裝載機(jī)用萬(wàn)向傳動(dòng)軸有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

吳光榮

摘 ?要：文章通過(guò)對(duì)裝載機(jī)用萬(wàn)向傳動(dòng)軸有限元建模進(jìn)行剛度、強(qiáng)度以及動(dòng)力學(xué)多種方向的分析，由此發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)向傳動(dòng)軸產(chǎn)生強(qiáng)度不足的動(dòng)因，并對(duì)其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方向進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

關(guān)鍵詞：裝載機(jī);萬(wàn)向傳動(dòng)軸;有限元分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2019）15-0110-02

Abstract： In this paper， the stiffness， strength and dynamics of the loader are analyzed by finite element modeling of the universal transmission shaft， and the cause of the insufficient strength of the universal transmission shaft is found. The improvement direction of its structure is analyzed accordingly.

Keywords： loader; universal drive shaft; finite element analysis

萬(wàn)向傳動(dòng)軸是車(chē)輛機(jī)械工程領(lǐng)域中一個(gè)十分重要的部件。它能夠通過(guò)自身的轉(zhuǎn)化將驅(qū)動(dòng)裝置中的力與運(yùn)動(dòng)盡可能均勻地傳遞給從動(dòng)裝置，從而使得至少一個(gè)裝置在給定的范圍內(nèi)改變其空間位置。萬(wàn)向傳動(dòng)軸本身的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此無(wú)法采用以往的方式來(lái)對(duì)其進(jìn)行力學(xué)方面的剖析。對(duì)此，本文采用了Pro/E和ANSYS軟件。

1 Pro/E和ANSYS軟件概述

1.1 Pro/E

Pro/E是一款由美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司所設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一體化三維軟件，在機(jī)械行業(yè)的三維造型領(lǐng)域占據(jù)著非常關(guān)鍵的地位。相較于以往的三維造型軟件而言，它擁有著十分突出的優(yōu)勢(shì)。首先是參數(shù)化的設(shè)計(jì)理念。這種設(shè)計(jì)形式突破了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)的限制。然后，它可以采取模塊組建的形式來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的個(gè)性化需求。只要輸入某一部分模塊的數(shù)據(jù)，它就能在軟件界面進(jìn)行構(gòu)建與安裝。對(duì)于萬(wàn)向傳動(dòng)軸的有限元模型構(gòu)建，就可以采取模塊方式來(lái)完成。

Pro/E具有以下幾個(gè)主要特性：第一，參數(shù)化設(shè)計(jì)。無(wú)論用戶(hù)想要構(gòu)建的集合模型結(jié)構(gòu)有多繁復(fù)，都可以通過(guò)有限的參數(shù)來(lái)進(jìn)行約束，并達(dá)到相應(yīng)的建模成果。第二，基于特征建模。Pro/E建模參考于實(shí)體的機(jī)械造型。用戶(hù)需要根據(jù)建模原型的基本特征來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而對(duì)于模型中的細(xì)節(jié)部分，用戶(hù)可以任意勾畫(huà)草圖進(jìn)行更改，以達(dá)到不同的建模效果。第三，單一數(shù)據(jù)庫(kù)。相較于傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)，Pro/E將所有模型都構(gòu)建在統(tǒng)一基層的數(shù)據(jù)庫(kù)上，更加便于在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中取用工程資料以及更新設(shè)計(jì)方案[1]。當(dāng)工程圖進(jìn)行了修改，其軟件構(gòu)造的三維模型也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。這也給萬(wàn)向傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了重要條件。

1.2 ANSYS

ANSYS是一款專(zhuān)業(yè)的有限元分析軟件，集融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體。它還能通過(guò)與其他CAD軟件接口來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互。

ANSYS主要包含了三個(gè)部分：第一個(gè)部分是前處理模塊。用戶(hù)可以在此板塊中構(gòu)建有限元模型。第二個(gè)部分是分析計(jì)算模塊。在此板塊中，用戶(hù)可以通過(guò)模擬手段來(lái)進(jìn)行電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析等多種模式的分析過(guò)程。并結(jié)合軟件功能來(lái)進(jìn)行不同物理介質(zhì)交互的模擬，進(jìn)而開(kāi)展相應(yīng)的優(yōu)化分析。第三個(gè)部分是后處理模塊。這一板塊可以向用戶(hù)以各種形式顯示出計(jì)算結(jié)果，并將最終成果以表格或者曲線形式進(jìn)行輸出。

1.3 Pro/E以及ANSYS軟件對(duì)裝載機(jī)萬(wàn)向傳動(dòng)軸的應(yīng)用

由于使用傳統(tǒng)的手段難以對(duì)萬(wàn)向傳動(dòng)軸展開(kāi)有效的力學(xué)分析，因此筆者采用Pro/E和ANSYS軟件相結(jié)合的手段來(lái)進(jìn)行分析活動(dòng)。結(jié)合Pro/E和ANSYS軟件的不同功能，筆者首先對(duì)裝載機(jī)萬(wàn)向傳動(dòng)軸進(jìn)行了模型構(gòu)建。這其中包含著以下一些內(nèi)容：對(duì)于實(shí)際萬(wàn)向傳動(dòng)軸的幾何轉(zhuǎn)化，建模板塊中網(wǎng)格的劃分，對(duì)于實(shí)際傳動(dòng)軸所使用材料的設(shè)置以及約束加載等等。通過(guò)以上這些步驟，有限元模型初步建立完成。然后，筆者繼續(xù)運(yùn)用ANSYS軟件來(lái)對(duì)萬(wàn)向軸的靜態(tài)強(qiáng)度、剛度以及具體受力情況進(jìn)行了綜合分析。軸內(nèi)包含著滑動(dòng)軸叉、花鍵軸叉和法蘭叉三個(gè)部分。筆者結(jié)合軟件探究出軸內(nèi)各個(gè)部分在載荷作用下的最大應(yīng)力、最大變形位置以及分布情況[2]。并同時(shí)觀察到了傳動(dòng)軸內(nèi)幾個(gè)會(huì)因長(zhǎng)期外部受力而呈現(xiàn)出較低強(qiáng)度的部位。最后，針對(duì)軟件所模擬分析出的部分，筆者提出了改良傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)原有的強(qiáng)度不足的部位進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)強(qiáng)化。增加了其直徑、厚度以及寬度，并對(duì)易磨損部位進(jìn)行了光滑處理。在之后的實(shí)踐過(guò)程中，相關(guān)人員根據(jù)筆者的方案進(jìn)行了萬(wàn)向軸的設(shè)計(jì)調(diào)整，經(jīng)試驗(yàn)顯示，改進(jìn)后的萬(wàn)向軸強(qiáng)度已經(jīng)較之傳統(tǒng)萬(wàn)向軸有了較大的改善。

2 萬(wàn)向傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)

萬(wàn)向傳動(dòng)軸主要包含著以下幾個(gè)部分：法蘭叉兩個(gè)，分別位于萬(wàn)向軸的左右頂端位置;花鍵軸叉一個(gè)，位于連接左側(cè)軸首與中部軸管的中心位置;滑動(dòng)軸叉一個(gè)，其構(gòu)成材料與其他部位不同，主要起到移動(dòng)的作用;十字軸兩個(gè)，位于兩個(gè)法蘭叉的連接處。在花鍵軸叉與滑動(dòng)軸叉之間存在著一個(gè)花鍵，起到連接兩者的作用。而伸縮部件由內(nèi)體和外體組成。在實(shí)用過(guò)程中，萬(wàn)向軸通過(guò)外部受力會(huì)帶動(dòng)花鍵進(jìn)行軸向移動(dòng)，并通過(guò)左右兩側(cè)的十字軸來(lái)實(shí)現(xiàn)不同角度的動(dòng)力傳遞，使得裝載機(jī)內(nèi)部的各個(gè)機(jī)械構(gòu)成部分能夠進(jìn)行均勻受力。

3 靜力學(xué)分析

ANSYS軟件的計(jì)算分析模塊包含著數(shù)個(gè)方面的分析手段。對(duì)于萬(wàn)向傳動(dòng)軸的具體受力分析則可以通過(guò)以下兩個(gè)方法來(lái)進(jìn)行：第一個(gè)方法是，在簡(jiǎn)化模型的中心設(shè)置一個(gè)質(zhì)量單元，實(shí)現(xiàn)其與其他模塊間的有效對(duì)接，達(dá)到符合實(shí)際需求的耦合度。進(jìn)而將轉(zhuǎn)矩加到中心節(jié)點(diǎn)上。第二個(gè)方法則是，將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成一對(duì)力偶，直接施加到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。