商用車(chē)驅(qū)動(dòng)軸輕量化仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱國(guó)平，盧銀

江蘇格爾頓傳動(dòng)有限公司 江蘇靖江 214521

工程師 朱國(guó)平

1 序言

驅(qū)動(dòng)軸是汽車(chē)底盤(pán)傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要零件之一。在汽車(chē)行業(yè)，底盤(pán)由傳動(dòng)系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動(dòng)系4部分組成，它支承、安裝汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)及各部件、總成，形成汽車(chē)的整體造型，承受發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，保證正常行駛[1]。傳動(dòng)系主要是由離合器、變速器、驅(qū)動(dòng)軸和驅(qū)動(dòng)橋等組成。

2 驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)和原理

圖1所示為驅(qū)動(dòng)軸，其結(jié)構(gòu)原理源自于萬(wàn)向傳動(dòng)裝置，是用于在機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中，傳遞相對(duì)位置不斷改變的兩根軸間動(dòng)力的裝置[2]，在工業(yè)多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在汽車(chē)領(lǐng)域，驅(qū)動(dòng)軸的功用是連接分布于非同一軸線上的變速器輸出軸和主減速器輸入軸，并保證在兩軸之間的夾角和距離經(jīng)常變化的情況下，仍能可靠地傳遞動(dòng)力[3]。它是承受高速傳動(dòng)的零件，主要由凸緣叉、萬(wàn)向節(jié)十字軸、焊接叉和滑動(dòng)花鍵副組成。

圖1 驅(qū)動(dòng)軸

焊接叉（見(jiàn)圖2）是驅(qū)動(dòng)軸中的一個(gè)重要部件，其結(jié)構(gòu)和加工工藝直接影響零件的性能，進(jìn)而影響整車(chē)動(dòng)力傳遞的效果。其構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，但是加工工藝復(fù)雜，在選材中，了解其加工工藝，并在工藝設(shè)計(jì)中合理安排加工工序，設(shè)計(jì)合理的工裝夾具，對(duì)產(chǎn)品的最終質(zhì)量具有十分重要的意義。為響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排號(hào)召，順應(yīng)行業(yè)零部件輕量化趨勢(shì)，運(yùn)用PTC Creo Simulate（以下簡(jiǎn)稱“Creo”）軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行有限元仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出一款輕質(zhì)焊接叉，在減輕焊接叉質(zhì)量的同時(shí)，還能維持并提升部件和總成的原有性能水平，減少原材料的耗用，降低車(chē)輛的油、電消耗和碳排放，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。

圖2 焊接叉

有限元分析法是根據(jù)變分法原理來(lái)求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的一種數(shù)值計(jì)算方法。Creo軟件是PTC公司基于Pro/E軟件推出的升級(jí)版本，是集CAD/CAM/CAE于一體的軟件集成包，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜曲面建模、機(jī)構(gòu)仿真和有限元分析的無(wú)縫集成。Creo軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有重要地位，作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今的主流CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)著重要位置[4]。

具體實(shí)施方法和步驟：結(jié)合有限元結(jié)構(gòu)理論，應(yīng)用分析模塊，模擬工況，對(duì)部件設(shè)置邊界條件，進(jìn)行分析計(jì)算，最終通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)取得最佳方案，優(yōu)化原有結(jié)構(gòu)，降低成本，增加行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

3 有限元模型的建立

3.1 建模、網(wǎng)格劃分及材料屬性定義

本案例中，為了排除關(guān)聯(lián)部件在運(yùn)算過(guò)程中的相互影響，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性，減少實(shí)際分析運(yùn)算的時(shí)長(zhǎng)，將簡(jiǎn)化模型，僅對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的焊接叉一端單獨(dú)進(jìn)行仿真分析。首先應(yīng)用Creo軟件包中的Parametric模塊進(jìn)行三維實(shí)體建模，根據(jù)焊接叉實(shí)際尺寸建立準(zhǔn)確實(shí)體模型，然后直接轉(zhuǎn)入Simulate模塊中，應(yīng)用精細(xì)模型菜單中控制命令選項(xiàng)，設(shè)置各單元要素的尺寸，最小尺寸值為5，進(jìn)行有限元分析網(wǎng)格的劃分。焊接叉有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，模型被劃分為150828個(gè)四面體。

圖3 焊接叉有限元網(wǎng)格劃分

按照設(shè)計(jì)要求，材料為45鋼，輸入各項(xiàng)力學(xué)性能屬性值，并將屬性值賦予焊接叉端的部件材料模型中。部件材料的力學(xué)性能屬性值見(jiàn)表1[5]。

表1 部件材料的力學(xué)性能

3.2 施加載荷及約束處理

對(duì)焊接叉一端部件施加約束和載荷處理（見(jiàn)圖4）。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的使用受力狀態(tài)，對(duì)凸緣叉法蘭面施加相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的位移固定約束；萬(wàn)向節(jié)十字軸的約束定義為軸承聯(lián)接，在焊接叉尾端外圓表面施加圓周方向扭轉(zhuǎn)載荷，載荷值為驅(qū)動(dòng)軸的額定工作扭矩。

圖4 約束與載荷

4 有限元仿真分析過(guò)程和結(jié)果

在現(xiàn)有的零件結(jié)構(gòu)中，對(duì)部件各總成建模，模擬總成工況，設(shè)置邊界條件，進(jìn)行分析計(jì)算。Creo軟件可以輸出多種形式結(jié)果，如位移、靜力和疲勞等，由于各種結(jié)果呈關(guān)聯(lián)的態(tài)勢(shì)，因此選擇靜力分析功能，能更為直觀地判斷模型受力后的應(yīng)力變化狀況，其分析結(jié)果顯示出構(gòu)件的各部位應(yīng)力值大小。根據(jù)模型的表面和內(nèi)部應(yīng)力分布情況，在應(yīng)力最小值區(qū)域排除不可變動(dòng)點(diǎn)后，識(shí)別出該區(qū)域可以改進(jìn)的部位。

通過(guò)有限元分析模塊進(jìn)行模擬仿真分析，得出首次仿真分析應(yīng)力分布結(jié)果（見(jiàn)圖5），結(jié)果顯示，焊接叉兩側(cè)背面應(yīng)力值最低，為192MPa，有較大改進(jìn)余量，且該部位無(wú)配合要求，可作為改進(jìn)區(qū)域，能在此處進(jìn)行減材處理。考慮減材后，需保證與其相鄰的內(nèi)側(cè)圓角區(qū)域不額外增加應(yīng)力，應(yīng)保留兩側(cè)邊一定寬度作為加強(qiáng)筋。僅兩側(cè)背面中心部位減料形成內(nèi)凹面，同時(shí)適當(dāng)增大內(nèi)側(cè)圓弧起支撐作用。根據(jù)鍛造模具脫模方向，設(shè)定內(nèi)凹面斜度為10°，再進(jìn)行模擬運(yùn)行分析。

圖5 首次仿真分析應(yīng)力分布

分析結(jié)果顯示，模型最大應(yīng)力值轉(zhuǎn)移到加工部位臺(tái)階過(guò)渡部位，導(dǎo)致最大應(yīng)力值較原樣增加了一倍，必須進(jìn)行相應(yīng)處理，在精加工部位增大過(guò)渡圓角以減小應(yīng)力集中；改進(jìn)區(qū)域內(nèi)凹面與部件其他區(qū)域應(yīng)力值，較原樣上升了27%，但相比其他部位仍很低，證明改進(jìn)方向正確。

重點(diǎn)對(duì)內(nèi)凹面筋寬度、內(nèi)側(cè)圓弧及加工圓角部位運(yùn)用參數(shù)化模擬分析，系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。參數(shù)重點(diǎn)優(yōu)化部位如圖6所示。

圖6 重點(diǎn)優(yōu)化部位

固定之前設(shè)置的分析條件，運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)，對(duì)3處部位進(jìn)行參數(shù)化分析，得出應(yīng)力曲線圖（橫坐標(biāo)為參數(shù)值，縱坐標(biāo)為應(yīng)力值），作為優(yōu)化設(shè)計(jì)參照。參數(shù)優(yōu)化應(yīng)力變化趨勢(shì)曲線如圖7所示。

圖7 參數(shù)優(yōu)化應(yīng)力變化趨勢(shì)曲線

由圖7可以看出，隨各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值增大，其應(yīng)力值逐漸縮??；當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)節(jié)點(diǎn)后，應(yīng)力縮小的趨勢(shì)變緩，證明此時(shí)參數(shù)的調(diào)整相對(duì)于應(yīng)力的影響逐漸減弱；如果繼續(xù)增大參數(shù)，則會(huì)形成增材的效果，由于這與優(yōu)化減重的理念相悖，因此不再繼續(xù)增大參數(shù)。再結(jié)合部件其他要求的實(shí)際情況，確定最佳的尺寸參數(shù)，進(jìn)行最終仿真分析，結(jié)果顯示應(yīng)力分布均衡，數(shù)值處于材料許用范圍內(nèi)。部件最終優(yōu)化后的應(yīng)力分布如圖8所示。

圖8 部件最終優(yōu)化后的應(yīng)力分布（層切片圖）

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)軸模型的優(yōu)化分析，得出分析結(jié)論，參考優(yōu)化結(jié)果，重新設(shè)計(jì)焊接叉新的結(jié)構(gòu)和尺寸，經(jīng)過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)論證和路試情況驗(yàn)證表明，優(yōu)化狀態(tài)完全滿足使用要求，并且實(shí)現(xiàn)了減輕質(zhì)量的目的。通過(guò)對(duì)比可知，新結(jié)構(gòu)焊接叉的質(zhì)量相較原狀態(tài)，部件質(zhì)量降低0.45kg，減重比為10.7%，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，提高了材料利用率。

本案例為類(lèi)似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，減少了因設(shè)計(jì)改進(jìn)而進(jìn)行的重復(fù)制樣、試驗(yàn)驗(yàn)證次數(shù)，探索出一種部件仿真優(yōu)化的具體實(shí)施方法。