三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器抗擠壓結(jié)構(gòu)研究?

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

萬(wàn)向聯(lián)軸器廣泛應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)中，而在汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)車輪隨懸架的變動(dòng)而擺動(dòng)，使用能夠滿足車輪轉(zhuǎn)角要求的等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸，其一般由球籠式和三球銷式萬(wàn)向聯(lián)軸器以及中間軸組成，而三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器是新出現(xiàn)的一種理想的傳動(dòng)聯(lián)軸器［1］。

三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器較三球銷式萬(wàn)向聯(lián)軸器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、同步性能好、傳輸能力強(qiáng)且自身軸向滑移調(diào)節(jié)距離大等優(yōu)點(diǎn)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景［2～7］，但主要配合表面的過(guò)早失效縮短了其工作壽命，尤其是主動(dòng)軸的孔與滑移銷之間的配合接觸面擠壓嚴(yán)重，接觸應(yīng)力較大，這嚴(yán)重影響了三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器的普及與應(yīng)用。因此，基于此，本文分析了三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器的主要配合表面的結(jié)構(gòu)缺陷，提出了一種新型抗擠壓結(jié)構(gòu)，并利用ANSYS軟件進(jìn)行接觸分析，為進(jìn)一步的理論分析及實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。

2 抗擠壓結(jié)構(gòu)機(jī)理分析

三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器由主動(dòng)軸、滑移銷、關(guān)節(jié)軸承、三叉桿、從動(dòng)軸連接頭等組成［8］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器

三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器進(jìn)行萬(wàn)向傳動(dòng)時(shí)，主動(dòng)軸與從動(dòng)軸連接頭之間存在一定角度，這就使得在進(jìn)行扭矩傳遞時(shí)，滑移銷需要在主動(dòng)軸的孔中往復(fù)滑移，二者構(gòu)成滑動(dòng)副，而擠壓變形就主要發(fā)生在主動(dòng)軸的孔與滑移銷之間，這是因?yàn)樗鼈兺瓿闪酥饕呐ぞ貍鬟f任務(wù)［9］。所以，減小它們之間的接觸應(yīng)力，防止擠壓變形是本研究工作的首要目標(biāo)。

當(dāng)兩構(gòu)件相互接觸的表面上因承受較大的壓力發(fā)生局部塑性變形或壓碎時(shí)即發(fā)生擠壓破壞［10］。

而由于擠壓面積為擠壓面的正投影面積，在保證滑移銷與主動(dòng)軸孔總體橫截面積不變的條件下，將原始滑移銷及主動(dòng)軸孔的圓形橫截面改為抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷及主動(dòng)軸孔的橢圓形橫截面將會(huì)使接觸應(yīng)力大大減小，滑移銷結(jié)構(gòu)變化如圖2所示。

圖2 滑移銷配合結(jié)構(gòu)的變化

三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器運(yùn)行時(shí)，原始滑移銷與主動(dòng)軸圓孔接觸受力后的變形與應(yīng)力分布示意圖如圖3所示，受力前，二者沿與軸線相平行的一條線相接觸，受力后，由于材料彈性變形，接觸線變?yōu)閷挾葹?a的矩形面，而且接觸面上的壓應(yīng)力分布呈半橢圓形，代表壓應(yīng)力處處不相同，初始接觸線處的壓應(yīng)力最大，該壓應(yīng)力代表接觸受力后的應(yīng)力，即接觸應(yīng)力，用σH1表示。

圖3 原始滑移銷與主動(dòng)軸圓孔接觸受力后的變形與應(yīng)力分布示意圖

三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器運(yùn)行時(shí)，抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動(dòng)軸橢圓孔接觸受力后的變形與應(yīng)力分布示意圖如圖4所示，同理，其接觸應(yīng)力用σH2表示［11］。

圖4 抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動(dòng)軸橢圓孔接觸受力后的變形與應(yīng)力分布示意圖

原始滑移銷與主動(dòng)軸圓孔接觸受力的接觸應(yīng)力計(jì)算公式為

抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動(dòng)軸橢圓孔接觸受力的接觸應(yīng)力計(jì)算公式為

式（1）和（2）中，F(xiàn)為作用于接觸面上的總壓力，B為初始接觸線長(zhǎng)度，ρ1、ρ2為原始滑移銷與主動(dòng)軸圓孔在初始接觸線處的曲率半徑，ρ3、ρ4為抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動(dòng)軸橢圓孔在初始接觸線處的曲率半徑，μ1、μ2為滑移銷與主動(dòng)軸材料的泊松比，E1、E2為滑移銷與主動(dòng)軸材料的彈性模量。

比較σH1與σH2二者大小，令σH1-σH2，代入換算得，由于裝配關(guān)系的存在，使得ρ4>ρ3>ρ2>ρ1且ρ2-ρ1與ρ4-ρ3量級(jí)相同，因此σH1-σH2?0，即抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動(dòng)軸橢圓孔接觸的接觸應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原始滑移銷與主動(dòng)軸圓孔接觸的接觸應(yīng)力。

3 ANSYS軟件接觸分析對(duì)比

為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，在傳動(dòng)工況為0°下進(jìn)行接觸分析，選用三分之一的原始三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器、抗擠壓結(jié)構(gòu)的三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器的滑移銷與主動(dòng)軸孔配合接觸模型，進(jìn)行有限元分析，根據(jù)求解結(jié)果對(duì)二者的應(yīng)力、接觸狀態(tài)、接觸壓力進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證抗擠壓結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

3.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

利用SolidWorks軟件分別建立原始三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器、抗擠壓結(jié)構(gòu)的三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器的滑移銷與主動(dòng)軸孔配合接觸模型，各取三分之一對(duì)稱接觸模型另存為x_t格式導(dǎo)入ANSYS分析軟件。

定義材料屬性，根據(jù)三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器中各零件的功能和實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，得出各零件的材料屬性，在Static Structural模塊下進(jìn)行材料屬性的設(shè)置，材料屬性如表1所示［12］。

表1 三叉桿滑移式萬(wàn)向聯(lián)軸器中各零件的材料屬性

將滑移銷設(shè)置為目標(biāo)面，主動(dòng)軸設(shè)置為接觸面，接觸類型為Frictional，F(xiàn)riction Coefficient為0.1［13］。

利用六面體主導(dǎo)劃分（Hex Dominant）方式對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，控制網(wǎng)格大小為3mm。

3.2 施加載荷及約束

以某一實(shí)際應(yīng)用于汽車的等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸所傳動(dòng)的最大扭矩作參考。該汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3500r/min，最大扭矩M為92N·m，主減速傳動(dòng)比i0為 4.388，一檔變速器傳動(dòng)比i1為 4.388［14］，以此計(jì)算出等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸的最大扭矩Mmax為

因此，在傳動(dòng)工況為0°下各滑移銷承載相同且考慮滑移銷轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，將最大扭矩Mmax等效到各滑移銷上［15］，得到各滑移銷受力6000N，即在滑移銷的面上施加Force為6000N，同時(shí)對(duì)主動(dòng)軸的三個(gè)面施加Frictionless Support約束。

3.3 求解及結(jié)果分析

利用ANSYS的結(jié)果處理器對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行結(jié)果后處理，可得到原始滑移銷與主動(dòng)軸圓孔、抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動(dòng)軸橢圓孔兩接觸模型的整體應(yīng)力、接觸對(duì)接觸狀態(tài)、接觸對(duì)接觸壓力，通過(guò)對(duì)二者輸出結(jié)果變化的對(duì)比分析，得到抗擠壓結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

圖5為滑移銷與主動(dòng)軸孔配合整體應(yīng)力變化示意圖，其中圖5（a）為原始滑移銷與主動(dòng)軸圓孔配合整體應(yīng)力云圖，圖5（b）為抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動(dòng)軸橢圓孔配合整體應(yīng)力云圖，前者的最大應(yīng)力為72.511Gpa，后者的最大應(yīng)力為52.941Gpa，即采用抗擠壓結(jié)構(gòu)相較于原始結(jié)構(gòu)應(yīng)力會(huì)大大下降。

圖5 滑移銷與主動(dòng)軸孔配合整體應(yīng)力變化示意圖

圖6為滑移銷與主動(dòng)軸孔接觸狀態(tài)變化示意圖，其中圖6（a）為原始滑移銷與主動(dòng)軸圓孔接觸狀態(tài)，圖6（b）為抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動(dòng)軸橢圓孔接觸狀態(tài)，前者中接觸并粘接狀態(tài)占比較大，后者中接觸并粘接狀態(tài)與接觸但滑移狀態(tài)占比基本接近，即采用抗擠壓結(jié)構(gòu)相較于原始結(jié)構(gòu)會(huì)大大改善滑移銷滑移性能。

圖6 滑移銷與主動(dòng)軸孔接觸狀態(tài)變化示意圖

圖7為滑移銷與主動(dòng)軸孔接觸壓力變化示意圖，其中圖7（a）為原始滑移銷與主動(dòng)軸圓孔接觸壓力，圖7（b）為抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動(dòng)軸橢圓孔接觸壓力，前者的最大接觸壓力為108.58Gpa，后者的最大接觸壓力為為45.047Gpa，即采用抗擠壓結(jié)構(gòu)相較于原始結(jié)構(gòu)接觸壓力會(huì)大大下降。

圖7 滑移銷與主動(dòng)軸孔接觸壓力變化示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

1）結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，模型配合整體的應(yīng)力大大降低，有利于零件的壽命延長(zhǎng)。

2）滑移銷與主動(dòng)軸接觸對(duì)的接觸狀態(tài)中滑移狀態(tài)占比增加，有利于滑移銷在主動(dòng)軸孔中的滑移。

3）滑移銷與主動(dòng)軸接觸對(duì)的接觸壓力下降明顯，有利于防止零件變形。