球籠式等速萬向節(jié)的接觸應力分析及優(yōu)化設(shè)計

鄧寶貴，劉 濤

(赤峰中色鋅業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

球籠式等速萬向節(jié)的接觸應力分析及優(yōu)化設(shè)計

鄧寶貴，劉 濤

(赤峰中色鋅業(yè)有限責任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

以球籠式等速萬向節(jié)作為研究對象，運用三維建模軟件SolidWorks建立實體模型并進行簡化，利用ANSYS對該萬向節(jié)的兩種工況做了有限元接觸應力分析，找出其薄弱部位，通過改進滾道進行優(yōu)化設(shè)計，緩解了應力集中現(xiàn)象，降低了最大應力，提高了萬向節(jié)使用壽命。

等速萬向節(jié);應力分析;優(yōu)化設(shè)計;ANSYS

0 引言

等速萬向節(jié)(Constant Velocity Joint)，通常簡稱為CVJ，它是萬向節(jié)中的一種特殊形式。它包括兩種形式，一種是如BJ等的固定節(jié)形式，另一種是如TJ等的移動節(jié)形式。CVJ適用于4WD(四輪驅(qū)動車)和FF(前置前輪驅(qū)動車)等領(lǐng)域。目前，在轎車的驅(qū)動系統(tǒng)中，最常用的萬向節(jié)是球籠式等速萬向節(jié)。在國外，歐洲71%以上的轎車使用的是球籠式等速萬向節(jié)，在美國它的使用量占53%，在日本幾乎占90%以上。我國轎車行業(yè)雖比國外起步晚，但有很大的發(fā)展?jié)摿涂臻g，隨著我國消費者對國產(chǎn)汽車操控性及舒適性方面需求的不斷提高，球籠式等速萬向節(jié)的需求量也隨之增大。球籠式等速萬向節(jié)具有單節(jié)瞬時同步、動力輸入軸與輸出軸角位移大、效率高、安裝拆卸方便、可承受重載及沖擊載荷等優(yōu)點，但同時也存在批量生產(chǎn)中很難達到其要求的高精度而導致其可靠性低等缺點。本文將針對球籠式萬向節(jié)上各零件在工況狀態(tài)下的接觸應力進行分析，根據(jù)該萬向節(jié)零件傳動過程中的接觸應力大小分布來找到薄弱部位，然后改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高其使用壽命。

1 建模及應力分析

利用SolidWorks三維軟件建立該球籠式等速萬向節(jié)的零件結(jié)構(gòu)及裝配圖。在不影響計算精確度的情況下，針對該萬向節(jié)0°工況和34°極限工況的模型做了簡化:連接內(nèi)球籠的星形套花鍵改為動力輸入軸形式并與星形套連為一體;以位移約束代替了保持架。采用六面體網(wǎng)格對球籠式等速萬向節(jié)進行網(wǎng)格劃分并按照實際工況施加約束，0°工況和34°極限工況的網(wǎng)格如圖1、圖2所示，

圖1 網(wǎng)格劃分圖(0°工況)

圖2 網(wǎng)格劃分圖(34°工況)

對于球籠式等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)強度分析上，先考慮的是其薄弱點，即傳遞最大轉(zhuǎn)矩時的危險工況，發(fā)動機傳輸最大轉(zhuǎn)矩(汽車掛一檔)時該萬向節(jié)所承受的載荷最大。本文所研究的車型參數(shù)是:

最大轉(zhuǎn)矩:MM=92N·m(在3500 r/min的轉(zhuǎn)速下)

驅(qū)動橋傳動比:iA=4.388

一檔傳動比(變速器):iS=4.388

即最大扭矩為［2-3］

模型簡化后的星形套的軸為動力輸入軸、鐘形殼的軸為動力輸出軸。先對該萬向節(jié)施加Y軸負向的重力加速度載荷?？紤]到汽車起步時的普通工況以及極限夾角工況，本文施加了兩個方向的扭矩，施加在星形套的動力輸入軸上施加了一個順時針扭矩，在鐘形殼動力輸出軸上施加了一個逆時針扭矩。而考慮到簡化了保持架，鐘形殼、星形套施加了位移約束，X與Y軸允許位移，Z軸則不允許位移、6個鋼球施加了線固定約束。通過Equivalent Strees(等效應力分析模塊)對萬向節(jié)進行接觸應力的計算，獲得萬向節(jié)在汽車變速箱掛一檔起步時0°夾角以及極限夾角工況的應力云圖。

對萬向節(jié)進行接觸應力的計算，獲得萬向節(jié)在汽車變速箱掛一檔起步時0°夾角以及極限夾角工況的應力云圖。

如圖3所示，當輸入輸出軸0°夾角時，最大應力為2002.4MPa。鐘形罩最大應力為977.56MPa，最大應力出現(xiàn)位置為Y軸的330°方向的外滾道上;鋼球最大應力為2002.4MPa，最大應力出現(xiàn)位置為Y軸180°方向的鋼球上，也是該工況最薄弱的環(huán)節(jié);星形套最大應力出現(xiàn)在內(nèi)滾道上，最大應力為1576.2MPa，最大應力出現(xiàn)位置為Y軸180°方向的內(nèi)滾道上。由仿真結(jié)果可以看出，鋼球與內(nèi)外滾道接觸部分的應力分布并不均勻。當該汽車發(fā)動機傳輸極限轉(zhuǎn)矩且萬向節(jié)的輸入軸與輸出軸夾角達到34°時，就是該球籠式等速萬向節(jié)的最危險工況。

圖3 鐘形罩、鋼球、星形套應力云圖(0°工況)

如圖4所示，當輸入輸出軸為極限夾角時，最大應力為2222MPa，鐘形罩最大應力為931.17MPa，最大應力出現(xiàn)區(qū)域為Y軸的330°方向的外滾道上;鋼球最大應力為2222MPa，最大應力出現(xiàn)位置為Y軸120°方向的鋼球上，也是該工況最薄弱的部位;星形套最大應力出現(xiàn)在內(nèi)滾道上，最大應力為2155.6MPa，最大應力出現(xiàn)位置為Y軸60°方向的內(nèi)滾道邊緣上。

圖4 鐘形罩、鋼球、星形套應力云圖(34°工況)

在考慮到最薄弱環(huán)節(jié)的鋼球應力趨近于萬向節(jié)的屈服極限，而影響到它的承載能力，可適當?shù)膬?yōu)化設(shè)計參數(shù)來彌補它的缺陷。

2 優(yōu)化設(shè)計后應力分析

考慮到批量生產(chǎn)中，加工復雜而無法完全滿足其工藝尺寸要求，而且尺寸一致性也不好，這會影響萬象節(jié)的承載能力和使用壽命。因此，把該型號萬向節(jié)的橢圓形滾道改成圓弧形滾道，而圓弧形滾道有生產(chǎn)加工簡易、承載能力好等優(yōu)點，如圖5、6所示。

圖5 優(yōu)化前橢圓形滾道截面圖

圖6 優(yōu)化后圓弧形滾道截面圖

圖7 圓弧形滾道幾何模型

圓弧形滾道的鋼球中心為O、圓弧中心為O1、OO1為圓弧中心到鋼球中心的距離;DW為鋼球的直徑，如圖7所示。

令OO1=e，則圓弧滾道方程為:

由式(3)、(4)可得:

由此可知，OO1、R1僅和 DW、f有關(guān)［4］。

優(yōu)化后的圓弧形滾道的半徑取7.155mm，鋼球半徑為13.509mm，鐘形殼滾道(最高點)以直徑47.2mm的圓均勻分布，星形套滾道(最高點)以直徑46.2mm的圓均勻分布，鋼球回轉(zhuǎn)直徑為46.5mm。

當該萬向節(jié)為0°工況時，改變滾道設(shè)計后的最大應力為1711.3MPa，最大應力出現(xiàn)位置為Y軸0°方向的鋼球上，改進設(shè)計后最薄弱的鋼球應力減少14%左右，如圖8所示。

圖8 改進后鐘形罩、鋼球、星形套應力云圖(0°工況)

當該萬向節(jié)為34°極限工況時，改變滾道設(shè)計后的最大應力為1995.5MPa，最大應力出現(xiàn)位置為Y軸0°方向的鋼球上，優(yōu)化設(shè)計后最薄弱的鋼球應力減少10%左右，如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后鐘形罩、鋼球、星形套應力云圖(34°工況)

3 結(jié)語

(1)當發(fā)動機輸出最大轉(zhuǎn)矩時，0°工況最大應力出現(xiàn)在鋼球上，34°極限工況最大應力也出現(xiàn)在鋼球上，可以看出此萬向節(jié)的鋼球是最薄弱的部分，使用過程中的疲勞壽命是最短的。

(2)鋼球的最大應力出現(xiàn)位置并非是內(nèi)外滾道的最大應力的位置，而且應力分布不均勻，很明顯的看出內(nèi)外滾道和鋼球上的應力集中現(xiàn)象。

(3)優(yōu)化后把鐘形殼與星形套的橢圓形滾道改成圓弧形滾道，鋼球與內(nèi)外滾道的接觸面積變大而適當?shù)鼐徑饬私佑|應力的分布，使接觸應力變小，0°工況應力整體下降11.9%，34°極限工況應力整體下降21%，從整體應力下降趨勢來看對軌道的優(yōu)化設(shè)計參數(shù)是合理的。

［1］湯雙清，胡歡.球籠式等速萬向節(jié)滾道接觸應力的有限元分析［J］.機械設(shè)計與制造，2011(3):49-51.

［2］陳靜.轎車驅(qū)動軸等速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)強度的有限元分析［D］.長春:吉林大學，2005.

［3］袁鳳陽.汽車等速驅(qū)動軸結(jié)構(gòu)強度的有限元分析:［D］.長春:吉林大學，2004.

［4］湯雙清，胡歡.球籠式等速萬向節(jié)圓弧形溝道接觸應力影響因素分析［J］.軸承，2010(3):8-12.

Analysis on the Contact Stress of Ball and Cage Type Constant Speed Universal Joint and its Optimization Design

DENG Bao-gui，LIU Tao，WANG Ming-tao
(Chifeng Zhongse Zinc Industry Limited Liability Company，Chifeng 024000，China)

This paper，taking ball and cage type constant speed universal joint as a research object，establishes a solid model by 3D modeling software SolidWorks and makes a simplification on it.Based on ANSYS，it makes a finite element contact stress analysis on the two kinds of working conditions of the universal joint，finds out its weak part，then makes an optimization design through the improvement of raceway，which relieves the stress concentration phenomenon，reduces the maximum stress and increases the service life of the universal joint.

constant speed universal joint;stress analysis;optimization design;ANSYS

U463.216.+3

A

1009-3907(2013)12-1565-03

2013-08-20

鄧寶貴(1984-)，男，黑龍江北安人，助理工程師，主要從事冶金工程的研究。

責任編輯:

吳旭云