基于SolidWorks的汽车传动轴轮端接头的有限元分析

蔡舒旻，盛希宁

(江苏联合职业技术学院 常州刘国钧分院，江苏 常州 213000)

0 引言

应用于汽车的传动轴经过十多年的发展已有了较为完整和优化的设计，虽然其设计较为成熟，但厂商和用户仍希望能够构建更小型化和轻量化的设计，以符合汽车工业节能减排的工业需求。因此，需要继续针对结构作进一步的改善，在设计的同时，通过运动模拟分析传动轴动态的受力情形[1-2]，然后将运动模拟分析所得到的受力数据在有限元分析软件SolidWorks中进行应力分析及最佳化设计[3]。在不影响原有结构机能的情况下，使传动轴轮端的接头更轻更小，从而节省材料并减轻重量，使汽车底盘设计在空间上有更优异的表现。

1 汽车传动轴的特征

传动轴是用来连接动力源与负载的机构，将动力源的旋转运动与扭矩传递至负载上，其具有以下特征：高扭矩、高转速及输出轴位置固定[4]。本文的研究对象是汽车传动轴的球笼式万向节接头，在AutoCAD软件中绘制的接头组合件爆炸图如图1所示。球笼式万向节接头由一个内轮、一个外轮、6颗钢珠和一个保持架组成，内轮为凸状的球面，上面有6条沟槽[5-6]；外轮内面为凹状的球面，与内轮相对应，共同夹住钢珠；保持架用来保持钢珠的位置，使两轴的共同连接点保持于对称面上，以维持转速比[7]。

图1 球笼式万向节接头组合件AutoCAD爆炸图

2 球笼式万向节接头总成的静态应力分析

首先，将球笼式万向节接头总成的各个部件按照次序组合好，应用Simulation模块依次设定钢珠、内轮、外轮、保持架及中间轴的材质、负载情况、设计方案、接触、高斯点及网格等参数，然后进行应力分析。

在设定中，选择分析类型为静力学分析，网格形态为实体网格，求解器为FFEPlus，计算单位采用SI单位，网格精度为精细网格、光滑曲面。四面体雅可比计算的高斯点点数依次设定为4、16和29来进行对比分析。

选择输出的分析结果有：节点的等效应力、合位移和节点的等效应变。

选择中碳钢作为所有元件的材质，将传动轴的输出端设置为约束固定，中间轴端面处作为传动轴输入端(如图2所示)。设保持架几何中心为坐标原点，对输入值分别为100 Nm、200 Nm和300 Nm进行对比分析。

图2 约束固定与扭力设定

6颗钢珠和内外轮的6个球轨的接触均需要进行设定，由于实际工作中钢珠与内轮和外轮球轨之间属于非贯穿接触，因此接触设定为曲面对曲面的接触，摩擦因数取0.05，并选择忽略间隙。最后，进行网格参数的设定，分别选用13.884 7 mm、6 mm和3 mm为网格参数，网格精度为最细。

以外轮输出轴为例，其计算结果如表1所示，分析其结果可得出如下结论：

(1) 高斯点数对于最大应力值的大小和节点位置的影响不大。

(2) 网格大小的不同将会直接影响最大应力值的大小和位置。

(3) 输入扭力值的大小会直接影响最大应力值的大小，但与产生最大扭力值的位置无关。

表1 外轮输出轴计算结果

通过对各个部件的计算，经过分析得到球笼式万向节接头总成及各个部件在工作角为0°时所受到的最大应力，如表2所示，工作角为5°时的最大静态应力如表3所示。

由表2、表3分析可知：工作角为0°时球笼式万向节接头总成所受的最大应力值在外轮杆处；工作角为5°时球笼式万向节接头总成所受的最大应力值在接头总成。

在固定扭力位置的情况下，可以得到如下结论：工作角的不同会影响最大应力值的大小和位置。

3 结论

通过对球笼式万向节接头的有限元分析，可得出如下结论：在该机构工作时，随着工作角度的变化，其承受最大应力的部件是不同的，选择合理的网格参数及网格划分方式能更好地对其工作过程中的应力应变情况进行分析，从而根据分析结构合理优化零件结构,达到减轻其重量的目的。

表2 工作角为0°时所受到的最大应力

表3 工作角为5°时所受到的最大应力