有限元分析在重卡傳動軸法蘭叉優(yōu)化設計中的應用

曹向陽，徐華福，楊正茂

（萬向錢潮傳動軸有限公司，浙江 杭州 311215）

有限元分析在重卡傳動軸法蘭叉優(yōu)化設計中的應用

曹向陽，徐華福，楊正茂

（萬向錢潮傳動軸有限公司，浙江 杭州 311215）

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

傳動軸；端面齒法蘭叉；輕量化；疲勞強度；有限元分析；應力；Pro-E

引言

隨著CAD/CAE技術的不斷進步，有限元分析在機械CAD中得到廣泛的應用，特別是整車輕量化趨勢下，零部件結構優(yōu)化借助于有限元分析，可快速的識別應力集中區(qū)域和強度富裕部位，縮短了優(yōu)化設計周期，減少實物試驗次數(shù)降低費用[1]。

傳動軸是重卡汽車傳動系統(tǒng)上介于變速箱與后橋減速器之間重要的傳動部件，而端面齒法蘭叉是傳動軸各零件中應力最為集中、結構最為復雜的零件，從臺架試驗和售后失效件的統(tǒng)計看端面齒法蘭叉存在從锪孔部疲勞失效情況。所以它的機械性能和可靠性將直接關系到汽車的安全性能[2]。

端面齒法蘭叉的優(yōu)化設計，涉及的因素很多，不僅與其幾何尺寸、產(chǎn)品結構、加工工藝有關，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、不平路面等產(chǎn)生的沖擊載荷和交變載荷。如何在滿足靜強度和疲勞強度的前提下使零件結構輕巧，是汽車零部件優(yōu)化設計的重要課題。

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

1、有限元分析及優(yōu)化的實現(xiàn)方法

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

在SolidWokrs Simulation的邊界條件中設定材料特性，根據(jù)工況設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)主機廠提供的工程自卸車整車參數(shù)，計算得變速箱輸出的動力扭矩和車橋產(chǎn)生的反向附著力扭矩。同時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 端面齒法蘭叉實體模型的建立

在機械結構有限元分析前處理中，建立三維實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。

為了便于進行有限元分析時網(wǎng)格的劃分，在建模過程中我們忽略了部分細微結構[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軟件導入轉化后的端面齒法蘭叉模型后，采用SOLID單元進行劃分網(wǎng)格，該模型劃分為250246個單元，362096個節(jié)點。有限元模型如圖3所示。

3.3 端面齒法蘭叉有限元分析、結構優(yōu)化

根據(jù)汽車設計手冊，計算傳動軸額定工作扭矩，同時考慮車輛超載的后備系數(shù)，作為有限元分析的加載載荷。從有限元分析的應力分布云圖中，獲得結構優(yōu)化的信息，削減多余材料降低重量，優(yōu)化應力集中區(qū)域提高靜強度和疲勞強度。

（1）傳動軸額定扭矩計算

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

傳動軸額定工作扭矩?。?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）加載設定和應力分布

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個端齒部分固定不動，故對端面齒法蘭叉的4個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的扭矩，模型加載扭矩30049N.m。約束和加載如圖4所示。

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

（3）優(yōu)化后的結構和應力分布

從原結構應力分布情況再考慮結構形狀等其他因素對端面齒法蘭叉進行結構優(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力，來提高扭轉疲勞壽命。優(yōu)化后的結構模型如下圖6、7。

對結構優(yōu)化后的端面齒法蘭叉同等條件進行加載30049 N.m扭矩，計算所得應力分布云圖見圖8。整個模型應力最大點在耳孔處為1278MPa，而锪孔部位應力最大值為503Mpa。

3.4 實物臺架試驗對比驗證

按《汽車傳動軸總成臺架試驗方法》QC/T523-1999中的“靜扭強度試驗”和“扭轉疲勞試驗”方法進行臺架試驗對比。試驗結果如下表2、3。

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

表2 優(yōu)化前、后實物靜扭強度對比

表3 優(yōu)化前、后實物疲勞強度對比

3.5 計算結果及分析

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

4、結束語

本文結合重型工程車傳動軸端面齒法蘭叉具體實例，對CAD/CAE技術在其優(yōu)化設計及分析過程中的應用進行了具體表述：

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

（2）本文提供的分析方法，為傳動軸各零件及類似復雜結構件的優(yōu)化設計，提供了一種快捷且有效的解決方案。改變了傳統(tǒng)設計存在的設計弊病，大大降低了設計準確性、結構的可靠性，并節(jié)省了開發(fā)周期，達到了精益設計的目的。

[1] 周洪林，鄭傳經(jīng)等.CAD/CAE技術在葉輪結構設計中的應用.計算機應用與IT技術，2010.6.

[2] 孫志斌、林革.《汽車傳動軸總成技術條件》.QC/T 29082-1992標準.

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軸有限公司。