考慮關鍵運動副特點的等速萬向節模態分析

陳源，湯國亞，周明剛，劉明勇，張苗

(湖北工業大學 農業機械工程研究設計院，武漢 430060)

隨著國內汽車行業的迅猛發展，對轎車的振動、噪聲、舒適性(NVH)等要求越來越高。傳動系統作為轎車動力傳動單元的同時，也是產生轎車振動噪聲的重要來源之一[1-2]。等速萬向節作為傳動系統的關鍵零部件，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的振動噪聲，需要對其進行一系列振動特性分析。

現考慮等速萬向節的結構特點與工況，將復雜的接觸關系、空間結構等效為運動副，應用有限元分析軟件對等速萬向節進行振動分析；同時考慮等速萬向節等效運動副處理的可行性，為驗證該分析結果的正確性，采用B&K振動測試系統進行試驗模態分析。

1 建模

1.1 三維模型建立

以國內某自主品牌轎車用球籠式和三球銷式等速萬向節為例建立三維模型，其結構如圖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、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，構成等速萬向節。

1.2 兩端運動副模型的建立

等速萬向節結構復雜，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，但與實際工況和結構特點不符，很難保證計算結果的正確性；若采用接觸副處理建立其有限元模型，等速萬向節接觸副較多，計算結果不易收斂,準確性也難以保證。現采用運動副處理來建立等速萬向節兩端運動副模型，將其兩端復雜結構等效為轉動副。在等速萬向節固定端的鐘形殼球面與保持架外球面建立固定端轉動副，在滑移端的三叉銷與圓柱槽殼間建立滑移端轉動副，如圖2所示。因此需要分別獲取兩端轉動的扭轉剛度系數和阻尼系數。

2 扭轉剛度測試

為了準確獲得等速萬向節固定端、滑移端的扭轉剛度系數，將等速萬向節一端的中間軸固定，在另一端鐘形殼上施加力F，L為轉動半徑，如圖3所示。在質構儀上進行靜剛度測試，如圖4所示。

圖3 等速萬向節測量原理圖

圖4 等速萬向節剛度測試圖

根據圖4的測試方案，在質構儀測量系統中采集F和向下行程位移S的關系曲線和數據。其中固定端取L=130 mm、滑移端取L=100 mm，設定S=10 mm，在質構儀上分別對固定端和滑移端進行扭轉剛度系數測試。由于S比L小，可得等速萬向節測量時轉動角度θ較小，即

θ≈tanθ=S/L。

(1)

由M=FL，將質構儀測量數據轉化為力矩M與轉角θ的關系，并采用最小二乘法處理為

(2)

(3)

測量數據處理如圖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,可得固定端扭轉剛度系數Kθ1=208.77 N·mm/(°)，滑移端扭轉剛度系數Kθ2=113.44 N·mm/(°)。

圖5 試驗數據與處理

3 有限元模態分析

在有限元分析軟件ANSYS中導入等速萬向節三維模型，設置獲取的扭轉剛度系數，忽略系統阻尼，對其進行自由模態分析。材料參數設置見表1，采用四面體網格，劃分結果如圖6所示。模態分析結果如圖7所示，等速萬向節的1階模態頻率為134 Hz，2階模態頻率為420 Hz。

表1 汽車等速萬向節材料參數

圖7 有限元模態分析

4 試驗模態分析

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

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

圖8 試驗模態分析

表2 有限元模態分析頻率與試驗模態分析頻率比較

5 結論

1)結合等速萬向節的結構特點和工況，將其兩端等效為運動副，并通過試驗測量其扭轉剛度系數，建立其有限元模型。

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

3)對等速萬向節進行模態分析研究可為解決轎車傳動中NVH提供一定基礎。