基于Ansys Workbench的汽车传动轴参数建模及振动特性分析

吴 彬 ， 黄晓萍 ， 连碧华 ， 卢 彬

（南京机电职业技术学院，江苏 南京 211300）

传动轴是汽车传动系统的核心部件之一，在汽车行驶过程中它将发动机变速箱输出的动力传递给前后桥的主减速器，传动轴性能的好坏直接影响汽车舒适性、燃油经济性和可靠性[1]。由于传动轴本身的结构特点和常处于高速运转工况，不可避免地存在振动及噪声现象。对传动轴结构进行精确的三维数字化建模可以缩短产品的开发周期，也能为传动轴的振动研究提供模型基础[2]。传动轴的振动主要来自起步、加速和制动时发动机的激励和特殊路面等外部工况引起的振动，找到引起共振的固有频率，从而使汽车常行驶的速度避开，可以有效地减少传动轴带来的振动及噪声问题，提高汽车舒适性、燃油经济性和工作可靠性[3]。

1 传动轴的参数化建模

CATIA建模技术广泛地应用于汽车、航空航天、通用机械等领域，是一种基于特征和约束的通用三维CAD软件，方便交互式地建立和编辑复杂实体，具有13个模组：基础结构、机械设计、形状、分析与模拟、ACE工厂、加工、数字化装配等。这里选用此建模技术对传动轴进行建模。本次研究的传动轴主要由两个凸缘叉、十字轴、套筒、主轴、滑动叉和防尘罩等结构组成，主要用到基础结构、机械设计和数字化装配模组[4-7]。

传动轴系统建模是以简单的各部分零件建模为基础，零件的基本组成单元是特征，而二维草图是创建特征的基础，例如创建拉伸、旋转、扫掠等特征都需要绘制二维草图[8]。因此，在建立传动轴各部分零件时，先创建零件的各部分草图，再对草图进行编辑、标注、几何约束等操作，草图创建完成后，根据已创建的草图进行特征的创建、编辑和变换，完成各部分零件实体的创建。传动轴的各零件主要使用了凸台、凹槽、旋转体、旋转槽、孔、实体混合、多截面实体、拔模斜度等特征命令生成最后的零件实体，创建完成的传动轴各部分零件图如图1至图4所示。

图1 主轴

图2 凸缘叉

图3 滑动叉

图4 十字轴

将创建好的各部分零件图，加载到装配设计模块下，添加相应的装配约束关系，完成传动轴的装配设计，传动轴装配图如图5所示。

图5 传动轴装配模型

2 传动轴有限元模态分析

汽车传动轴的振动特性决定各种动力载荷的响应情况，模态分析主要用于确定其结构的振动特性，因此，对汽车传动轴进步结构动力学分析的前提是完成其模态分析[9-12]。在传动轴系统中，由于主轴的长度较长，振动和噪声也最显著，因此这里选择对主轴进行有限元模态分析。利用Ansys Workbench对汽车传动轴的主轴进行有限元模态分析，将CATIA建立好的传动轴三维模型导入Ansys Workbench软件的modal模块下完成传动轴主轴的自由模态与约束模态分析，求解得到其固有频率与振型。

2.1 传动轴主轴的材料设置与网格划分

根据传动轴的传动特点，选取的传动轴材料为40CrNi，弹性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 900 kg/m3。主轴的花键滑移部分和万向节部分是不规则的几何实体，若采用复杂的网格划分方法会导致网格密度与实际求解精度不符，这里采用四面体主导自动网格划分，大小选择0.2 mm，划分后传动轴网格模型共生成23 197个单元、115 055个节点，划分后的网格模型如图6所示。

图6 传动轴主轴网格模型

2.2 自由模态与约束模态求解分析

2.2.1 自由模态

对传动轴主轴不施加任何约束状态所得到的振动模态称为自由模态，提取其前12阶振型和频率进行分析，得到自由模态下固有频率和最大位移如表1所示，第6、8、10、12阶振型云图如图7所示。

表1 主轴自由模态下前12阶最大位移及固有频率

图7 第6、8、10、12阶振型自由模态云图

从表1可以看出，前6阶振型固有频率基本为0，这是由于在自由模态下前6阶模态属于刚体位移模态。相邻两阶7和8固有频率值大致相等，说明它们是系统振动方程的重根。根据振型云图，第8阶主轴中间位置发生弯曲变形；第10阶主轴沿轴线发生波动变形；第12阶主轴花键滑移端发生严重变形。自由模态下主轴从1阶至12阶振型经过了刚性振型阶段、整体弹性振动阶段和局部弹性振动阶段。

2.2.2 约束模态

要想建立传动轴主轴实际传动中的有限元模态分析模型，需要对其施加能够反映主轴与滑动叉及凸缘叉相互作用关系的约束条件，这样就能够近似地反映主轴在实际传动过程中的动态性能。主轴传动时，对主轴十字轴端与十字轴相接触的孔添加旋转约束，主轴的另一端添加动力转矩的反方向载荷，主轴轴线方向添加动力转矩。提取其前12阶振型和频率进行分析，得到约束模态下最大位移和固有频率如表2所示，第4、8、10、12阶振型云图如图8所示。

表2 主轴约束模态下前12阶最大位移及固有频率

图8 第4、8、10、12阶约束模态振型云图

从表2可看出，添加约束条件后，摆线轮前6阶固有频率与自由模态下有区别，前8阶的约束模态固有频率分别为30.656 Hz、41.327 Hz、222.65 Hz、264.98 Hz、636.11 Hz、733.96 Hz、791.3 Hz、917.79 Hz。约束模态更能反映实际传动的动态特性，且低阶振型对结构的影响最大，在设计传动轴时，要避开这些频率，以免共振发生。从振型云图可以看出，第4阶主轴的中间部位发生弯曲变形；第8阶后主轴开始发生波动变形，阶数越高，主轴沿轴线方向的波动变形越大。约束模态下主轴跳过了整体弹性振动阶段，这是施加传动约束后，主轴整体刚度分布不均匀所致。

3 结语

1）通过CATIA建模技术实现了传动轴总成的参数化建模，为后续传动轴主轴的动态特性研究创造条件，缩短了传动轴的开发周期，为减少传动轴的研发成本打下基础。

2）对传动轴主轴进行有限元模态分析，得到自由模态与约束模态前12阶振型的固有频率及最大位移，约束模态下前8阶固有频率分别为30.656 Hz、41.327 Hz、222.65 Hz、264.98 Hz、636.11 Hz、733.96 Hz、791.3 Hz、917.79 Hz。约束模态能反映实际传动的动态特性，且低阶振型对结构的影响最大，在设计和传动工作过程中要避开这些频率，以免发生共振带来结构损伤。