装载机用万向传动轴有限元分析及结构改进

来源:用户上传      作者:

　　摘  要：文章通过对装载机用万向传动轴有限元建模进行刚度、强度以及动力学多种方向的分析，由此发现了万向传动轴产生强度不足的动因，并对其结构的改进方向进行了相应的分析。
　　关键词：装载机;万向传动轴;有限元分析
　　中图分类号：U463 文献标志码：A       文章编号：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
　　万向传动轴是车辆机械工程领域中一个十分重要的部件。它能够通过自身的转化将驱动装置中的力与运动尽可能均匀地传递给从动装置，从而使得至少一个装置在给定的范围内改变其空间位置。万向传动轴本身的结构非常复杂，因此无法采用以往的方式来对其进行力学方面的剖析。对此，本文采用了Pro/E和ANSYS软件。
　　1 Pro/E和ANSYS软件概述
　　1.1 Pro/E
　　Pro/E是一款由美国参数技术公司所设计生产的一体化三维软件，在机械行业的三维造型领域占据着非常关键的地位。相较于以往的三维造型软件而言，它拥有着十分突出的优势。首先是参数化的设计理念。这种设计形式突破了传统的数据库的限制。然后，它可以采取模块组建的形式来满足用户的个性化需求。只要输入某一部分模块的数据，它就能在软件界面进行构建与安装。对于万向传动轴的有限元模型构建，就可以采取模块方式来完成。
　　Pro/E具有以下几个主要特性：第一，参数化设计。无论用户想要构建的集合模型结构有多繁复，都可以通过有限的参数来进行约束，并达到相应的建模成果。第二，基于特征建模。Pro/E建模参考于实体的机械造型。用户需要根据建模原型的基本特征来进行设计。而对于模型中的细节部分，用户可以任意勾画草图进行更改，以达到不同的建模效果。第三，单一数据库。相较于传统的CAD/CAM系统，Pro/E将所有模型都构建在统一基层的数据库上，更加便于在产品设计过程中取用工程资料以及更新设计方案[1]。当工程图进行了修改，其软件构造的三维模型也会发生相应的转变。这也给万向传动轴的设计优化提供了重要条件。
　　1.2 ANSYS
　　ANSYS是一款专业的有限元分析软件，集融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体。它还能通过与其他CAD软件接口来进行实时的数据交互。
　　ANSYS主要包含了三个部分：第一个部分是前处理模块。用户可以在此板块中构建有限元模型。第二个部分是分析计算模块。在此板块中，用户可以通过模拟手段来进行电磁场分析、声场分析、压电分析等多种模式的分析过程。并结合软件功能来进行不同物理介质交互的模拟，进而开展相应的优化分析。第三個部分是后处理模块。这一板块可以向用户以各种形式显示出计算结果，并将最终成果以表格或者曲线形式进行输出。
　　1.3 Pro/E以及ANSYS软件对装载机万向传动轴的应用
　　由于使用传统的手段难以对万向传动轴展开有效的力学分析，因此笔者采用Pro/E和ANSYS软件相结合的手段来进行分析活动。结合Pro/E和ANSYS软件的不同功能，笔者首先对装载机万向传动轴进行了模型构建。这其中包含着以下一些内容：对于实际万向传动轴的几何转化，建模板块中网格的划分，对于实际传动轴所使用材料的设置以及约束加载等等。通过以上这些步骤，有限元模型初步建立完成。然后，笔者继续运用ANSYS软件来对万向轴的静态强度、刚度以及具体受力情况进行了综合分析。轴内包含着滑动轴叉、花键轴叉和法兰叉三个部分。笔者结合软件探究出轴内各个部分在载荷作用下的最大应力、最大变形位置以及分布情况[2]。并同时观察到了传动轴内几个会因长期外部受力而呈现出较低强度的部位。最后，针对软件所模拟分析出的部分，笔者提出了改良传动轴结构的设计方案，对原有的强度不足的部位进行了相应的设计强化。增加了其直径、厚度以及宽度，并对易磨损部位进行了光滑处理。在之后的实践过程中，相关人员根据笔者的方案进行了万向轴的设计调整，经试验显示，改进后的万向轴强度已经较之传统万向轴有了较大的改善。
　　2 万向传动轴的结构
　　万向传动轴主要包含着以下几个部分：法兰叉两个，分别位于万向轴的左右顶端位置;花键轴叉一个，位于连接左侧轴首与中部轴管的中心位置;滑动轴叉一个，其构成材料与其他部位不同，主要起到移动的作用;十字轴两个，位于两个法兰叉的连接处。在花键轴叉与滑动轴叉之间存在着一个花键，起到连接两者的作用。而伸缩部件由内体和外体组成。在实用过程中，万向轴通过外部受力会带动花键进行轴向移动，并通过左右两侧的十字轴来实现不同角度的动力传递，使得装载机内部的各个机械构成部分能够进行均匀受力。
　　3 静力学分析
　　ANSYS软件的计算分析模块包含着数个方面的分析手段。对于万向传动轴的具体受力分析则可以通过以下两个方法来进行：第一个方法是，在简化模型的中心设置一个质量单元，实现其与其他模块间的有效对接，达到符合实际需求的耦合度。进而将转矩加到中心节点上。第二个方法则是，将转矩转换成一对力偶，直接施加到对应的节点上。 　　笔者进行了上一部分的轴内结构分析。依据实际情况，将分别在不同的受力分析环节采取不同的分析方式。设置万向传动轴用20CrMn制成，其拉伸强度为930MPa。
　　法兰叉静力学分析：
　　（1）有限元建模及前处理。首先，笔者运用Pro/E软件对万向轴内的法兰叉部件进行了单独建模。在进行几何简化之后，接入ANSYS软件。几何模型运用材料设定为线弹性材料。选用三维实体单元solid187。杨氏模量与泊松比按照万向轴实用情况进行分别设定。按照第一种转矩加载方式。有限元模型共包括34432个单元和54364个节点。
　　（2）边界条件及荷载。运用ANSYS软件进行模型受力分析时，必须添加两种类型的约束数据。第一种是分布载荷，第二种是集中载荷。在装载机万向轴的静态受力分析过程中，分布载荷与轴内部件——十字轴互相联合，形成固有约束。集中载荷为1E7 N·mm的 x向转矩，极坐标下建立[3]。
　　（3）求解以及分析。笔者运用ANSYS软件来对万向轴静态受力情况进行分析。通过多种类型的施力模拟，系统计算出相应的数据变化，并输出相应的法兰叉节点位移变形图以及法兰叉von Mises应力图。由第一幅法兰叉不同位面的剖析图以及虚拟数据分析可得，在外部受力作用下，法蘭叉位移的最大数据小于0.1mm。由数据可知，这是一个非常小的位移量。因此在静态受力环境下，现有的万向轴法兰叉部件强度条件符合使用需求。而在第二幅法兰叉剖面图以及几何模型图中可以通过数据得出以下结论：法兰叉颈部上所承受的静态内力较之于同部件的其他部位而言更多。其最大应力比材料的拉伸强度小一些。
　　（4）滑动轴叉和花键轴叉刚度、强度分析。对于万向轴内其他部件的分析，也可以采取与上述相同的步骤，并根据万向轴的实际使用情况来设定出相应的边界条件以及载荷条件。笔者通过ANSY软件进行了两者分析过程的图表输出。以下借由文字形式来表达。
　　滑动轴叉的边界条件是：约束与相邻的花键轴叉齿相接触的齿面上X、Y、Z的自由度。载荷是：节叉上两孔中心处分别施加90E3 N的力偶，方向平行于滑动轴叉的轴线。花键轴叉的边界条件与滑动轴叉互相交替。而两者载荷条件相同。通过以上条件模拟，花键轴叉的最大变形量为1.035mm，最大等效应力为7833MPa，而滑动轴叉的最大变形量则为0.39mm，最大等效应力为2934MPa。而在外部受力作用下，万向轴内部部件的变形分布状况也有所不同。滑动轴叉变形位置多在节叉头部，而花键轴叉变形位置多在节叉外侧。
　　通过图表数据分析可知，滑动轴叉的应力在大部分情况下比材料本身的拉伸强度小。而由于花键末端是多方外力交汇处，因此存在着较大的磨损风险。在花键轴叉上，大部分应力分布在870MPa以下。而花键与节叉连接处应力超过870Mpa，不符合实际所需的强度标准。超出1741Mpa的应力则存在于花键末端。
　　由上述各数据分析可知，在静力条件下，万向轴内各部分强度大多符合应有要求。而仅仅在花键与节叉连接处存在强度不足的情况。
　　4 动力学分析
　　4.1 网格模型建立及边界条件处理
　　笔者在进行本文研究的过程中，采用Pro/E软件进行了万向轴各部件的模型设计，并通过软件系统将其组合在一起，导入网格设置软件中进行划分，最终输出。由于万向轴内部各部分材料有所不同，因此笔者分别将塑性随动模型以及刚体模型的数据输入到了软件界面内。在同样的密度、杨氏模量以及泊松比下进行模拟分析以及观察。在此过程中，笔者考虑了硬化指数对应力应变的影响，并将万向节有限元模型进行了刚体处理。
　　4.2 求解以及分析
　　基于软件所模拟出的云图来进行分析，可以观察到传动轴节叉部分动态强度无法达到应有需求。而在同样的施力条件下，最先磨损的是花键轴叉与十字轴的连接处。
　　基于数据分析的改进策略是：重新设计万向传动轴的各个部件尺寸。增大花键轴叉与节叉接触部分的直径，强化静态强度。增加法兰叉、花键、滑动轴叉的节叉宽度、厚度，从物理强度上减少万向轴的磨损频率。尽可能地让花键末端处的应力分散。对此可以增加过渡圆角直径以及对部件本身进行光滑处理。
　　在笔者提出以上改进策略之后，相关人员按照策略需求对万向轴进行了相应的改善。通过试验可知，经过改良设计后的万向传动轴已经具备了符合实用需求的强度。
　　5 结束语
　　本文通过Pro/E与ANSYS软件对万向传动轴的静态刚度、强度以及动力学进行了分析。在多种软件的互相配合下，笔者获知了万向轴在静力条件下以及动力条件下万向轴内各个部件的应力分布情况以及模拟数据。而通过对比分析，笔者得出了花键轴叉与十字轴节叉连接处强度不符合需求的结论。在此结论的引导下，研究人员进行了一定的调整设计，并最终达成了较好的研究成效，装载机万向传送轴强度不足的问题明显得到了改善。
　　参考文献：
　　[1]刘红良.装载机用剖分式双十字万向传动轴的设计与研究[D].浙江工业大学，2016.
　　[2]孙庆义.基于轻卡某重载版车型万向传动轴设计分析[J].汽车实用技术，2017（21）：55-57.
　　[3]刘中锋，周群辉.转向驱动桥双联式万向传动轴运动学分析[J].汽车实用技术，2013（10）：25-27.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14871818.htm