蔡舒旻，盛希寧

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院 常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213000)

0 引言

應(yīng)用于汽車的傳動軸經(jīng)過十多年的發(fā)展已有了較為完整和優(yōu)化的設(shè)計，雖然其設(shè)計較為成熟，但廠商和用戶仍希望能夠構(gòu)建更小型化和輕量化的設(shè)計，以符合汽車工業(yè)節(jié)能減排的工業(yè)需求。因此，需要繼續(xù)針對結(jié)構(gòu)作進一步的改善，在設(shè)計的同時，通過運動模擬分析傳動軸動態(tài)的受力情形[1-2]，然后將運動模擬分析所得到的受力數(shù)據(jù)在有限元分析軟件SolidWorks中進行應(yīng)力分析及最佳化設(shè)計[3]。在不影響原有結(jié)構(gòu)機能的情況下，使傳動軸輪端的接頭更輕更小，從而節(jié)省材料并減輕重量，使汽車底盤設(shè)計在空間上有更優(yōu)異的表現(xiàn)。

1 汽車傳動軸的特征

傳動軸是用來連接動力源與負載的機構(gòu)，將動力源的旋轉(zhuǎn)運動與扭矩傳遞至負載上，其具有以下特征：高扭矩、高轉(zhuǎn)速及輸出軸位置固定[4]。本文的研究對象是汽車傳動軸的球籠式萬向節(jié)接頭，在AutoCAD軟件中繪制的接頭組合件爆炸圖如圖1所示。球籠式萬向節(jié)接頭由一個內(nèi)輪、一個外輪、6顆鋼珠和一個保持架組成，內(nèi)輪為凸狀的球面，上面有6條溝槽[5-6]；外輪內(nèi)面為凹狀的球面，與內(nèi)輪相對應(yīng)，共同夾住鋼珠；保持架用來保持鋼珠的位置，使兩軸的共同連接點保持于對稱面上，以維持轉(zhuǎn)速比[7]。

圖1 球籠式萬向節(jié)接頭組合件AutoCAD爆炸圖

2 球籠式萬向節(jié)接頭總成的靜態(tài)應(yīng)力分析

首先，將球籠式萬向節(jié)接頭總成的各個部件按照次序組合好，應(yīng)用Simulation模塊依次設(shè)定鋼珠、內(nèi)輪、外輪、保持架及中間軸的材質(zhì)、負載情況、設(shè)計方案、接觸、高斯點及網(wǎng)格等參數(shù)，然后進行應(yīng)力分析。

在設(shè)定中，選擇分析類型為靜力學分析，網(wǎng)格形態(tài)為實體網(wǎng)格，求解器為FFEPlus，計算單位采用SI單位，網(wǎng)格精度為精細網(wǎng)格、光滑曲面。四面體雅可比計算的高斯點點數(shù)依次設(shè)定為4、16和29來進行對比分析。

選擇輸出的分析結(jié)果有：節(jié)點的等效應(yīng)力、合位移和節(jié)點的等效應(yīng)變。

選擇中碳鋼作為所有元件的材質(zhì)，將傳動軸的輸出端設(shè)置為約束固定，中間軸端面處作為傳動軸輸入端(如圖2所示)。設(shè)保持架幾何中心為坐標原點，對輸入值分別為100 Nm、200 Nm和300 Nm進行對比分析。

圖2 約束固定與扭力設(shè)定

6顆鋼珠和內(nèi)外輪的6個球軌的接觸均需要進行設(shè)定，由于實際工作中鋼珠與內(nèi)輪和外輪球軌之間屬于非貫穿接觸，因此接觸設(shè)定為曲面對曲面的接觸，摩擦因數(shù)取0.05，并選擇忽略間隙。最后，進行網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)定，分別選用13.884 7 mm、6 mm和3 mm為網(wǎng)格參數(shù)，網(wǎng)格精度為最細。

以外輪輸出軸為例，其計算結(jié)果如表1所示，分析其結(jié)果可得出如下結(jié)論：

(1) 高斯點數(shù)對于最大應(yīng)力值的大小和節(jié)點位置的影響不大。

(2) 網(wǎng)格大小的不同將會直接影響最大應(yīng)力值的大小和位置。

(3) 輸入扭力值的大小會直接影響最大應(yīng)力值的大小，但與產(chǎn)生最大扭力值的位置無關(guān)。

表1 外輪輸出軸計算結(jié)果

通過對各個部件的計算，經(jīng)過分析得到球籠式萬向節(jié)接頭總成及各個部件在工作角為0°時所受到的最大應(yīng)力，如表2所示，工作角為5°時的最大靜態(tài)應(yīng)力如表3所示。

由表2、表3分析可知：工作角為0°時球籠式萬向節(jié)接頭總成所受的最大應(yīng)力值在外輪桿處；工作角為5°時球籠式萬向節(jié)接頭總成所受的最大應(yīng)力值在接頭總成。

在固定扭力位置的情況下，可以得到如下結(jié)論：工作角的不同會影響最大應(yīng)力值的大小和位置。

3 結(jié)論

通過對球籠式萬向節(jié)接頭的有限元分析，可得出如下結(jié)論：在該機構(gòu)工作時，隨著工作角度的變化，其承受最大應(yīng)力的部件是不同的，選擇合理的網(wǎng)格參數(shù)及網(wǎng)格劃分方式能更好地對其工作過程中的應(yīng)力應(yīng)變情況進行分析，從而根據(jù)分析結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化零件結(jié)構(gòu),達到減輕其重量的目的。

表2 工作角為0°時所受到的最大應(yīng)力

表3 工作角為5°時所受到的最大應(yīng)力