

0 引言

應(yīng)用于汽車的傳動(dòng)軸經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展已有了較為完整和優(yōu)化的設(shè)計(jì)，雖然其設(shè)計(jì)較為成熟，但廠商和用戶仍希望能夠構(gòu)建更小型化和輕量化的設(shè)計(jì)，以符合汽車工業(yè)節(jié)能減排的工業(yè)需求。因此，需要繼續(xù)針對(duì)結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的改善，在設(shè)計(jì)的同時(shí)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)模擬分析傳動(dòng)軸動(dòng)態(tài)的受力情形[1-2]，然后將運(yùn)動(dòng)模擬分析所得到的受力數(shù)據(jù)在有限元分析軟件SolidWorks中進(jìn)行應(yīng)力分析及最佳化設(shè)計(jì)[3]。在不影響原有結(jié)構(gòu)機(jī)能的情況下，使傳動(dòng)軸輪端的接頭更輕更小，從而節(jié)省材料并減輕重量，使汽車底盤設(shè)計(jì)在空間上有更優(yōu)異的表現(xiàn)。

1 汽車傳動(dòng)軸的特征

傳動(dòng)軸是用來(lái)連接動(dòng)力源與負(fù)載的機(jī)構(gòu)，將動(dòng)力源的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與扭矩傳遞至負(fù)載上，其具有以下特征：高扭矩、高轉(zhuǎn)速及輸出軸位置固定[4]。本文的研究對(duì)象是汽車傳動(dòng)軸的球籠式萬(wàn)向節(jié)接頭，在AutoCAD軟件中繪制的接頭組合件爆炸圖如圖1所示。球籠式萬(wàn)向節(jié)接頭由一個(gè)內(nèi)輪、一個(gè)外輪、6顆鋼珠和一個(gè)保持架組成，內(nèi)輪為凸?fàn)畹那蛎?，上面?條溝槽[5-6]；外輪內(nèi)面為凹狀的球面，與內(nèi)輪相對(duì)應(yīng)，共同夾住鋼珠；保持架用來(lái)保持鋼珠的位置，使兩軸的共同連接點(diǎn)保持于對(duì)稱面上，以維持轉(zhuǎn)速比[7]。

圖1 球籠式萬(wàn)向節(jié)接頭組合件AutoCAD爆炸圖

2 球籠式萬(wàn)向節(jié)接頭總成的靜態(tài)應(yīng)力分析

首先，將球籠式萬(wàn)向節(jié)接頭總成的各個(gè)部件按照次序組合好，應(yīng)用Simulation模塊依次設(shè)定鋼珠、內(nèi)輪、外輪、保持架及中間軸的材質(zhì)、負(fù)載情況、設(shè)計(jì)方案、接觸、高斯點(diǎn)及網(wǎng)格等參數(shù)，然后進(jìn)行應(yīng)力分析。

在設(shè)定中，選擇分析類型為靜力學(xué)分析，網(wǎng)格形態(tài)為實(shí)體網(wǎng)格，求解器為FFEPlus，計(jì)算單位采用SI單位，網(wǎng)格精度為精細(xì)網(wǎng)格、光滑曲面。四面體雅可比計(jì)算的高斯點(diǎn)點(diǎn)數(shù)依次設(shè)定為4、16和29來(lái)進(jìn)行對(duì)比分析。

選擇輸出的分析結(jié)果有：節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力、合位移和節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)變。

選擇中碳鋼作為所有元件的材質(zhì)，將傳動(dòng)軸的輸出端設(shè)置為約束固定，中間軸端面處作為傳動(dòng)軸輸入端(如圖2所示)。設(shè)保持架幾何中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，對(duì)輸入值分別為100 Nm、200 Nm和300 Nm進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2 約束固定與扭力設(shè)定

6顆鋼珠和內(nèi)外輪的6個(gè)球軌的接觸均需要進(jìn)行設(shè)定，由于實(shí)際工作中鋼珠與內(nèi)輪和外輪球軌之間屬于非貫穿接觸，因此接觸設(shè)定為曲面對(duì)曲面的接觸，摩擦因數(shù)取0.05，并選擇忽略間隙。最后，進(jìn)行網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)定，分別選用13.884 7 mm、6 mm和3 mm為網(wǎng)格參數(shù)，網(wǎng)格精度為最細(xì)。

以外輪輸出軸為例，其計(jì)算結(jié)果如表1所示，分析其結(jié)果可得出如下結(jié)論：

(1) 高斯點(diǎn)數(shù)對(duì)于最大應(yīng)力值的大小和節(jié)點(diǎn)位置的影響不大。

(2) 網(wǎng)格大小的不同將會(huì)直接影響最大應(yīng)力值的大小和位置。

(3) 輸入扭力值的大小會(huì)直接影響最大應(yīng)力值的大小，但與產(chǎn)生最大扭力值的位置無(wú)關(guān)。

表1 外輪輸出軸計(jì)算結(jié)果

通過(guò)對(duì)各個(gè)部件的計(jì)算，經(jīng)過(guò)分析得到球籠式萬(wàn)向節(jié)接頭總成及各個(gè)部件在工作角為0°時(shí)所受到的最大應(yīng)力，如表2所示，工作角為5°時(shí)的最大靜態(tài)應(yīng)力如表3所示。

由表2、表3分析可知：工作角為0°時(shí)球籠式萬(wàn)向節(jié)接頭總成所受的最大應(yīng)力值在外輪桿處；工作角為5°時(shí)球籠式萬(wàn)向節(jié)接頭總成所受的最大應(yīng)力值在接頭總成。

在固定扭力位置的情況下，可以得到如下結(jié)論：工作角的不同會(huì)影響最大應(yīng)力值的大小和位置。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)球籠式萬(wàn)向節(jié)接頭的有限元分析，可得出如下結(jié)論：在該機(jī)構(gòu)工作時(shí)，隨著工作角度的變化，其承受最大應(yīng)力的部件是不同的，選擇合理的網(wǎng)格參數(shù)及網(wǎng)格劃分方式能更好地對(duì)其工作過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行分析，從而根據(jù)分析結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化零件結(jié)構(gòu),達(dá)到減輕其重量的目的。

表2 工作角為0°時(shí)所受到的最大應(yīng)力

表3 工作角為5°時(shí)所受到的最大應(yīng)力