混凝土攪拌運輸車傳動軸強度與疲勞壽命分析

張克鵬

陜西重型汽車有限公司 陜西西安 710200

1 前言

混凝土攪拌運輸車底盤傳動軸的主要作用是將變速器的運動和動力傳遞到驅動橋。文章以某混凝土攪拌運輸車底盤傳動軸總成為研究對象，首先在三維設計軟件CATIA中建立了傳動軸總成的三維模型，然后在HyperMesh中建立有限元網格模型，對各個裝配部件采用正確的接觸關系，并施加合理的位移約束和載荷邊界條件，最后利用大型非線性有限元軟件ABAQUS分析平臺，計算傳動軸總成在極限工況下各個部件的靜強度，通過分析得到總成的薄弱部位，然后利用靜強度結果，在疲勞分析軟件FEMFAT中進行傳動軸總成的疲勞壽命分析，找出在傳動軸工作過程中，疲勞破壞容易發生的部位。同時通過試驗，驗證仿真分析的準確性，為傳動軸總成結構優化提供理論依據。

2 分析模型的建立

2.1 傳動軸部件材料屬性

根據傳動軸設計部門提供的材料，參考《汽車設計手冊》并通過查詢《機械設計手冊》得到傳動軸總成各個部件的材料屬性，如表1所示[1]。

表1 傳動軸總成各部件材料屬性

2.2 傳動軸強度定義

傳動軸強度按發動機、變速器匹配，在實際選配過程中，由計算扭矩T選擇相應強度等級的傳動軸：

式中，T為傳動軸計算扭矩，Nm；Temax為發動機的最大輸出扭矩，Nm；ig1，ip1為變速器和分動器一檔速比；t為安全系數，取t=1.5；Ms為傳動軸屈服扭矩，Nm。

該傳動軸總成屈服扭矩≥47 000 Nm ，軸管直徑為120 mm，十字軸軸徑為68 mm。

2.3 有限元模型的建立

本文對傳動軸總成的主傳動軸管、凸緣叉、萬向節滑動叉、滑動叉套管、萬向節十字軸、十字軸套筒等進行三維建模。在保證計算精度的前提下，綜合考慮網格數量，進行網格密度的合理調整，消除不良單元，做好各個部件之間的接觸參數設定，使計算容易收斂。文中采用四面體單元進行網格劃分，局部進行加密處理，整個模型節點數量為222 891，實體單元數量為792 545，如圖1所示。

3 邊界條件

3.1 接觸邊界條件

由于研究對象為傳動軸總成，各個部件之間須通過設置正確的接觸來滿足分析研究要求。當兩個物體彼此接觸時，垂直于接觸面的力作用在兩個物體上。如果在接觸面之間存在摩擦，可能產生剪力以阻止物體的切向運動（滑動）。從力學分析角度看，接觸是邊界條件高度非線性的復雜問題，它允許力從模型的一部分傳遞到另一部分。因為只有當兩個表面發生接觸時才會有約束產生，而當兩個接觸的面分離時，就不存在約束作用了，所以這種約束是不連續的。在ABAQUS中，有ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit兩種接觸模擬，ABAQUS/Standard的接觸模擬是基于表面或者基于接觸單元的；ABAQUS/ Explicit的接觸模擬可以利用通用（“自動”）接觸算法或者接觸對算法。通常定義一個接觸模擬只需簡單指定所采用的接觸算法和將會發生接觸作用的部件即可。由于ABAQUS/Standard在粘結和滑移兩種狀態之間的不連續可能導致收斂問題，而且該傳動軸總成所有部件都是體網格，體與體之間可以自動建立接觸，所以采用ABAQUS/Explicit接觸模擬，只要指定每一對接觸的兩個部件，利用接觸對算法讓它們之間進行自動接觸，即可解決分析過程中的收斂問題[2]。

在定義接觸的過程中，基于接觸對算法，設定摩擦因數為0.2，并假定接觸面之間處于小滑移狀態，計算很快得到收斂。整個傳動軸總成中包含以下幾個接觸關系：a. 滑動叉套管與萬向節滑動叉花鍵間的接觸；b. 萬向節滑動叉與十字軸套筒之間的接觸；c. 十字軸套筒與萬向節十字軸之間的接觸；d. 凸緣叉與十字軸套筒之間的接觸。

3.2 約束及載荷邊界條件

傳動軸總成在工作過程中，一端由凸緣叉連接變速器，一端由凸緣叉連接驅動橋，傳動軸將變速器動力傳遞到驅動橋以實現汽車的驅動行駛。由于驅動橋端是被動端，所以對驅動橋端的凸緣叉4個安裝孔進行6個自由度的全約束[3]。

載荷邊界條件此處主要是來自變速器的扭矩，施加屈服扭矩載荷為47 000 Nm，載荷位于變速器端凸緣叉4個安裝孔的中心處，如圖2所示。

4 靜強度計算結果及分析

4.1 位移及扭轉角度

傳動軸總成在極限載荷工況下最大綜合位移為3.306 mm，如圖3所示。傳動軸受到變速器施加的扭矩，扭轉角度為2.46o。

4.2 應力

由于該混凝土攪拌運輸車底盤傳動軸總成在工作過程中，發生破壞頻率比較高的部件主要為變速器端的凸緣叉和萬向節十字軸部分，所以將主要對這兩個部件進行分析。

4.2.1 凸緣叉

應力大小采用等效von-mise考核，凸緣叉在給最大扭矩工況下最大應力為535.5 MPa，如圖4所示。最大應力發生在凸緣叉與變速器連接的安裝孔位置附近，這與破壞性試驗（施加扭矩直至傳動軸發生破壞）中破壞位置一致，如圖5所示。由于傳動軸受繞X方向的扭矩，凸緣叉是直接接受變速器動力的部件，而凸緣叉的4個安裝孔與變速器固定連接，所以在傳動軸工作過程中，凸緣叉安裝孔周圍應力較大。

4.2.2 萬向節十字軸

萬向節十字軸在最大扭矩工況下最大應力為581.2 MPa，如圖6所示。最大應力處為十字軸伸出端根部，由于傳動軸在扭轉過程中，凸緣叉將變速器動力傳遞到十字軸，十字軸又將動力傳遞給萬向節滑動叉，因此十字軸在整個傳動軸總成中又起到接受動力并傳遞動力的作用，所處工況相當惡劣，而且計算所得的應力最大處與十字軸破壞性試驗過程中的實際破壞位置相當吻合，試驗破壞位置如圖7所示。

通過以上兩個部件計算結果與實際情況的對比，可以證明有限元計算的準確性。

5 疲勞壽命計算結果及分析

在疲勞分析中，有限元技術已經成為一種不可缺少的分析工具，根據有限元分析的靜強度結果進行進一步的疲勞壽命分析已經在一些重要的工業領域得到應用[4]。

5.1 載荷信息

本文采用疲勞壽命分析軟件FEMFAT對該混凝土攪拌運輸車傳動軸總成進行疲勞壽命分析。根據中華人民共和國汽車行業標準汽車轉向傳動軸總成性能要求及試驗方法（QC/T 649-2000），該混凝土攪拌運輸車底盤傳動在軸疲勞壽命試驗過程中，施加簡單正弦循環扭矩載荷，最大扭矩載荷為22 000 Nm，最小為其最大載荷的30%，即6 600 Nm，如圖8所示。

在計算過程中，由于最大載荷22 000 N·m時，靜強度最大應力沒有超過材料的屈服強度，因此其疲勞壽命屬于高周疲勞，使用S-N曲線即名義應力法進行全壽命分析。這是最早形成的抗疲勞設計方法，它以材料或部件的S-N曲線為基礎，對照結構疲勞危險部位的應力集中系數和名義應力，結合疲勞損傷累計理論進行疲勞壽命分析。

5.2 疲勞壽命分析結果

將ABAQUS中計算的靜強度應力分析結果導入FEMFAT中，各個部件選擇對應的材料，選擇統計學影響因素，疲勞計算結果如圖9所示。

由圖9可以看出，傳動軸總成疲勞壽命最小的地方主要有萬向節滑動叉頸部、主傳動軸管端部、凸緣叉螺栓孔附近，這與傳動軸總成實際使用情況中的破壞位置也十分吻合，如圖10所示，這些都說明傳動軸疲勞壽命分析趨勢的正確性。

6 結論

a. 采用合理的接觸和約束條件，使計算容易收斂，有限元模型更加準確。

b. 經過有限元分析，發現混凝土攪拌運輸車底盤傳動軸總成變速器端的凸緣叉和萬向節十字軸在最大扭矩工況下，其最大應力位置與破壞性試驗過程的破壞位置極度吻合，證明有限元分析的準確性。

c. 通過對該混凝土攪拌運輸車底盤傳動軸總成進行疲勞壽命分析，得到傳動軸總成表明的疲勞壽命結果云圖，并且驗證了傳動軸的最小壽命位置和實際使用過程中的損壞位置極度吻合，說明了疲勞壽命分析在趨勢上能反映部件的疲勞壽命薄弱位置。

d. 傳動軸的強度與疲勞壽命分析較真實地反映了傳動軸的實際工作情況，可為以后的改進設計提供計算依據。

[1] 成大先.機械設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2008.

[2] 莊茁,周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京:機械工業出版社,2004.

[3] 鐘佩思,王景林,劉梅等.基于有限元的傳動軸受扭分析[J].機械傳動,2008(5):88-90.

[4] 姚衛星.結構疲勞壽命分析[M].北京:國防工業出版社版社,2003.