商用車(chē)驅(qū)動(dòng)軸輕量化仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱國(guó)平，盧銀

江蘇格爾頓傳動(dòng)有限公司 江蘇靖江 214521

工程師 朱國(guó)平

1 序言

驅(qū)動(dòng)軸是汽車(chē)底盤(pán)傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要零件之一。在汽車(chē)行業(yè)，底盤(pán)由傳動(dòng)系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動(dòng)系4部分組成，它支承、安裝汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)及各部件、總成，形成汽車(chē)的整體造型，承受發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，保證正常行駛[1]。傳動(dòng)系主要是由離合器、變速器、驅(qū)動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋等組成。

2 驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)和原理

圖1所示為驅(qū)動(dòng)軸，其結(jié)構(gòu)原理源自于萬(wàn)向傳動(dòng)裝置，是用于在機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中，傳遞相對(duì)位置不斷改變的兩根軸間動(dòng)力的裝置[2]，在工業(yè)多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在汽車(chē)領(lǐng)域，驅(qū)動(dòng)軸的功用是連接分布于非同一軸線(xiàn)上的變速器輸出軸和主減速器輸入軸，并保證在兩軸之間的夾角和距離經(jīng)常變化的情況下，仍能可靠地傳遞動(dòng)力[3]。它是承受高速傳動(dòng)的零件，主要由凸緣叉、萬(wàn)向節(jié)十字軸、焊接叉和滑動(dòng)花鍵副組成。

圖1 驅(qū)動(dòng)軸

焊接叉（見(jiàn)圖2）是驅(qū)動(dòng)軸中的一個(gè)重要部件，其結(jié)構(gòu)和加工工藝直接影響零件的性能，進(jìn)而影響整車(chē)動(dòng)力傳遞的效果。其構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，但是加工工藝復(fù)雜，在選材中，了解其加工工藝，并在工藝設(shè)計(jì)中合理安排加工工序，設(shè)計(jì)合理的工裝夾具，對(duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量具有十分重要的意義。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，順應(yīng)行業(yè)零部件輕量化趨勢(shì)，運(yùn)用PTC Creo Simulate（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“Creo”）軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行有限元仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出一款輕質(zhì)焊接叉，在減輕焊接叉質(zhì)量的同時(shí)，還能維持并提升部件和總成的原有性能水平，減少原材料的耗用，降低車(chē)輛的油、電消耗和碳排放，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。

圖2 焊接叉

有限元分析法是根據(jù)變分法原理來(lái)求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的一種數(shù)值計(jì)算方法。Creo軟件是PTC公司基于Pro/E軟件推出的升級(jí)版本，是集CAD/CAM/CAE于一體的軟件集成包，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜曲面建模、機(jī)構(gòu)仿真和有限元分析的無(wú)縫集成。Creo軟件以參數(shù)化著稱(chēng)，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有重要地位，作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今的主流CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)著重要位置[4]。

具體實(shí)施方法和步驟：結(jié)合有限元結(jié)構(gòu)理論，應(yīng)用分析模塊，模擬工況，對(duì)部件設(shè)置邊界條件，進(jìn)行分析計(jì)算，最終通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)取得最佳方案，優(yōu)化原有結(jié)構(gòu)，降低成本，增加行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

3 有限元模型的建立

3.1 建模、網(wǎng)格劃分及材料屬性定義

本案例中，為了排除關(guān)聯(lián)部件在運(yùn)算過(guò)程中的相互影響，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，減少實(shí)際分析運(yùn)算的時(shí)長(zhǎng)，將簡(jiǎn)化模型，僅對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的焊接叉一端單獨(dú)進(jìn)行仿真分析。首先應(yīng)用Creo軟件包中的Parametric模塊進(jìn)行三維實(shí)體建模，根據(jù)焊接叉實(shí)際尺寸建立準(zhǔn)確實(shí)體模型，然后直接轉(zhuǎn)入Simulate模塊中，應(yīng)用精細(xì)模型菜單中控制命令選項(xiàng)，設(shè)置各單元要素的尺寸，最小尺寸值為5，進(jìn)行有限元分析網(wǎng)格的劃分。焊接叉有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，模型被劃分為150828個(gè)四面體。

圖3 焊接叉有限元網(wǎng)格劃分

按照設(shè)計(jì)要求，材料為45鋼，輸入各項(xiàng)力學(xué)性能屬性值，并將屬性值賦予焊接叉端的部件材料模型中。部件材料的力學(xué)性能屬性值見(jiàn)表1[5]。

表1 部件材料的力學(xué)性能

3.2 施加載荷及約束處理

對(duì)焊接叉一端部件施加約束和載荷處理（見(jiàn)圖4）。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的使用受力狀態(tài)，對(duì)凸緣叉法蘭面施加相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的位移固定約束；萬(wàn)向節(jié)十字軸的約束定義為軸承聯(lián)接，在焊接叉尾端外圓表面施加圓周方向扭轉(zhuǎn)載荷，載荷值為驅(qū)動(dòng)軸的額定工作扭矩。

圖4 約束與載荷

4 有限元仿真分析過(guò)程和結(jié)果

在現(xiàn)有的零件結(jié)構(gòu)中，對(duì)部件各總成建模，模擬總成工況，設(shè)置邊界條件，進(jìn)行分析計(jì)算。Creo軟件可以輸出多種形式結(jié)果，如位移、靜力和疲勞等，由于各種結(jié)果呈關(guān)聯(lián)的態(tài)勢(shì)，因此選擇靜力分析功能，能更為直觀(guān)地判斷模型受力后的應(yīng)力變化狀況，其分析結(jié)果顯示出構(gòu)件的各部位應(yīng)力值大小。根據(jù)模型的表面和內(nèi)部應(yīng)力分布情況，在應(yīng)力最小值區(qū)域排除不可變動(dòng)點(diǎn)后，識(shí)別出該區(qū)域可以改進(jìn)的部位。

通過(guò)有限元分析模塊進(jìn)行模擬仿真分析，得出首次仿真分析應(yīng)力分布結(jié)果（見(jiàn)圖5），結(jié)果顯示，焊接叉兩側(cè)背面應(yīng)力值最低，為192MPa，有較大改進(jìn)余量，且該部位無(wú)配合要求，可作為改進(jìn)區(qū)域，能在此處進(jìn)行減材處理?？紤]減材后，需保證與其相鄰的內(nèi)側(cè)圓角區(qū)域不額外增加應(yīng)力，應(yīng)保留兩側(cè)邊一定寬度作為加強(qiáng)筋。僅兩側(cè)背面中心部位減料形成內(nèi)凹面，同時(shí)適當(dāng)增大內(nèi)側(cè)圓弧起支撐作用。根據(jù)鍛造模具脫模方向，設(shè)定內(nèi)凹面斜度為10°，再進(jìn)行模擬運(yùn)行分析。

圖5 首次仿真分析應(yīng)力分布

分析結(jié)果顯示，模型最大應(yīng)力值轉(zhuǎn)移到加工部位臺(tái)階過(guò)渡部位，導(dǎo)致最大應(yīng)力值較原樣增加了一倍，必須進(jìn)行相應(yīng)處理，在精加工部位增大過(guò)渡圓角以減小應(yīng)力集中；改進(jìn)區(qū)域內(nèi)凹面與部件其他區(qū)域應(yīng)力值，較原樣上升了27%，但相比其他部位仍很低，證明改進(jìn)方向正確。

重點(diǎn)對(duì)內(nèi)凹面筋寬度、內(nèi)側(cè)圓弧及加工圓角部位運(yùn)用參數(shù)化模擬分析，系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。參數(shù)重點(diǎn)優(yōu)化部位如圖6所示。

圖6 重點(diǎn)優(yōu)化部位

固定之前設(shè)置的分析條件，運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)3處部位進(jìn)行參數(shù)化分析，得出應(yīng)力曲線(xiàn)圖（橫坐標(biāo)為參數(shù)值，縱坐標(biāo)為應(yīng)力值），作為優(yōu)化設(shè)計(jì)參照。參數(shù)優(yōu)化應(yīng)力變化趨勢(shì)曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 參數(shù)優(yōu)化應(yīng)力變化趨勢(shì)曲線(xiàn)

由圖7可以看出，隨各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值增大，其應(yīng)力值逐漸縮小；當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)節(jié)點(diǎn)后，應(yīng)力縮小的趨勢(shì)變緩，證明此時(shí)參數(shù)的調(diào)整相對(duì)于應(yīng)力的影響逐漸減弱；如果繼續(xù)增大參數(shù)，則會(huì)形成增材的效果，由于這與優(yōu)化減重的理念相悖，因此不再繼續(xù)增大參數(shù)。再結(jié)合部件其他要求的實(shí)際情況，確定最佳的尺寸參數(shù)，進(jìn)行最終仿真分析，結(jié)果顯示應(yīng)力分布均衡，數(shù)值處于材料許用范圍內(nèi)。部件最終優(yōu)化后的應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 部件最終優(yōu)化后的應(yīng)力分布（層切片圖）

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)軸模型的優(yōu)化分析，得出分析結(jié)論，參考優(yōu)化結(jié)果，重新設(shè)計(jì)焊接叉新的結(jié)構(gòu)和尺寸，經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)論證和路試情況驗(yàn)證表明，優(yōu)化狀態(tài)完全滿(mǎn)足使用要求，并且實(shí)現(xiàn)了減輕質(zhì)量的目的。通過(guò)對(duì)比可知，新結(jié)構(gòu)焊接叉的質(zhì)量相較原狀態(tài)，部件質(zhì)量降低0.45kg，減重比為10.7%，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，提高了材料利用率。

本案例為類(lèi)似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，減少了因設(shè)計(jì)改進(jìn)而進(jìn)行的重復(fù)制樣、試驗(yàn)驗(yàn)證次數(shù)，探索出一種部件仿真優(yōu)化的具體實(shí)施方法。