曹向陽，徐華福，楊正茂

（萬向錢潮傳動(dòng)軸有限公司，浙江 杭州 311215）

有限元分析在重卡傳動(dòng)軸法蘭叉優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

曹向陽，徐華福，楊正茂

（萬向錢潮傳動(dòng)軸有限公司，浙江 杭州 311215）

為滿足整車輕量化和長壽命設(shè)計(jì)的要求，對重卡傳動(dòng)系關(guān)鍵部件的傳動(dòng)軸端面齒法蘭叉進(jìn)行輕量化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，利用有限元分析軟件對優(yōu)化前后的法蘭叉模型進(jìn)行應(yīng)力分析，計(jì)算給出端面齒法蘭叉在優(yōu)化前后的應(yīng)力分布云圖，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性，提高疲勞壽命，減輕重量。為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)零件及類似結(jié)構(gòu)件的輕量化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一種快捷且有效的解決方案。

傳動(dòng)軸；端面齒法蘭叉；輕量化；疲勞強(qiáng)度；有限元分析；應(yīng)力；Pro-E

引言

隨著CAD/CAE技術(shù)的不斷進(jìn)步，有限元分析在機(jī)械CAD中得到廣泛的應(yīng)用，特別是整車輕量化趨勢下，零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化借助于有限元分析，可快速的識(shí)別應(yīng)力集中區(qū)域和強(qiáng)度富裕部位，縮短了優(yōu)化設(shè)計(jì)周期，減少實(shí)物試驗(yàn)次數(shù)降低費(fèi)用[1]。

傳動(dòng)軸是重卡汽車傳動(dòng)系統(tǒng)上介于變速箱與后橋減速器之間重要的傳動(dòng)部件，而端面齒法蘭叉是傳動(dòng)軸各零件中應(yīng)力最為集中、結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的零件，從臺(tái)架試驗(yàn)和售后失效件的統(tǒng)計(jì)看端面齒法蘭叉存在從锪孔部疲勞失效情況。所以它的機(jī)械性能和可靠性將直接關(guān)系到汽車的安全性能[2]。

端面齒法蘭叉的優(yōu)化設(shè)計(jì)，涉及的因素很多，不僅與其幾何尺寸、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、加工工藝有關(guān)，還需考慮其在整車不同工況下的受力情況。它承受著重卡在起步、制動(dòng)、不平路面等產(chǎn)生的沖擊載荷和交變載荷。如何在滿足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的前提下使零件結(jié)構(gòu)輕巧，是汽車零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要課題。

本文擬以重卡自卸車傳動(dòng)軸端面齒法蘭叉優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，利用Pro-E建立模型，CAE分析軟件—SolidWokrs Simulation，計(jì)算給出端面齒法蘭叉在極限載荷工況下Misses應(yīng)力分布云圖，在滿足整車強(qiáng)度和疲勞壽命的前提下獲得最輕巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)方便與變速箱輸出法蘭和后橋輸入法蘭的安裝操作。為設(shè)計(jì)人員在傳動(dòng)軸系列零件及類似結(jié)構(gòu)件的開發(fā)提供設(shè)計(jì)思路及分析方法。

1、有限元分析及優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方法

利用PRO/E三維軟件建立端面齒法蘭叉實(shí)體模型，通過格式轉(zhuǎn)化導(dǎo)入Solidworks軟件中，采用Solidworks軟件中的Simulation有限元模塊進(jìn)行前處理、求解和后處理工作。軟件平臺(tái)采用Windows XP為操作系統(tǒng)。

在SolidWokrs Simulation的邊界條件中設(shè)定材料特性，根據(jù)工況設(shè)定扭矩輸入和約束部位，加載最大工作扭矩。

2、基本分析參數(shù)

基本分析參數(shù)包括整車參數(shù)及端面齒法蘭叉材料參數(shù)。

根據(jù)主機(jī)廠提供的工程自卸車整車參數(shù)，計(jì)算得變速箱輸出的動(dòng)力扭矩和車橋產(chǎn)生的反向附著力扭矩。同時(shí)考慮超載所需的安全系數(shù)，具體參數(shù)如表1。

表1 整車基本分析參數(shù)表

端面齒法蘭叉的材料為45#鋼調(diào)質(zhì)（硬度230-280HB），從材料手冊中查得其彈性模量E=210GPa，柏松比μ=0.3。

3、端面齒法蘭叉有限元分析及優(yōu)化

3.1 端面齒法蘭叉實(shí)體模型的建立

在機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析前處理中，建立三維實(shí)體模型需要占用較多的工作量[1]，對于端面齒法蘭叉之類的復(fù)雜零件，有限元軟件的建模功能無法滿足要求，故我們通過PRO/E軟件來建模。

為了便于進(jìn)行有限元分析時(shí)網(wǎng)格的劃分，在建模過程中我們忽略了部分細(xì)微結(jié)構(gòu)[2]，所建立端面齒法蘭叉模型如下：

3.2 端面齒法蘭叉有限元模型的建立

通過Solidworks軟件導(dǎo)入轉(zhuǎn)化后的端面齒法蘭叉模型后，采用SOLID單元進(jìn)行劃分網(wǎng)格，該模型劃分為250246個(gè)單元，362096個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元模型如圖3所示。

3.3 端面齒法蘭叉有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)汽車設(shè)計(jì)手冊，計(jì)算傳動(dòng)軸額定工作扭矩，同時(shí)考慮車輛超載的后備系數(shù)，作為有限元分析的加載載荷。從有限元分析的應(yīng)力分布云圖中，獲得結(jié)構(gòu)優(yōu)化的信息，削減多余材料降低重量，優(yōu)化應(yīng)力集中區(qū)域提高靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。

（1）傳動(dòng)軸額定扭矩計(jì)算

根據(jù)整車傳動(dòng)系參數(shù)，動(dòng)力扭矩和輪胎附著力扭矩兩者取小值為傳動(dòng)軸的額定工作扭矩。具體計(jì)算如下[2]：

傳動(dòng)軸額定工作扭矩?。?0032.7N.m

考慮整車超載后備系數(shù)1.5，模型加載扭矩確定為：30049 N.m。

（2）加載設(shè)定和應(yīng)力分布

根據(jù)端面齒法蘭叉的工作狀態(tài)，假定端面齒法蘭叉的4個(gè)端齒部分固定不動(dòng)，故對端面齒法蘭叉的4個(gè)端齒部分平面施加六自由度的固定約束。另對端面齒法蘭叉兩耳孔各加載水平方向的軸承力，組成圍繞法蘭叉中心扭轉(zhuǎn)的扭矩，模型加載扭矩30049N.m。約束和加載如圖4所示。

從計(jì)算后所得的應(yīng)力云圖中得知，整個(gè)模型應(yīng)力最大點(diǎn)在耳孔處為1207MPa，而锪孔部位應(yīng)力最大值為703Mpa（同時(shí)也是扭矩傳遞的突變部位）。而兩軸承孔下部的區(qū)域應(yīng)力值極小。詳見圖5。

（3）優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)和應(yīng)力分布

從原結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布情況再考慮結(jié)構(gòu)形狀等其他因素對端面齒法蘭叉進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，削減軸承孔下部與圓盤接合部位的不受力材料，以降低零件的重量。優(yōu)化四螺栓孔锪孔部位加大毛坯過渡圓弧，變原U型锪孔形狀為圓形锪孔形狀，以減小锪孔圓角處的應(yīng)力，來提高扭轉(zhuǎn)疲勞壽命。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型如下圖6、7。

對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的端面齒法蘭叉同等條件進(jìn)行加載30049 N.m扭矩，計(jì)算所得應(yīng)力分布云圖見圖8。整個(gè)模型應(yīng)力最大點(diǎn)在耳孔處為1278MPa，而锪孔部位應(yīng)力最大值為503Mpa。

3.4 實(shí)物臺(tái)架試驗(yàn)對比驗(yàn)證

按《汽車傳動(dòng)軸總成臺(tái)架試驗(yàn)方法》QC/T523-1999中的“靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)”和“扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)”方法進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)對比。試驗(yàn)結(jié)果如下表2、3。

從試驗(yàn)結(jié)果看靜扭強(qiáng)度略有下降（約2.9%）但滿足要求，疲勞強(qiáng)度有一倍多的提高（約110%）。

表2 優(yōu)化前、后實(shí)物靜扭強(qiáng)度對比

表3 優(yōu)化前、后實(shí)物疲勞強(qiáng)度對比

3.5 計(jì)算結(jié)果及分析

從以上原結(jié)構(gòu)和優(yōu)化后結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力分布云圖得知，優(yōu)化后模型應(yīng)力最大值相對原結(jié)構(gòu)變大了5.47%，锪孔部位應(yīng)力最大值則降低了28.45%。對端面齒法蘭叉進(jìn)行優(yōu)化后重量減輕1.43Kg，減重比18.77%。通過實(shí)物臺(tái)架試驗(yàn)證明：在靜扭強(qiáng)度下降2.9%情況下，疲勞強(qiáng)度提高了110%，極大的延長了傳動(dòng)軸的使用壽命，使端面齒法蘭叉基本達(dá)到了整車同壽命。

4、結(jié)束語

本文結(jié)合重型工程車傳動(dòng)軸端面齒法蘭叉具體實(shí)例，對CAD/CAE技術(shù)在其優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析過程中的應(yīng)用進(jìn)行了具體表述：

（1）利用有限元分析軟件對端面齒進(jìn)行了應(yīng)力分析，計(jì)算給出端面齒法蘭叉在最大扭矩的應(yīng)力分布云圖。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)分析結(jié)果，對設(shè)計(jì)的合理性、可行性及有效性進(jìn)行判斷。在分析結(jié)果不滿足要求時(shí)，可根據(jù)對應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，直至滿足要求。

（2）本文提供的分析方法，為傳動(dòng)軸各零件及類似復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供了一種快捷且有效的解決方案。改變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的設(shè)計(jì)弊病，大大降低了設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性、結(jié)構(gòu)的可靠性，并節(jié)省了開發(fā)周期，達(dá)到了精益設(shè)計(jì)的目的。

[1] 周洪林，鄭傳經(jīng)等.CAD/CAE技術(shù)在葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與IT技術(shù)，2010.6.

[2] 孫志斌、林革.《汽車傳動(dòng)軸總成技術(shù)條件》.QC/T 29082-1992標(biāo)準(zhǔn).

Finite Element Analysis in the heavy truck driveshaft flange fork optimization Design

Cao Xiangyang, Xu Huafu, Yang Zhengmao
（Universal QianChao Transmission Shaft, Zhejiang Hangzhou 311215）

In order to meet the vehicle lightweight and long life design requirements, light weight and optimize structure on the transmission shaft flange york, the key component of heavy truck transmission system, contrast optimization model of stress analysis by using finite element analysis, calculation the stress distribution nephogram , through the test to verify the rationality of the optimum design, improve fatigue life, reduce weight. Provide a quick and effective solution for optimizing the automotive transmission parts and similar structures.

transmission shaft; flange york; lightweight; fatigue strength; finite element analysis; stress; Pro-E CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-04-04

U467.3

A

1671-7988(2015)02-04-04

曹向陽，就職于萬向錢潮傳動(dòng)軸有限公司。