CAE在傳動軸分析設計中的運用

錢震波 向浦江

摘 要：CAE是現今機械設計相關研究的重要手段，特別是在受力分析，機構計算方面有著突出的作用。在汽車款式性能不斷優化的今天，汽車傳動軸也不斷地更新換代，其功能性能也不斷提升。實踐表明，CAE的應用有助于更快更直觀地對傳動軸的受力與性能進行研究。比如，傳動軸的動平衡特性，也從之前僅僅在動平衡機上觀察其平衡效果，慢慢轉變為通過仿真來預測其旋轉特性。

關鍵詞：傳動軸；仿真

1 CAE應用簡述

CAE（計算機輔助工程）分析是采用特定的軟件對特定零件、結構進行虛擬分析的方法，可通過人為施加虛擬的力、場等外界激勵，來觀察相對應的輸出結果。現主要運用于產品的設計，結構的優化，工程問題的解決等實際情況中，是工程領域重要的實用工具。

2 虎克傳動軸分析設計的現狀

虎克傳動軸已經有多年的生產歷史。近幾年來逐步采用CAD技術，設計的時間比原來縮短了。一個新產品在初始階段規格參數總是針對某一個固定用戶的，如果其他用戶需要采用同樣規格的傳動軸而傳動軸的參數不一樣的時候，就很難回答傳動軸是否適用，這就必須重做試驗。

CAD軟件的出現使產品設計更加快捷和簡便，CAE出現則解決產品的性能問題。要了解傳動軸的功能用CAD的三維軟件能基本解決問題，如要了解傳動軸的性能要求，用現有的方法只能做大量的試驗，要達到多快好省的目的，發展CAE應該是最好的方法。

因此，我們就要在產品設計的初期階段了解傳動軸的內在性能，如果在傳動軸設計完成后對其性能指標有一個比較正確的估計，這樣就能避免由于試驗沒有達到要求而出現的反復。傳動軸的性能分為靜態指標和動態指標，靜態指標包括強度和功能要求，動態指標包括動平衡、壽命和磨損等。

從CAE分析的難易來看，靜態指標一般容易分析，動態指標比較復雜，需要通過大量的試驗才能掌握。從傳動軸的設計程序考慮，CAE手段的開發應從以下幾個步驟考慮：

傳動軸總成的應力分析：主要的目的是確定傳動軸在靜態載荷下應力的分布情況，來確定傳動軸的薄弱環節，以便設計時的及時更正。

十字萬向節的設計：十字萬向節是虎克傳動軸最關鍵的零件，有必要建立十字萬向節滾針軸承的分析和優化CAE系統，分析萬向節的公差、滾針的形狀、熱處理和工作的環境溫度對軸承壽命的影響，從而為制定公差、熱處理參數、滾針的形狀要求設計提供依據。

傳動軸總成的壽命分析：材料疲勞強度的理論有很多種，通過建立傳動軸整體疲勞的強度分析CAE系統來確定在各種疲勞理論條件下傳動軸抗疲勞設計方法。

其他分析：傳動軸的動平衡分析、沖擊分析、花鍵的磨損分析、傳動軸的模擬裝配等。

對于CV傳動軸的設計由于傳動軸的受力情況比較復雜，可以先從應力分析著手，在虎克傳動軸的CAE分析積累了一定經驗后再進行更深入的研究。

3 CAE分析能力的形成

①根據要分析的問題選擇合適的CAE分析軟件；

②CAE和CAD數據對接，兩者數據可相互“引用”；

③按產品或結構種類進行歸納整理；

④建立數據庫；

⑤培養一定數量的CAE分析人員；

⑥將常規的CAE分析項目納入產品研發程序，將CAE分析報告作為鑒定新產品的依據。

4 CAE分析時應注意的問題

①將實際工程問題比較真實地轉化為力學問題。

②選定分析對象，確定其在實際工作狀態下的工況與受力情況，明確邊界條件、剛度以及質量等參數。

③在CAE建模前需要完成對整個零件或結構的具體的受力分析，可作出受力分析簡圖作為建模的基礎。

④在解決實際工程問題時要區分靜強度破壞、疲勞破壞等。因為結構破壞的原因不同，解決問題的方法也不同。

⑤在一般情況下，所建的有限元模型需要有唯一且明確的用途。需要根據制定的分析目標來建立相應的模型，而不宜提供分析目標以外的信息，建議在提出分析目的時要一次性說明。

⑥不應認為通過CAE分析計算后的初步結果即為實際的正確結果。應認識的虛擬的計算與實際情況存在一定的差異，有時會對計算結果產生較大影響。因此需要通過實際的試驗設計回過頭來驗證模型的正確性及計算結果的合理性。

⑦需要補充說明的是試驗驗證也存在誤差，只能說試驗驗證得到的結果不能與CAE計算分析的結果存在顯著的差異。

⑧CAE的分析結果僅作為參考，一般CAE軟件可計算提供多種優化的方案供用戶選擇，但不會使用此計算結果作出對具體問題的評判。

5 CAE分析簡介

5.1 模型準備及處理

CAE軟件在進行網格劃分時，通常會遇到的一些問題有：

①導入曲面數據時存在縫隙、重疊、錯位等。

②邊界錯位引起網格扭曲。

③模型中包含某些微小的特征，如曲面和邊的倒圓、小孔，而進行分析時如果要準確模擬這些特征，需要用到很多小的單元，導致求解時間過長。

④由于軟件接口間的問題，在進行模型的倒入時，導入后的模型有可能會產生一些無法預知的缺陷。

因此在進行劃分網格前，需要對現有的模型進行優化，以提高計算的精度以及計算耗費的時間。

而在網格劃分時，從理論角度來說，如果是分析實體的話采用六面體劃分網格最為理想，但實際操作起來難度較大，因此在精度允許的情況下通常采用四面體來進行網格劃分。（如果研究對象為面的話則采用六邊形或四邊形。）

5.2 實例的分析來簡要說明

根據客戶的要求，需要提供適用于NVH分析的縱向傳動軸和半軸有限元模型。

傳動軸網格劃分如下，包括材料，約束，各零部件之間的裝配關系（主要是焊接關 三腳突緣的約束： 三腳突緣和

系的模擬） 軸管的連接：

5.3 軸承碗油封和十字軸軸頸的配合說明