三輪摩托車半軸靜扭強度分析及結構優化

劉煥領　景亞兵　馬　娜　白　偉（天津大學內燃機研究所　天津　300072）

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三輪摩托車半軸靜扭強度分析及結構優化

劉煥領景亞兵馬娜白偉
（天津大學內燃機研究所天津300072）

摘要：針對三輪摩托車全浮式半軸法蘭和軸結合處的斷裂問題，進行了靜扭強度分析，分析發現該結合處的應力較其他位置的應力大。為解決這個問題，對該結合處的結構利用結構優化方法提出優化方案。

關鍵詞：全浮式半軸靜強度結構優化

引言

三輪摩托車是農業生產和運輸的主要工具，半軸是其傳遞動力的關鍵零部件，在使用過程中半軸發生斷裂，不僅危害用戶的人身安全，嚴重影響用戶的經濟效益，同時也對生產廠家的聲譽產生了惡劣的影響。受某三輪摩托車公司委托，對其生產的某型號三輪摩托車發生的半軸斷裂破壞現象進行仿真分析，并利用結構優化的方法分析半軸結構，提出解決方案。

1問題描述

半軸是在差速器與驅動輪之間傳遞動力的實心軸，是傳動系中傳遞扭矩的一個重要零件。從差速器傳來的扭矩經過半軸、輪轂等，最終傳遞給車輪。半軸分為半浮式、全浮式和3/4浮式三種，所謂“浮”是指卸除半軸的彎曲載荷而言，其中半浮式和全浮式兩種型式應用得較為廣泛。半浮式半軸除傳遞扭矩外，還要承受垂直力、側向力及縱向力所作用的彎矩；全浮式半軸只傳遞扭矩，其它的力和力矩由橋殼來承受。本文分析的半軸屬于全浮半軸形式，實物如圖1所示。大多數半軸生產廠進行半軸法蘭鍛造時，大都采用臥式擺輾工藝。半軸臥式擺輾工藝的特點：比校平鍛機操作簡便，能耗低，易維修。

圖1　全浮半軸實物圖

該三輪摩托車半軸在法蘭和軸的連接處發生橫向斷裂，據調查，該斷裂現象在半軸損壞的各種形式中占比很大。圖2為半軸斷口的形式，初步分析判斷是該處應力集中，超過材料的許用應力而產生裂紋，隨著裂紋的不斷擴展，最后發生斷裂。接下來通過有限元靜扭強度分析，計算該處的應力水平。

圖2　半軸斷口的形式

2靜扭強度分析

2.1有限元模型建模

利用HyperMesh對CAD三維幾何模型進行有限元模型的建立。整體采用六面體單元進行網格劃分，以提高計算精度。法蘭盤的螺栓孔用REB2單元進行連接。有限元模型如圖3所示。

圖3　半軸有限元模型

2.2材料屬性

計算中所使用的材料參數如表1所示，取安全系數為2，計算得到許用扭轉應力為392.5MPa。

表1　材料參數

2.3邊界條件

約束法蘭盤螺栓孔中心節點的6個自由度（見圖4）；

圖4　約束邊界

在半軸另一端花鍵部位模擬實際中的花鍵配合，在內、外花鍵之間設置面接觸（見圖5），在外花鍵端部施加扭矩。

圖5　內外花鍵間的面接觸

全浮式半軸只承受扭矩的作用，關于半軸所承受最大扭矩值，應是發動機的最大輸出扭矩與輪胎路面附著力所產生扭矩值兩個之中小者，其計算轉矩可由T = X·r求得，其中X的計算，可根據以下兩種方法計算，并取兩者中的較小者[1]。

若按最大附著力計算，即式中：G2為滿載靜止摩托車的驅動橋對水平地面的載荷，N；φ為輪胎與地面的附著系數，可取0.8；m′為車輛加速或減速時的質量轉移系數，可取1.2～1.4。

若按發動機最大扭矩計算，即

式中：ξ為差速器的轉矩分配系數，對于普通圓錐行星齒輪差速器取0.6；Temax為發動機最大扭矩，N·m；ηT為車輛傳動效率，計算時可取1或取0.9；iTL為傳動系最低擋傳動比；r為輪胎的滾動半徑，m。

各參數的取值如表2和表3所示。

表2　按最大附著力計算扭矩各參數及計算結果

表3　按發動機最大扭矩計算扭矩各參數及計算結果

根據以上公式和參數計算得到兩種情況下半軸所受到的扭矩，取兩者中的較小的值，得到半軸所受扭矩為729N·m，將該扭矩施加到外花鍵端部，如圖6所示。

圖6　施加扭矩載荷

2.4靜扭強度分析結果

經計算得到如圖7所示的靜扭強度VonMises應力分布結果圖，從應力云圖上可以看到應力最大點出現在半軸法蘭盤和軸連接處，與實物圖（見圖2）的斷裂位置一致；最大值為399.6 MPa，與許用扭轉應力392.5 MPa非常接近，因此需要降低該連接處的最大應力值。通過改變過渡圓角半徑來降低應力，是比較常用的方法，但是原始結構中該處過渡圓角半徑為R5，已經比較大，筆者將該半徑增大為R8，計算得到該連接處的最大應力值為388 MPa，仍存在安全隱患。

圖7　 VonMises應力分布圖

因此下文將采用結構優化的方法來優化該部位的幾何結構。

3優化分析

優化分析模型一般是由目標函數、約束條件、優化設計變量三個方面組成，借助HyperWorks里的OptiStruct模塊可以很方便地實現對半軸的優化設計。

3.1形狀優化概述

形狀優化技術通過將網格節點移動或者變形到某個新的位置，相當于改變零部件的CAD設計，從而提高零部件的性能，如提高剛度、模態，減低應力集中等[2]。形狀優化具有一類特殊的變量———形狀變量，形狀變量是結構有限元模型中被選擇的一組節點，這組節點具有規定的運動方向和運動規律，形狀優化通過這組節點的運動來達到改變結構形狀的目的。使用形狀優化方法時應該注意以下兩點問題：

1）保持原有的結構形狀特征。必須對節點運動進行正確和完整的定義，以使在形狀優化中結構形狀修改后仍保持原有的形狀特征。

2）保證較高的單元質量。形狀優化中節點的移動將引起相關單元的形狀發生變化。如果節點移動量太大，單元就難以保持原有的質量而出現畸形單元，從而造成有限元計算無法進行而終止迭代。為減少因節點移動而造成的單元變形，可選擇適當的內部節點一起運動，以使結構形狀改變由更多的單元變形來分擔，從而避免部分單元變形太大[3]。

3.2形狀優化分析

在Optistruct中應力較大區域表面上的節點定義為設計變量，如圖8所示；將模型整體應力最小化定義為目標函數，進行自由形狀優化。

經過形狀優化，最終得到了較為理想的設計方案。如圖9所示，圖中淺藍色網格為原始結構，深藍色網格是優化后的結構。將原始方案與優化設計方案相比較，可以清楚地看到優化后的最大應力為347Mpa，優化方案的應力水平降低了13.3%，見表4，半軸法蘭與軸連接處的結構更加優化。

可以看到，優化后法蘭和軸的連接是通過一過渡曲面完成的，在實際加工中可通過Optistuct得到優化后的三維模型，導入到三維制圖軟件中生成適用于數控加工模型，在數控加工中心加工得到該過渡曲面。

圖8　形狀優化設計區域

圖9　優化后的形狀和應力結果

表4　優化前后應力水平對比

4　結論

通過形狀優化，最終得到了較為理想的設計方案，優化方案的應力水平降低了13.3%。通過該分析實例，說明形狀優化設計具有實際工程運用意義，當然這還需要后續的試驗進行驗證。同時此次分析只是針對三輪摩托車在靜力工況下對半軸進行了優化設計，在實際工程運用中，還需綜合考慮其它載荷工況來進行更全面的驗證和優化，這也是優化設計的關鍵點。此外，在實際生產過程中還需要考慮加工工藝對半軸靜扭強度的影響，使得最終的優化設計方案具有更好的效果。

參考文獻

1劉惟信.汽車車橋設計[M].北京：清華大學出版社，2004

2洪清泉，趙康，張攀. Optistruct&HyperStudy理論基礎與工程應用[M].北京：機械工業出版社，2012

3曾祥貴. N485柴油發動機連桿曲軸結構強度分析與優化設計[D].重慶：重慶大學，2001

Static Tensional Strength Analysis and Structure
Optimization of Motor Tricycle Axle Shaft

Liu Huanling，Jing Yabing，Ma Na，Bai Wei
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）

Abstract：The full-floating axle shaft of motor tricycle fractured at the junction of the flange and the shaft. The fracture reason was studied by static tensional strength analysis，and the result showed that the stress value of the junction is larger than other location. To solve this problem, the structure optimization was used to optimize the structure of the junction.

Keywords：Full-floating axle shaft，Static strength，Structure optimization

收稿日期：（2015-02-02）

文章編號：2095-8234（2015）03-0060-04

文獻標識碼：A

中圖分類號：U463.218+.6

作者簡介：劉煥領（1982-），女，工程師，主要研究方向為摩托車振動與噪聲。