商用车驱动轴轻量化仿真分析和优化设计

朱国平，卢银

江苏格尔顿传动有限公司 江苏靖江 214521

工程师 朱国平

1 序言

驱动轴是汽车底盘传动系统中的重要零件之一。在汽车行业，底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系4部分组成，它支承、安装汽车发动机及各部件、总成，形成汽车的整体造型，承受发动机动力，保证正常行驶[1]。传动系主要是由离合器、变速器、驱动轴和驱动桥等组成。

2 驱动轴结构和原理

图1所示为驱动轴，其结构原理源自于万向传动装置，是用于在机构运行过程中，传递相对位置不断改变的两根轴间动力的装置[2]，在工业多领域得到广泛应用。在汽车领域，驱动轴的功用是连接分布于非同一轴线上的变速器输出轴和主减速器输入轴，并保证在两轴之间的夹角和距离经常变化的情况下，仍能可靠地传递动力[3]。它是承受高速传动的零件，主要由凸缘叉、万向节十字轴、焊接叉和滑动花键副组成。

图1 驱动轴

焊接叉（见图2）是驱动轴中的一个重要部件，其结构和加工工艺直接影响零件的性能，进而影响整车动力传递的效果。其构造相对简单，但是加工工艺复杂，在选材中，了解其加工工艺，并在工艺设计中合理安排加工工序，设计合理的工装夹具，对产品的最终质量具有十分重要的意义。为响应国家节能减排号召，顺应行业零部件轻量化趋势，运用PTC Creo Simulate（以下简称“Creo”）软件对驱动轴进行有限元仿真分析和优化设计，最终设计出一款轻质焊接叉，在减轻焊接叉质量的同时，还能维持并提升部件和总成的原有性能水平，减少原材料的耗用，降低车辆的油、电消耗和碳排放，达到节能环保的效果。

图2 焊接叉

有限元分析法是根据变分法原理来求解数学物理问题的一种数值计算方法。Creo软件是PTC公司基于Pro/E软件推出的升级版本，是集CAD/CAM/CAE于一体的软件集成包，能够实现复杂曲面建模、机构仿真和有限元分析的无缝集成。Creo软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有重要地位，作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今的主流CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据着重要位置[4]。

具体实施方法和步骤：结合有限元结构理论，应用分析模块，模拟工况，对部件设置边界条件，进行分析计算，最终通过参数化设计取得最佳方案，优化原有结构，降低成本，增加行业竞争力。

3 有限元模型的建立

3.1 建模、网格划分及材料属性定义

本案例中，为了排除关联部件在运算过程中的相互影响，提高结果的准确性，减少实际分析运算的时长，将简化模型，仅对驱动轴的焊接叉一端单独进行仿真分析。首先应用Creo软件包中的Parametric模块进行三维实体建模，根据焊接叉实际尺寸建立准确实体模型，然后直接转入Simulate模块中，应用精细模型菜单中控制命令选项，设置各单元要素的尺寸，最小尺寸值为5，进行有限元分析网格的划分。焊接叉有限元网格划分结果如图3所示，模型被划分为150828个四面体。

图3 焊接叉有限元网格划分

按照设计要求，材料为45钢，输入各项力学性能属性值，并将属性值赋予焊接叉端的部件材料模型中。部件材料的力学性能属性值见表1[5]。

表1 部件材料的力学性能

3.2 施加载荷及约束处理

对焊接叉一端部件施加约束和载荷处理（见图4）。根据实际运行过程中的使用受力状态，对凸缘叉法兰面施加相对于坐标原点的位移固定约束；万向节十字轴的约束定义为轴承联接，在焊接叉尾端外圆表面施加圆周方向扭转载荷，载荷值为驱动轴的额定工作扭矩。

图4 约束与载荷

4 有限元仿真分析过程和结果

在现有的零件结构中，对部件各总成建模，模拟总成工况，设置边界条件，进行分析计算。Creo软件可以输出多种形式结果，如位移、静力和疲劳等，由于各种结果呈关联的态势，因此选择静力分析功能，能更为直观地判断模型受力后的应力变化状况，其分析结果显示出构件的各部位应力值大小。根据模型的表面和内部应力分布情况，在应力最小值区域排除不可变动点后，识别出该区域可以改进的部位。

通过有限元分析模块进行模拟仿真分析，得出首次仿真分析应力分布结果（见图5），结果显示，焊接叉两侧背面应力值最低，为192MPa，有较大改进余量，且该部位无配合要求，可作为改进区域，能在此处进行减材处理。考虑减材后，需保证与其相邻的内侧圆角区域不额外增加应力，应保留两侧边一定宽度作为加强筋。仅两侧背面中心部位减料形成内凹面，同时适当增大内侧圆弧起支撑作用。根据锻造模具脱模方向，设定内凹面斜度为10°，再进行模拟运行分析。

图5 首次仿真分析应力分布

分析结果显示，模型最大应力值转移到加工部位台阶过渡部位，导致最大应力值较原样增加了一倍，必须进行相应处理，在精加工部位增大过渡圆角以减小应力集中；改进区域内凹面与部件其他区域应力值，较原样上升了27%，但相比其他部位仍很低，证明改进方向正确。

重点对内凹面筋宽度、内侧圆弧及加工圆角部位运用参数化模拟分析，系统进行优化。参数重点优化部位如图6所示。

图6 重点优化部位

固定之前设置的分析条件，运用参数化设计，对3处部位进行参数化分析，得出应力曲线图（横坐标为参数值，纵坐标为应力值），作为优化设计参照。参数优化应力变化趋势曲线如图7所示。

图7 参数优化应力变化趋势曲线

由图7可以看出，随各项参数数值增大，其应力值逐渐缩小；当到达一个节点后，应力缩小的趋势变缓，证明此时参数的调整相对于应力的影响逐渐减弱；如果继续增大参数，则会形成增材的效果，由于这与优化减重的理念相悖，因此不再继续增大参数。再结合部件其他要求的实际情况，确定最佳的尺寸参数，进行最终仿真分析，结果显示应力分布均衡，数值处于材料许用范围内。部件最终优化后的应力分布如图8所示。

图8 部件最终优化后的应力分布（层切片图）

5 结束语

通过对驱动轴模型的优化分析，得出分析结论，参考优化结果，重新设计焊接叉新的结构和尺寸，经过台架试验论证和路试情况验证表明，优化状态完全满足使用要求，并且实现了减轻质量的目的。通过对比可知，新结构焊接叉的质量相较原状态，部件质量降低0.45kg，减重比为10.7%，在降低生产成本的同时，提高了材料利用率。

本案例为类似结构的产品提供了设计经验，减少了因设计改进而进行的重复制样、试验验证次数，探索出一种部件仿真优化的具体实施方法。