裝載機用萬向傳動軸有限元分析及結(jié)構(gòu)改進

吳光榮

摘 ?要：文章通過對裝載機用萬向傳動軸有限元建模進行剛度、強度以及動力學多種方向的分析，由此發(fā)現(xiàn)了萬向傳動軸產(chǎn)生強度不足的動因，并對其結(jié)構(gòu)的改進方向進行了相應(yīng)的分析。

關(guān)鍵詞：裝載機;萬向傳動軸;有限元分析

中圖分類號：U463 文獻標志碼：A ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）15-0110-02

Abstract： In this paper， the stiffness， strength and dynamics of the loader are analyzed by finite element modeling of the universal transmission shaft， and the cause of the insufficient strength of the universal transmission shaft is found. The improvement direction of its structure is analyzed accordingly.

Keywords： loader; universal drive shaft; finite element analysis

萬向傳動軸是車輛機械工程領(lǐng)域中一個十分重要的部件。它能夠通過自身的轉(zhuǎn)化將驅(qū)動裝置中的力與運動盡可能均勻地傳遞給從動裝置，從而使得至少一個裝置在給定的范圍內(nèi)改變其空間位置。萬向傳動軸本身的結(jié)構(gòu)非常復雜，因此無法采用以往的方式來對其進行力學方面的剖析。對此，本文采用了Pro/E和ANSYS軟件。

1 Pro/E和ANSYS軟件概述

1.1 Pro/E

Pro/E是一款由美國參數(shù)技術(shù)公司所設(shè)計生產(chǎn)的一體化三維軟件，在機械行業(yè)的三維造型領(lǐng)域占據(jù)著非常關(guān)鍵的地位。相較于以往的三維造型軟件而言，它擁有著十分突出的優(yōu)勢。首先是參數(shù)化的設(shè)計理念。這種設(shè)計形式突破了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫的限制。然后，它可以采取模塊組建的形式來滿足用戶的個性化需求。只要輸入某一部分模塊的數(shù)據(jù)，它就能在軟件界面進行構(gòu)建與安裝。對于萬向傳動軸的有限元模型構(gòu)建，就可以采取模塊方式來完成。

Pro/E具有以下幾個主要特性：第一，參數(shù)化設(shè)計。無論用戶想要構(gòu)建的集合模型結(jié)構(gòu)有多繁復，都可以通過有限的參數(shù)來進行約束，并達到相應(yīng)的建模成果。第二，基于特征建模。Pro/E建模參考于實體的機械造型。用戶需要根據(jù)建模原型的基本特征來進行設(shè)計。而對于模型中的細節(jié)部分，用戶可以任意勾畫草圖進行更改，以達到不同的建模效果。第三，單一數(shù)據(jù)庫。相較于傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)，Pro/E將所有模型都構(gòu)建在統(tǒng)一基層的數(shù)據(jù)庫上，更加便于在產(chǎn)品設(shè)計過程中取用工程資料以及更新設(shè)計方案[1]。當工程圖進行了修改，其軟件構(gòu)造的三維模型也會發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。這也給萬向傳動軸的設(shè)計優(yōu)化提供了重要條件。

1.2 ANSYS

ANSYS是一款專業(yè)的有限元分析軟件，集融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體。它還能通過與其他CAD軟件接口來進行實時的數(shù)據(jù)交互。

ANSYS主要包含了三個部分：第一個部分是前處理模塊。用戶可以在此板塊中構(gòu)建有限元模型。第二個部分是分析計算模塊。在此板塊中，用戶可以通過模擬手段來進行電磁場分析、聲場分析、壓電分析等多種模式的分析過程。并結(jié)合軟件功能來進行不同物理介質(zhì)交互的模擬，進而開展相應(yīng)的優(yōu)化分析。第三個部分是后處理模塊。這一板塊可以向用戶以各種形式顯示出計算結(jié)果，并將最終成果以表格或者曲線形式進行輸出。

1.3 Pro/E以及ANSYS軟件對裝載機萬向傳動軸的應(yīng)用

由于使用傳統(tǒng)的手段難以對萬向傳動軸展開有效的力學分析，因此筆者采用Pro/E和ANSYS軟件相結(jié)合的手段來進行分析活動。結(jié)合Pro/E和ANSYS軟件的不同功能，筆者首先對裝載機萬向傳動軸進行了模型構(gòu)建。這其中包含著以下一些內(nèi)容：對于實際萬向傳動軸的幾何轉(zhuǎn)化，建模板塊中網(wǎng)格的劃分，對于實際傳動軸所使用材料的設(shè)置以及約束加載等等。通過以上這些步驟，有限元模型初步建立完成。然后，筆者繼續(xù)運用ANSYS軟件來對萬向軸的靜態(tài)強度、剛度以及具體受力情況進行了綜合分析。軸內(nèi)包含著滑動軸叉、花鍵軸叉和法蘭叉三個部分。筆者結(jié)合軟件探究出軸內(nèi)各個部分在載荷作用下的最大應(yīng)力、最大變形位置以及分布情況[2]。并同時觀察到了傳動軸內(nèi)幾個會因長期外部受力而呈現(xiàn)出較低強度的部位。最后，針對軟件所模擬分析出的部分，筆者提出了改良傳動軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，對原有的強度不足的部位進行了相應(yīng)的設(shè)計強化。增加了其直徑、厚度以及寬度，并對易磨損部位進行了光滑處理。在之后的實踐過程中，相關(guān)人員根據(jù)筆者的方案進行了萬向軸的設(shè)計調(diào)整，經(jīng)試驗顯示，改進后的萬向軸強度已經(jīng)較之傳統(tǒng)萬向軸有了較大的改善。

2 萬向傳動軸的結(jié)構(gòu)

萬向傳動軸主要包含著以下幾個部分：法蘭叉兩個，分別位于萬向軸的左右頂端位置;花鍵軸叉一個，位于連接左側(cè)軸首與中部軸管的中心位置;滑動軸叉一個，其構(gòu)成材料與其他部位不同，主要起到移動的作用;十字軸兩個，位于兩個法蘭叉的連接處。在花鍵軸叉與滑動軸叉之間存在著一個花鍵，起到連接兩者的作用。而伸縮部件由內(nèi)體和外體組成。在實用過程中，萬向軸通過外部受力會帶動花鍵進行軸向移動，并通過左右兩側(cè)的十字軸來實現(xiàn)不同角度的動力傳遞，使得裝載機內(nèi)部的各個機械構(gòu)成部分能夠進行均勻受力。

3 靜力學分析

ANSYS軟件的計算分析模塊包含著數(shù)個方面的分析手段。對于萬向傳動軸的具體受力分析則可以通過以下兩個方法來進行：第一個方法是，在簡化模型的中心設(shè)置一個質(zhì)量單元，實現(xiàn)其與其他模塊間的有效對接，達到符合實際需求的耦合度。進而將轉(zhuǎn)矩加到中心節(jié)點上。第二個方法則是，將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成一對力偶，直接施加到對應(yīng)的節(jié)點上。