基于有限元的汽車傳動軸綜合優(yōu)化分析

【摘 要】傳動軸作為汽車傳動系統(tǒng)的重要零部件，由于自身結構的特點使其振動頻率較低、剛度小，萬向節(jié)附加力矩的存在等，傳動軸高速運轉時不可避免地存在振動現(xiàn)象。因此研究傳動軸的振動問題對解決整車的平順性和舒適性有著重要的意義。以有限元軟件ANSYS為基礎，進行了傳動軸的實體設計。基于有限元法計算傳動軸的固有頻率和振型，運用試驗模態(tài)技術對傳動軸進行模態(tài)分析，試驗結果驗證了有限元模型的可靠性。

【關鍵詞】汽車傳動軸；模態(tài)分析；ANSYS

汽車傳動軸的主要功能就是把發(fā)動機減速器的轉動力矩傳遞到驅動裝置，使驅動裝置獲得發(fā)動機傳遞來的力矩。因此，傳動軸設計中的強度及剛度校核主要表現(xiàn)為傳動軸的受扭強度校核和材料剛度校核。汽車傳動軸主要作用是把發(fā)動機減速器的運動傳遞到驅動橋，使驅動橋獲得規(guī)定的轉速和方向，其傳遞的主要為轉矩。因此，傳動軸的強度校核主要為受扭強度校核。傳統(tǒng)的分析方法，一般都是首先通過軸傳遞的最大轉矩，計算出軸的最小直徑；然后通過計算作用在軸上的載荷、不同斷面上的轉矩、軸向力和彎矩，利用解析法或圖解法確定軸不同位置的支反力，最后利用傳統(tǒng)的計算公式進行強度校核，確定安全系數(shù)。如果安全系數(shù)小于許用安全系數(shù)，還要進行疲勞強度計算。此過程計算繁雜，反復性強，而且可靠性差，很可能因為計算誤差，造成由于傳動軸強度不夠而引發(fā)的軸裂、軸斷事故。因此，研究一種新的準確、快捷的強度分析方法迫在眉睫。ANSYS軟件作為一種廣泛應用CAE軟件，應用有限元法對結構進行靜力學、動力學、熱力學和電磁學等多種分析。通過ANSYS軟件的應用，可以大大縮短軸類零件的設計周期，從而減少設計成本，并有利于多種型號產(chǎn)品的開發(fā)。

1.傳動軸的實體模型的建立

模型中按不同的截面形狀將傳動軸分為5段，其中1與5段是傳動軸與萬向節(jié)連接部分節(jié)叉的等效簡化，4段為薄壁圓管，其它各段都為實心圓軸。考慮到2段與3段之間原來的花鍵連接，將右支承設置為水平方向自由移動，而左支承為簡支。

1段：L1=70，D1=72 A1=4069.44，I1=1318500

2段：L2=145，D2=65 A2=3318.3，I2=876240

3段：L3=75，D3=42 A3=1385.44，I3=152750

4段：L4=900，D4=89，d4=84 A4=679.37，I4=635930

5段：L5=70，D5=98 A5=7542.96， I5=4527700

其中：L為每段軸的長度，D為每段軸的外徑，d為每段軸的內(nèi)徑（薄壁軸），單位為mm，A為每段軸的截面積，A=πd2或A=π（D2-d2）4，為每段軸的截面慣性矩，I=πD464或I=π（D4-d4）64，單位為mm4。楊氏模量E=2.1*1011N/m2，密度Q=7800kg/m3。

2.傳動軸的設計與有限元分析

傳動軸的規(guī)格種類各異，但利用ANSYS對傳動軸的分析方法大同小異，可以相互參照，以下就以某一型號汽車傳動軸的設計分析過程來論述。通過旋轉二維面積網(wǎng)格得到軸的三維映射網(wǎng)格有限元模型，如圖2所示。對于規(guī)則的體或面，ANSYS使用映射網(wǎng)格，一般來說映射網(wǎng)格往往比自由網(wǎng)格得到的結果要更加精確。根據(jù)傳動軸的工作性質可知，傳動軸主要承受轉矩作用。在施加載荷時，可以約束傳動軸的一端，然后在其另一端施加轉矩。在加載和約束過程中，根據(jù)模型的需要，創(chuàng)建了局部圓柱坐標系，這有利于節(jié)點的選取和約束的加載。在施加約束時，根據(jù)實際工況，在圓柱系下限制了傳動軸外徑全部節(jié)點的徑向位移；使所有節(jié)點只能做繞軸線的旋轉位移，在加載轉矩時，模擬實際工況，采用端部均布加載，在80個節(jié)點上，各施加一個大小為417N的周向集中力，他們對圓心的力矩和為1500N*m。

其分析結果如下：

通過ANSYS有限元分析，得到傳動軸的總體位移和截面應力圖，如圖3所示。從圖3中可以看出軸的最大位移變形出現(xiàn)在尾端，尾端截面節(jié)點Y方向的位移。由以上可知，節(jié)點切向位移最大，Max=0.31769mm，對應的轉角d===7.059*10rad.受純扭的薄壁圓筒，扭轉變形后各平行截面相對轉動，單元格的左、右兩邊發(fā)生相對錯動，但圓筒沿軸線及周線的長度都沒有變化，這表明，圓筒橫截面和包含軸線的縱向截面上都沒有正應力，橫截面上只受切與截面的剪應力，所以在強度校核時，以軸截面所受剪應力S為校核標準。從計算中可以得出軸受到的最大剪應力Max=52.129MPa，與理論計算結果51MPa基本一致，且小于材料的許用應力τ=60MPa，滿足強度要求。軸受到最小剪應力Min=48.097MPa，與最大剪應力差值為d=52.129-48.097=4.032 MPa可以看出其差值并不大，這也說明，整個軸的受力比較均勻，這樣可以保證充分發(fā)揮材料的作用。

3.結束語

汽車動力系統(tǒng)不斷向傳動軸施加各種激振，以發(fā)動機往復慣性力和傳動軸不平衡質量產(chǎn)生的慣性力最為顯著，傳動軸的一階彎曲模態(tài)比較容易激發(fā)共振。振動將激振能力傳遞至車身，腔體受激共振，產(chǎn)生低頻轟鳴聲。傳動軸在設計中為了避免共振，要求其固有頻率比傳動軸最高轉速（臨界轉速）對應的頻率高出 15%。如果設計中不能避免共振，對于長傳動軸，可采用中間支撐，分段傳動，或采用空心軸達到提高固有頻率的手段。傳動軸模態(tài)的計算為傳動軸進行動態(tài)不平衡激勵的諧響應分析及地面隨機激勵的譜分析奠定基礎。本文基于ANSYS有限元軟件和傳統(tǒng)軸分析理論給出了一種新的受扭軸強度的計算方法。與傳統(tǒng)算法相比，此法可以準確的了解傳動軸應力和應變的大小和位置，進行精確的強度計算。本文有限元法和試驗模態(tài)分析研究傳動軸的動態(tài)特性，結果驗證了仿真模型的正確性。

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