雙聯(lián)式萬向節(jié)有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

吳磊，梁卓，沈光烈

（廣西科技大學(xué)汽車工程研究所，廣西柳州545006）

雙聯(lián)式萬向節(jié)有限元分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

吳磊，梁卓，沈光烈

（廣西科技大學(xué)汽車工程研究所，廣西柳州545006）

通過正確的結(jié)構(gòu)模型化，成功完成了雙聯(lián)式萬向節(jié)多個接觸面及雙面接觸的整體結(jié)構(gòu)有限元分析.對分析結(jié)果中所暴露的強度問題，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn).改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力值得到明顯下降，并順利通過了臺架試驗以及裝配軍用汽車后的5萬公里可靠性試驗.

模型化；接觸；有限元；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

0　引言

等速萬向節(jié)因其能夠?qū)崿F(xiàn)軸線不重合且位置經(jīng)常變化的兩軸間傳遞動力而廣泛用于FF和4WD車型的前橋半軸上.使用獨立懸掛的后驅(qū)車，其后橋半軸也采用等速萬向節(jié)傳動［1］.相對于一般的等速萬向節(jié)，雙聯(lián)式萬向節(jié)具有軸承密封性好、效率高、制造方便和工作可靠等優(yōu)點［2］；所以，在載重汽車的前橋半軸中尤為常見.

萬向節(jié)中動力的傳遞是依靠各零件間的接觸實現(xiàn).而雙聯(lián)式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、接觸面眾多，難以實現(xiàn)對其進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的有限元分析；目前大量關(guān)于該類型萬向節(jié)有限元分析的文獻(xiàn)報道都是采用單個零件分析或者簡化的準(zhǔn)靜態(tài)分析［3-4］.這類分析方法并沒有真實反映其結(jié)構(gòu)的傳力特點，將很多因素理想化，故造成計算結(jié)果失真.本研究通過正確的結(jié)構(gòu)模型化成功解決該結(jié)構(gòu)中涉及的多接觸面和雙面接觸難題，實現(xiàn)了雙聯(lián)式萬向節(jié)的整體結(jié)構(gòu)分析.

1　建立有限元計算模型

在有限元分析的多接觸、準(zhǔn)靜態(tài)領(lǐng)域，Abaqus是公認(rèn)的首選軟件，而HyperMesh也是公認(rèn)的有著強大前處理功能的有限元軟件［5］；因此，結(jié)合2款有限元軟件的特點，采用HyperMesh進(jìn)行有限元模型前處理并提交到Abaqus進(jìn)行求解.

1.1結(jié)構(gòu)模型化

圖1　實物圖Fig.1 Picture of real products

本項研究的雙聯(lián)式萬向節(jié)實際結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由左、右傳動軸，左、右十字軸，十字軸套，滾針軸承以及卡簧等零件組成.由于滾針軸承和卡簧結(jié)構(gòu)的尺寸很小難以實現(xiàn)接觸計算，且作為標(biāo)準(zhǔn)件只是起到中間傳力作用，并不是此次分析的重點；所以，本次分析的計算模型不考慮滾針軸承和卡簧結(jié)構(gòu)，其傳力功能采用一個尺寸相當(dāng)?shù)亩律w代替，具體的CAD結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖2所示.

圖2　CAD結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Picture of CAD structure

圖3　十字軸端部工藝孔的簡化圖Fig.3 Picture of cross shaft end hole of the simplified process

圖4　卡簧槽結(jié)構(gòu)的簡化Fig.4 Picture of circlip groove simplified structure

圖5　網(wǎng)格模型圖Fig.5 Picture of mesh model

同時對卡簧槽、十字軸端部的工藝孔等影響網(wǎng)格質(zhì)量的特征進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡化［6］，如圖3和圖4所示.

1.2網(wǎng)格劃分

本研究采用四面體單元對結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，考慮到模型中包含有多個接觸面，所以選擇與之適應(yīng)的修正2階四面體網(wǎng)格單元C3D10M進(jìn)行網(wǎng)格劃分.該計算共包含98 405個節(jié)點，425 999個四面體單元.具體網(wǎng)格模型如圖5所示.

1.3創(chuàng)建各接觸面

本項研究的一項難點是涉及多接觸面和雙面接觸的計算，共包含41個接觸面、16個接觸對，其中8個堵蓋是雙面接觸：堵蓋的外表面與十字軸套接觸，而內(nèi)表面與十字軸接觸，故稱為雙面接觸.為了保證該雙面接觸的計算成功，在劃分堵蓋網(wǎng)格時必須保證其厚度方向有3層網(wǎng)格.

另外，為了能夠使計算收斂，在每個堵蓋的端部用一維彈簧單元模擬卡簧對十字軸的約束作用，從而限制十字軸剛體位移.彈簧單元的內(nèi)側(cè)端點通過耦合的方式與堵蓋端面連接，外側(cè)端點通過SPC進(jìn)行約束，如圖6所示.

1.4建立邊界條件

根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，該型號萬向節(jié)設(shè)計最大傳遞扭矩為31 500N·m，故在其輸入軸端施加繞其軸線大小為31 500N·m的扭矩，輸出端及堵蓋彈簧外側(cè)端點采用SPC進(jìn)行固定，完成邊界條件定義及相關(guān)參數(shù)設(shè)置以后，提交到Abaqus進(jìn)行計算［7］.

圖6　堵蓋端面模型化圖Fig.6 Picture of c over face modeling

2　計算結(jié)果分析

萬向節(jié)整體結(jié)構(gòu)及各零件的應(yīng)力分布如圖7～圖10所示.

圖7　整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖Fig.7 Picture of the overall structure stress nephogram

圖8　傳動軸應(yīng)力云圖Fig.8 Picture of the shaft stress nephogram

圖9　十字軸應(yīng)力云圖Fig.9 Picture of the axial stress nephogram

圖10　十字軸套應(yīng)力云圖Fig.10 Picture of the cross shaft sleeve stress nephogram

通過對各零部件的應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)在傳動軸和十字軸的倒圓角處應(yīng)力值較高，分別達(dá)到了1 700MPa和2 029MPa，存在安全隱患，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn).

3　結(jié)構(gòu)改進(jìn)

對于上述計算結(jié)果中傳動軸和十字軸的倒圓角處的高應(yīng)力區(qū)，分析認(rèn)為是由于圓角太小形成應(yīng)力集中造成［8］，故提出如下改進(jìn)意見：

3.1傳動軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，傳動軸臺階高度太小導(dǎo)致圓角半徑受限制；因此，將傳動軸上下平面各加高2mm，圓角半徑由6mm變?yōu)?0mm，如圖11和圖12所示.

圖11　傳動軸原方案圖Fig.11 Picture of the shaft original plan

圖12　結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案示意圖Fig.12 Picture of the structure improvement plan

3.2十字軸結(jié)構(gòu)改進(jìn)

十字軸高應(yīng)力區(qū)的圓角半徑由1.5mm增大為5mm，如圖13和圖14所示.

圖13　十字軸原方案圖Fig.13 Picture of the spider original plan

圖14　十字軸改進(jìn)方案圖Fig.14 Picture of the spider improvement plan

3.3改進(jìn)效果

對以上2處結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改之后再次進(jìn)行有限元計算，高應(yīng)力區(qū)得到明顯改善，傳動軸處最大應(yīng)力由1 700MPa下降為1 290MPa，如圖15所示；十字軸處最大應(yīng)力由2 029MPa下降為1 102MPa，如圖16所示.結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的萬向節(jié)順利通過了臺架試驗以及裝配軍用汽車后的5×105km可靠性試驗，表明此次結(jié)構(gòu)改進(jìn)獲得成功.

圖15　改進(jìn)后傳動軸應(yīng)力云圖Fig.15 Picture of the improved transmission shaft stress nephogram

圖16　改進(jìn)后十字軸應(yīng)力云圖Fig.16 Picture of the improved cross shaft stress nephogram

4　總結(jié)

正確的結(jié)構(gòu)模型化是有限元分析最為關(guān)鍵的一步，只有在正確認(rèn)識結(jié)構(gòu)工作原理的前提下才能夠進(jìn)行正確的結(jié)構(gòu)模型化.有限元分析并不是計算模型與實際結(jié)構(gòu)越接近越好，只有緊扣分析目的，排除其他次要因素的干擾才能既高效又準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析.在該萬向節(jié)中卡簧和滾針軸承作為標(biāo)準(zhǔn)件只是起到中間傳力作用；同時，增加十字軸端面的工藝孔并不會削弱結(jié)構(gòu)強度；但是如果將這些細(xì)小的結(jié)構(gòu)全都考慮到有限元計算模型中，就會造成以下兩方面問題：第一，需要使用很小尺寸的網(wǎng)格，大大增長了計算時間；第二，就目前的有限元技術(shù)難以實現(xiàn)類似于滾針軸承和卡簧等細(xì)小結(jié)構(gòu)的接觸計算；所以，本次分析正是在認(rèn)識到結(jié)構(gòu)模型化重要性的前提下，才順利地完成了該類型萬向節(jié)考慮多接觸面及雙面接觸的整體分析和后續(xù)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)工作.

［1］盧曦，周萍，孫躍東，等.汽車等速萬向節(jié)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2002（3）：116－117.

［2］林幕義，張福生.車輛底盤構(gòu)造與設(shè)計［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

［3］劉濤，楊長征.基于Nastran的十字軸萬向節(jié)有限元分析［J］.鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，24（2）：99－100.

［4］陳科.重型十字軸萬向聯(lián)軸的運動仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2013.

［5］王祖皓，尹輝俊，張蕓華，等.某叉車門架有限元模型評估［J］.廣西科技大學(xué)學(xué)報，2015，26（4）：21－25.

［6］劉榮軍，吳新躍，鄭建華.有限元建模中的幾何清理問題［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2005（9）：145－147.

［7］李健，黃紅生，袁杰，等.鋁合金管件液壓脹形的實驗及仿真分析［J］.廣西科技大學(xué)學(xué)報，2014，25（3）：1－5，20.

［8］馬文濤.幾種構(gòu)造細(xì)節(jié)產(chǎn)生的應(yīng)力集中對疲勞強度的影響［D］.太原：太原理工大學(xué)，2014.

（學(xué)科編輯：黎婭）

The finite element analysis and structure improvement of duplex cardan

WU Lei,LIANG Zhuo,SHEN Guang-lie
（Research Institute of Automotive Engineering,Guangxi University of Science and Technology, Liuzhou 545006，China）

Through correct structure modeling,the paper completed the finite element analysis of the structure of the duplex cardan that contains multiple interfaces and double contact.The structure has been improved based on the analysis result.After that,the stress value on the high stress area of the structure has decreased significantly. And the parts bench test and reliability test of 50,000 kilometers after being assembled to military vehicles have been passed.

modeling;contact;finite;structure improvement

TH132

A

2095-7335（2016）03-0065-04

10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2016.03.012

2016-03-07

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（桂科攻1598007-29）資助.

吳磊，碩士，研究方向：汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真，E-mail：359361081＠qq.com.