考慮關(guān)鍵運動副特點的等速萬向節(jié)模態(tài)分析

陳源，湯國亞，周明剛，劉明勇，張苗

(湖北工業(yè)大學 農(nóng)業(yè)機械工程研究設計院，武漢 430060)

隨著國內(nèi)汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，對轎車的振動、噪聲、舒適性(NVH)等要求越來越高。傳動系統(tǒng)作為轎車動力傳動單元的同時，也是產(chǎn)生轎車振動噪聲的重要來源之一[1-2]。等速萬向節(jié)作為傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其性能不僅影響轎車的操縱性和動力性，而且影響轎車的舒適性和平順性[3]。為進一步改善等速萬向節(jié)的振動噪聲，需要對其進行一系列振動特性分析。

現(xiàn)考慮等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點與工況，將復雜的接觸關(guān)系、空間結(jié)構(gòu)等效為運動副，應用有限元分析軟件對等速萬向節(jié)進行振動分析；同時考慮等速萬向節(jié)等效運動副處理的可行性，為驗證該分析結(jié)果的正確性，采用B&K振動測試系統(tǒng)進行試驗模態(tài)分析。

1 建模

1.1 三維模型建立

以國內(nèi)某自主品牌轎車用球籠式和三球銷式等速萬向節(jié)為例建立三維模型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。星形套與鐘形殼間有球面和6組共軛溝道曲面，保持架內(nèi)、外球面分別與鐘形殼和星形套球面精確配合，6個鋼球分別在6組共軛溝道曲面中配合，三叉銷與圓柱槽殼配合，構(gòu)成等速萬向節(jié)。

1.2 兩端運動副模型的建立

等速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)復雜，接觸對較多。若采用綁定線性處理[4-5]建立其有限元模型，雖計算簡便，但與實際工況和結(jié)構(gòu)特點不符，很難保證計算結(jié)果的正確性；若采用接觸副處理建立其有限元模型，等速萬向節(jié)接觸副較多，計算結(jié)果不易收斂,準確性也難以保證?，F(xiàn)采用運動副處理來建立等速萬向節(jié)兩端運動副模型，將其兩端復雜結(jié)構(gòu)等效為轉(zhuǎn)動副。在等速萬向節(jié)固定端的鐘形殼球面與保持架外球面建立固定端轉(zhuǎn)動副，在滑移端的三叉銷與圓柱槽殼間建立滑移端轉(zhuǎn)動副，如圖2所示。因此需要分別獲取兩端轉(zhuǎn)動的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)。

2 扭轉(zhuǎn)剛度測試

為了準確獲得等速萬向節(jié)固定端、滑移端的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，將等速萬向節(jié)一端的中間軸固定，在另一端鐘形殼上施加力F，L為轉(zhuǎn)動半徑，如圖3所示。在質(zhì)構(gòu)儀上進行靜剛度測試，如圖4所示。

圖3 等速萬向節(jié)測量原理圖

圖4 等速萬向節(jié)剛度測試圖

根據(jù)圖4的測試方案，在質(zhì)構(gòu)儀測量系統(tǒng)中采集F和向下行程位移S的關(guān)系曲線和數(shù)據(jù)。其中固定端取L=130 mm、滑移端取L=100 mm，設定S=10 mm，在質(zhì)構(gòu)儀上分別對固定端和滑移端進行扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)測試。由于S比L小，可得等速萬向節(jié)測量時轉(zhuǎn)動角度θ較小，即

θ≈tanθ=S/L。

(1)

由M=FL，將質(zhì)構(gòu)儀測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為力矩M與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系，并采用最小二乘法處理為

(2)

(3)

測量數(shù)據(jù)處理如圖5所示。固定端的b1=208.77，a1=-23.50；滑移端的b2=113.44，a2=-52.80。由M=Kθθ，其中Kθ=b,可得固定端扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)Kθ1=208.77 N·mm/(°)，滑移端扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)Kθ2=113.44 N·mm/(°)。

圖5 試驗數(shù)據(jù)與處理

3 有限元模態(tài)分析

在有限元分析軟件ANSYS中導入等速萬向節(jié)三維模型，設置獲取的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，忽略系統(tǒng)阻尼，對其進行自由模態(tài)分析。材料參數(shù)設置見表1，采用四面體網(wǎng)格，劃分結(jié)果如圖6所示。模態(tài)分析結(jié)果如圖7所示，等速萬向節(jié)的1階模態(tài)頻率為134 Hz，2階模態(tài)頻率為420 Hz。

表1 汽車等速萬向節(jié)材料參數(shù)

圖7 有限元模態(tài)分析

4 試驗模態(tài)分析

采用B&K振動測試系統(tǒng)對等速萬向節(jié)的試樣進行自由模態(tài)分析，具體試驗方案如圖8所示。用橡膠軟繩懸吊等速萬向節(jié)，安裝位移傳感器，采用捶擊法進行試驗模態(tài)分析。通過B&K振動測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取實物樣件的頻率特性，與考慮關(guān)鍵運動副特點的有限元模態(tài)分析結(jié)果比較，以驗證等速萬向節(jié)有限元仿真分析的正確性。

由圖8可知，球籠式等速萬向節(jié)的1階頻率為129 Hz，2階頻率為406 Hz。與有限元模態(tài)分析結(jié)果比較見表2，兩者結(jié)果基本一致。

圖8 試驗模態(tài)分析

表2 有限元模態(tài)分析頻率與試驗模態(tài)分析頻率比較

5 結(jié)論

1)結(jié)合等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點和工況，將其兩端等效為運動副，并通過試驗測量其扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，建立其有限元模型。

2)基于有限元模型，采用試驗模態(tài)法和有限元模態(tài)法對等速萬向節(jié)前二階模態(tài)進行分析，結(jié)果驗證了對等速萬向節(jié)進行運動副處理的適用性。

3)對等速萬向節(jié)進行模態(tài)分析研究可為解決轎車傳動中NVH提供一定基礎。