徐 丹

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213025)

萬向節(jié)是汽車動(dòng)力傳遞的重要組成部分，EBJ(八顆鋼珠等速萬向節(jié))是日本NTN株式會(huì)社研發(fā)申請(qǐng)的專利產(chǎn)品，其因輕量化、小型化及高效能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使汽車的底盤空間布局和節(jié)能環(huán)保更具優(yōu)勢(shì)[1]。本文應(yīng)用有限元分析軟件COSMOS/Works對(duì)EBJ型萬向節(jié)進(jìn)行模擬與分析，研究汽車萬向節(jié)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化與分布，為我國車用萬向節(jié)的發(fā)展提供參考。

1 EBJ型萬向節(jié)結(jié)構(gòu)特征

EBJ型萬向節(jié)位于汽車前輪驅(qū)動(dòng)側(cè)，是由一個(gè)內(nèi)輪、一個(gè)外輪、8顆鋼珠和一個(gè)保持架四個(gè)構(gòu)件組成的一種等速萬向節(jié)，該萬向節(jié)總成剖面圖如圖1所示，總成爆炸圖如圖2所示。其動(dòng)力傳遞路線為：發(fā)動(dòng)機(jī)→變速箱→傳動(dòng)軸→輸入軸→內(nèi)輪→鋼珠→外輪→輸出軸→車輪總成[2]。

2 EBJ型萬向節(jié)結(jié)構(gòu)模擬與分析

2.1 球軌機(jī)構(gòu)靜態(tài)模擬參數(shù)設(shè)定

在COSMOS/Works中，依次設(shè)定鋼珠、內(nèi)輪、外輪、保持架及中間軸的材質(zhì)，負(fù)載狀況、高斯點(diǎn)及網(wǎng)格，再進(jìn)行應(yīng)力分析[3]。輸出選項(xiàng)選擇為節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力、合位移和節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)變。COSMOS/Works中參數(shù)設(shè)定值見表1。

圖1 EBJ型萬向節(jié)總成剖面圖

圖2 EBJ型萬向節(jié)總成爆炸圖

表1 COSMOS/Works中參數(shù)設(shè)定值

2.2 固定位置在油封背部與接觸條件設(shè)定

設(shè)定高斯點(diǎn)為4、16、29，網(wǎng)格為6 mm、3 mm，假設(shè)扭力位置相同，大小為100 N·m、200 N·m、300 N·m，固定位置在油封背部，如圖3所示。材質(zhì)為中碳鋼，設(shè)定接觸條件則可得最大應(yīng)力值如圖4所示。

圖4可得6條曲線，分別在高斯點(diǎn)為 4、16、29 及網(wǎng)格為 6 mm、3 mm條件下所產(chǎn)生的最大應(yīng)力值，其對(duì)輸入扭力值呈現(xiàn)正比關(guān)系。由圖可見，雖然存在6條曲線，但實(shí)際僅看到2條曲線，這是由于部分曲線非常接近，即只有在網(wǎng)格不同時(shí)才會(huì)有較明顯的曲線差異，高斯點(diǎn)的多少對(duì)曲線差異不大，且全部的最大應(yīng)力值均在彈性限度范圍內(nèi)。

圖3 固定位置在油封背部設(shè)定

圖4 固定位置在油封背部接觸條件最大應(yīng)力值

上述6條曲線的最大應(yīng)力值皆位于輸入軸近內(nèi)輪處，僅節(jié)點(diǎn)有所不同，故將以高斯點(diǎn)為4、網(wǎng)格為3 mm、輸入端扭力值為300 N·m所產(chǎn)生的圖表表示出來并作示意圖[4]，圖5、圖6、圖7分別表示EBJ節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力、合位移及等效應(yīng)變。

圖5 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力

圖6 節(jié)點(diǎn)合位移

圖7 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)變

2.3 固定位置在輸出軸與接觸條件設(shè)定

設(shè)定高斯點(diǎn)為4、16、29，網(wǎng)格為6 mm、3 mm，假設(shè)扭力位置相同，大小為100 N·m、200 N·m、300 N·m，固定位置在輸出軸，如圖8所示。材質(zhì)均為中碳鋼，設(shè)定接觸條件則可得最大應(yīng)力值如圖9所示。

圖8 固定位置在輸出軸設(shè)定

圖9 固定位置在輸出軸接觸條件最大應(yīng)力值

從圖9中可得6條曲線，分別在高斯點(diǎn)為 4、16、29 及網(wǎng)格為 6 mm、3 mm條件下所產(chǎn)生的最大應(yīng)力值，其與輸入扭力值呈現(xiàn)正比關(guān)系。由圖可見，雖然存在6條曲線，但實(shí)際僅看到2條曲線，這是因?yàn)椴糠智€非常接近，而這兩條曲線也僅有1.2%的差異。因此，唯有在網(wǎng)格不同時(shí)才會(huì)有較明顯的曲線差異，且此應(yīng)力值也近于收斂，高斯點(diǎn)的多少對(duì)曲線影響不大，除了情況3的最大應(yīng)力值外，其他兩種情況均在彈性限度范圍內(nèi)。

上述6個(gè)曲線的最大應(yīng)力值位置均產(chǎn)生于EBJ輸出軸小徑處，故將以高斯點(diǎn)為4、網(wǎng)格為3 mm、輸入端扭力值為300 N·m所產(chǎn)生的圖表表示出來并作示意圖，圖10、圖11、圖12分別表示EBJ萬向節(jié)節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力、合位移及等效應(yīng)變。

圖10 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力

3 模擬結(jié)果分析

針對(duì)EBJ型萬向節(jié)，應(yīng)用 COSMOS/Works將模擬所得的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。在固定位置、設(shè)定接觸條件、高斯點(diǎn)、扭力值、網(wǎng)格大小不同情況下，應(yīng)力分析數(shù)據(jù)結(jié)果見表2。

圖11 節(jié)點(diǎn)合位移

圖12 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)變

表2 EBJ型萬向節(jié)應(yīng)力分析數(shù)據(jù)

續(xù)表2

通過對(duì)應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)固定位置的不同對(duì)最大應(yīng)力值的大小與位置有影響。從表2可以看出，如固定位置不同，應(yīng)力集中點(diǎn)就不同。若是固定位置在油封背部，最大應(yīng)力值都在輸入端靠近內(nèi)輪處，這是由于輸入端是萬向節(jié)尺寸最小的地方；而固定位置在輸出軸時(shí)，此時(shí)應(yīng)力集中位置則變成在輸出軸小徑處[5]。觀察這兩處的應(yīng)力集中發(fā)現(xiàn)有一共通點(diǎn)，均為尺寸相對(duì)較小的位置。即此時(shí)的EBJ型萬向節(jié)應(yīng)力集中位置與固定位置有關(guān)，且應(yīng)力集中位置位于尺寸相對(duì)較小的地方。

(2)高斯點(diǎn)數(shù)對(duì)最大應(yīng)力值的大小與節(jié)點(diǎn)位置的影響不大。高斯點(diǎn)數(shù)的不同設(shè)定所得到的最大應(yīng)力值差異僅為0.744%，幾乎無差異，產(chǎn)生的應(yīng)力集中節(jié)點(diǎn)位置也完全相同。而當(dāng)其他條件皆相同時(shí)，高斯點(diǎn)數(shù)不同所造成的應(yīng)力最大值差異皆在1%以內(nèi)。故可以認(rèn)為，高斯點(diǎn)數(shù)的不同設(shè)定對(duì)應(yīng)力最大值差異影響非常小。

(3)網(wǎng)格大小對(duì)最大應(yīng)力值的大小與位置有直接影響。從表2中不難看出，固定位置在輪端桿部時(shí)，在其他條件皆相同的條件下，網(wǎng)格為6mm與3mm的最大應(yīng)力值差異近1.2%，表明網(wǎng)格大小為6mm時(shí)，對(duì)于EBJ已近收斂。但固定位置在油封背部時(shí)，網(wǎng)格大小為6mm與3mm的最大應(yīng)力值皆在輸入端近內(nèi)輪處，但應(yīng)力值差異達(dá)15%，表明網(wǎng)格大小為6mm時(shí)，對(duì)于固定位置為油封背部尚未收斂。但此處有一共通點(diǎn)，即此兩處皆為整體總成尺寸相對(duì)較小的地方。由此觀察得知，網(wǎng)格大小對(duì)應(yīng)力集中收斂的影響遠(yuǎn)比其他原因大很多[6]。

(4)輸入扭力值的大小對(duì)最大應(yīng)力值有直接影響，但對(duì)產(chǎn)生的位置沒有影響。由表2可以看出，200N·m所得到的應(yīng)力值為100N·m的2倍，300N·m為100N·m的3倍。另外，300N·m的應(yīng)力值為200N·m應(yīng)力值的1.5倍，符合輸入扭力值對(duì)最大應(yīng)力值呈正比關(guān)系的定義。

4 小結(jié)

通過COSMOS/Works對(duì)EBJ型萬向節(jié)在不同條件下的靜態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化與分布進(jìn)行了模擬分析，得出以下結(jié)論：EBJ型萬向節(jié)在靜力強(qiáng)度方面與傳統(tǒng)萬向節(jié)相當(dāng)，但由于其質(zhì)量比傳統(tǒng)萬向節(jié)減輕20%[7-9]，傳遞動(dòng)力時(shí)的扭矩?fù)p失也小于常規(guī)萬向節(jié)，因此其整體性能優(yōu)于常規(guī)萬向節(jié)。后期將進(jìn)一步優(yōu)化EBJ型萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效減小體積和減輕質(zhì)量，使之符合當(dāng)前汽車節(jié)能環(huán)保的要求。