基于Ansys Workbench的汽車傳動軸參數建模及振動特性分析

吳 彬 ， 黃曉萍 ， 連碧華 ， 盧 彬

（南京機電職業技術學院，江蘇 南京 211300）

傳動軸是汽車傳動系統的核心部件之一，在汽車行駛過程中它將發動機變速箱輸出的動力傳遞給前后橋的主減速器，傳動軸性能的好壞直接影響汽車舒適性、燃油經濟性和可靠性[1]。由于傳動軸本身的結構特點和常處于高速運轉工況，不可避免地存在振動及噪聲現象。對傳動軸結構進行精確的三維數字化建模可以縮短產品的開發周期，也能為傳動軸的振動研究提供模型基礎[2]。傳動軸的振動主要來自起步、加速和制動時發動機的激勵和特殊路面等外部工況引起的振動，找到引起共振的固有頻率，從而使汽車常行駛的速度避開，可以有效地減少傳動軸帶來的振動及噪聲問題，提高汽車舒適性、燃油經濟性和工作可靠性[3]。

1 傳動軸的參數化建模

CATIA建模技術廣泛地應用于汽車、航空航天、通用機械等領域，是一種基于特征和約束的通用三維CAD軟件，方便交互式地建立和編輯復雜實體，具有13個模組：基礎結構、機械設計、形狀、分析與模擬、ACE工廠、加工、數字化裝配等。這里選用此建模技術對傳動軸進行建模。本次研究的傳動軸主要由兩個凸緣叉、十字軸、套筒、主軸、滑動叉和防塵罩等結構組成，主要用到基礎結構、機械設計和數字化裝配模組[4-7]。

傳動軸系統建模是以簡單的各部分零件建模為基礎，零件的基本組成單元是特征，而二維草圖是創建特征的基礎，例如創建拉伸、旋轉、掃掠等特征都需要繪制二維草圖[8]。因此，在建立傳動軸各部分零件時，先創建零件的各部分草圖，再對草圖進行編輯、標注、幾何約束等操作，草圖創建完成后，根據已創建的草圖進行特征的創建、編輯和變換，完成各部分零件實體的創建。傳動軸的各零件主要使用了凸臺、凹槽、旋轉體、旋轉槽、孔、實體混合、多截面實體、拔模斜度等特征命令生成最后的零件實體，創建完成的傳動軸各部分零件圖如圖1至圖4所示。

圖1 主軸

圖2 凸緣叉

圖3 滑動叉

圖4 十字軸

將創建好的各部分零件圖，加載到裝配設計模塊下，添加相應的裝配約束關系，完成傳動軸的裝配設計，傳動軸裝配圖如圖5所示。

圖5 傳動軸裝配模型

2 傳動軸有限元模態分析

汽車傳動軸的振動特性決定各種動力載荷的響應情況，模態分析主要用于確定其結構的振動特性，因此，對汽車傳動軸進步結構動力學分析的前提是完成其模態分析[9-12]。在傳動軸系統中，由于主軸的長度較長，振動和噪聲也最顯著，因此這里選擇對主軸進行有限元模態分析。利用Ansys Workbench對汽車傳動軸的主軸進行有限元模態分析，將CATIA建立好的傳動軸三維模型導入Ansys Workbench軟件的modal模塊下完成傳動軸主軸的自由模態與約束模態分析，求解得到其固有頻率與振型。

2.1 傳動軸主軸的材料設置與網格劃分

根據傳動軸的傳動特點，選取的傳動軸材料為40CrNi，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 900 kg/m3。主軸的花鍵滑移部分和萬向節部分是不規則的幾何實體，若采用復雜的網格劃分方法會導致網格密度與實際求解精度不符，這里采用四面體主導自動網格劃分，大小選擇0.2 mm，劃分后傳動軸網格模型共生成23 197個單元、115 055個節點，劃分后的網格模型如圖6所示。

圖6 傳動軸主軸網格模型

2.2 自由模態與約束模態求解分析

2.2.1 自由模態

對傳動軸主軸不施加任何約束狀態所得到的振動模態稱為自由模態，提取其前12階振型和頻率進行分析，得到自由模態下固有頻率和最大位移如表1所示，第6、8、10、12階振型云圖如圖7所示。

表1 主軸自由模態下前12階最大位移及固有頻率

圖7 第6、8、10、12階振型自由模態云圖

從表1可以看出，前6階振型固有頻率基本為0，這是由于在自由模態下前6階模態屬于剛體位移模態。相鄰兩階7和8固有頻率值大致相等，說明它們是系統振動方程的重根。根據振型云圖，第8階主軸中間位置發生彎曲變形；第10階主軸沿軸線發生波動變形；第12階主軸花鍵滑移端發生嚴重變形。自由模態下主軸從1階至12階振型經過了剛性振型階段、整體彈性振動階段和局部彈性振動階段。

2.2.2 約束模態

要想建立傳動軸主軸實際傳動中的有限元模態分析模型，需要對其施加能夠反映主軸與滑動叉及凸緣叉相互作用關系的約束條件，這樣就能夠近似地反映主軸在實際傳動過程中的動態性能。主軸傳動時，對主軸十字軸端與十字軸相接觸的孔添加旋轉約束，主軸的另一端添加動力轉矩的反方向載荷，主軸軸線方向添加動力轉矩。提取其前12階振型和頻率進行分析，得到約束模態下最大位移和固有頻率如表2所示，第4、8、10、12階振型云圖如圖8所示。

表2 主軸約束模態下前12階最大位移及固有頻率

圖8 第4、8、10、12階約束模態振型云圖

從表2可看出，添加約束條件后，擺線輪前6階固有頻率與自由模態下有區別，前8階的約束模態固有頻率分別為30.656 Hz、41.327 Hz、222.65 Hz、264.98 Hz、636.11 Hz、733.96 Hz、791.3 Hz、917.79 Hz。約束模態更能反映實際傳動的動態特性，且低階振型對結構的影響最大，在設計傳動軸時，要避開這些頻率，以免共振發生。從振型云圖可以看出，第4階主軸的中間部位發生彎曲變形；第8階后主軸開始發生波動變形，階數越高，主軸沿軸線方向的波動變形越大。約束模態下主軸跳過了整體彈性振動階段，這是施加傳動約束后，主軸整體剛度分布不均勻所致。

3 結語

1）通過CATIA建模技術實現了傳動軸總成的參數化建模，為后續傳動軸主軸的動態特性研究創造條件，縮短了傳動軸的開發周期，為減少傳動軸的研發成本打下基礎。

2）對傳動軸主軸進行有限元模態分析，得到自由模態與約束模態前12階振型的固有頻率及最大位移，約束模態下前8階固有頻率分別為30.656 Hz、41.327 Hz、222.65 Hz、264.98 Hz、636.11 Hz、733.96 Hz、791.3 Hz、917.79 Hz。約束模態能反映實際傳動的動態特性，且低階振型對結構的影響最大，在設計和傳動工作過程中要避開這些頻率，以免發生共振帶來結構損傷。