等速萬向節(jié)防塵罩失效分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

石伯妹，沈偉江，邱寶象，郭增均

(萬向錢潮股份有限公司，浙江 杭州 311215)

等速萬向節(jié)防塵罩失效分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Failure analysis and structure optimization of constant velocity universal joint dust cove

石伯妹，沈偉江，邱寶象，郭增均

(萬向錢潮股份有限公司，浙江 杭州 311215)

某等速萬向節(jié)在使用過程中發(fā)生了防塵罩破損漏油。通過Abaqus和試驗(yàn)?zāi)M的方法對防塵罩進(jìn)行了失效分析，查找了失效原因。分析發(fā)現(xiàn)在裝車過程中，等速萬向節(jié)擺動(dòng)到極限位置的時(shí)候，防塵罩波谷受到殼體和軸桿的擠壓，從而導(dǎo)致破損。根據(jù)失效情況，對防塵罩進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果顯示，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)可避免防塵罩因擠壓而導(dǎo)致破損。

等速萬向節(jié)；防塵罩；失效分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

等速萬向節(jié)防塵罩與殼體和中間軸桿相配合，如圖1所示，存儲(chǔ)潤滑脂并防止雜物如泥沙、水等進(jìn)入萬向節(jié)腔內(nèi)。我公司某等速萬向節(jié)在使用過程中發(fā)生了漏油現(xiàn)象，檢查發(fā)現(xiàn)防塵罩出現(xiàn)了破損，如圖2所示。針對這一問題，本文通過有限元方法對防塵罩在各種工況的變形情況進(jìn)行了分析，分析發(fā)現(xiàn)在極限工況時(shí)，防塵罩與等速萬向節(jié)殼體和軸桿發(fā)生了干涉。用實(shí)物模擬時(shí)，再現(xiàn)了同樣的問題。據(jù)此對防塵罩進(jìn)行了優(yōu)化，并對優(yōu)化后結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬分析。防塵罩受力變形過程比較復(fù)雜，具有幾何非線性和材料非線性的雙重非線性特性，傳統(tǒng)的理論分析方法和試驗(yàn)方法很難及時(shí)有效地對其使用過程中的變形和應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模擬與分析[1]。有限元與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的結(jié)合，可以快速有效的對防塵罩進(jìn)行各種工況下的仿真分析[2～3]。

1 防塵罩材料

該等速萬向節(jié)防塵罩采用氯丁橡膠，是一種非線性材料。本文分析時(shí)采用MooneyRivilin模型，該模型是目前最常用的橡膠類材料模型[2]：

式中：C1、 C2為Mooney-Rivilin模型參數(shù)，通過試驗(yàn)確定。通過對材料進(jìn)行單軸向拉伸和壓縮試驗(yàn)，得到材料應(yīng)力—應(yīng)變數(shù)據(jù)，將材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入材料模型，泊松比取0.49，通過數(shù)據(jù)擬合確定材料模型的兩個(gè)參數(shù)C1和 C2。

圖1 防塵罩結(jié)構(gòu)

圖2 防塵罩破損

2 防塵罩有限元模型

根據(jù)防塵罩結(jié)構(gòu)與載荷的對稱性，取一半結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模與分析。有限元模型如圖3所示。防塵罩小端部位與軸桿約束，大端部位與殼體約束。在等速萬向節(jié)擺動(dòng)角度較大時(shí)，防塵罩波谷與波谷、波峰與波峰之間會(huì)發(fā)生接觸，另外防塵罩與軸桿、殼體之間也會(huì)發(fā)生接觸，在可能發(fā)生接觸的部位施加接觸對。為使模型能在節(jié)點(diǎn)不是非常龐大的情況下,比較精確地模擬實(shí)際情況,在接觸區(qū)域和結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位將網(wǎng)格劃分細(xì)一些，以保證計(jì)算精度。根據(jù)工況，殼體部位施加軸向位移約束，在等速萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)中心施加角度約束。

圖3 有限元模型

3 防塵罩失效分析

通過Abaqus模擬了防塵罩在各種工況時(shí)的應(yīng)力、應(yīng)變和干涉情況。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)人偃f向節(jié)擺動(dòng)到一定角度、軸向產(chǎn)生一定位移時(shí)（極限工況），防塵罩波谷3會(huì)受到軸桿和殼體的擠壓。擠壓部位最大主應(yīng)變約0.35，接觸應(yīng)力約0.8 MPa。另外實(shí)物模擬了等速萬向節(jié)在極限工況時(shí)的情況：防塵罩波谷受到殼體和軸桿的擠壓，再現(xiàn)了防塵罩破損的現(xiàn)象。如表中圖片所示。有限元分析結(jié)果、實(shí)物模擬結(jié)果與實(shí)際失效情況一致。根據(jù)分析結(jié)果，了解到：在裝車過程中，半軸變速箱一端的等速萬向節(jié)已插入，在裝配輪轂一端時(shí)需要擺動(dòng)較大的角度，才能將半軸另一端（輪轂端）等速萬向節(jié)插入輪轂中，裝配過程中，變速箱端等速萬向節(jié)被壓縮，同時(shí)擺動(dòng)角度過大，從而導(dǎo)致防塵罩波谷被擠壓在殼體與軸桿之間，造成防塵罩穿孔破裂。

表1 防塵罩優(yōu)化前后對比

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比

根據(jù)防塵罩失效部位、失效原因，對防塵罩進(jìn)行了優(yōu)化，修改了防塵罩波谷3的尺寸，并根據(jù)實(shí)際情況相應(yīng)適當(dāng)調(diào)整了防塵罩其他部位的尺寸。對優(yōu)化后防塵罩進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果顯示，在極限情況，防塵罩波谷3避開了殼體和軸桿的擠壓。且防塵罩最大主應(yīng)變下降到0.21，下降了39.1%；接觸應(yīng)力下降到0.49 MPa，下降了39.5%。對優(yōu)化后防塵罩進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)可避免防塵罩?jǐn)D壓破損。如表1中圖片所示。

5 結(jié)束語：

本文利用有限元分析了防塵罩破損原因及對應(yīng)工況，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)及優(yōu)化分析，使優(yōu)化后結(jié)構(gòu)避免破損。同時(shí)通過對仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較，驗(yàn)證了防塵罩非線性有限元分析方法的準(zhǔn)確性。

[1] 楊曉翔. 非線性橡膠材料的有限單元法. 北京: 石油工業(yè)出版社, 1999:70～87.

[2] 李曉芳,楊曉翔. 橡膠材料的超彈性本構(gòu)模型. 彈性體, 2005;15(1):50～58.

[3] 石伯妹,資小林,郭增均. 等速萬向節(jié)防塵罩非線性有限元分析與試驗(yàn)驗(yàn)證. 綿陽:中國計(jì)算力學(xué)大會(huì)2010暨第8屆南方計(jì)算力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議, 2010.

(R-03)

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燕豐 供稿

TQ320.5

1009-797X(2016)24-0087-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.24.026

石伯妹（1982-），女，中級(jí)工程師，研究方向?yàn)槠嚨妆P零部件。

2016-11-18