轻型车传动轴总成的有限元分析范文

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《湖北汽车工业学院学报》2015年第一期

1轴管和花键轴静力分析

轴管和花键轴的材料为40Cr，其弹性模量为210GPa，泊松比为0.3，屈服极限为800MPa。设计安全系数要求大于1.5。轴管采用4节点壳单元，网格尺寸4mm，节点数35148个，单元数35032个。花键轴采用10节点四面体和20节点六面体分网，大多数为六面体网格，网格尺寸为4mm，节点数72778个，单元数21914个，如图5所示。对轴管和花键轴的端面施加扭矩，另端施加固定约束，理论解与有限元数值解很接近。验证有限元模型是正确的。

传动轴轴管为空心圆管，长度l为604mm，外径D为76mm，厚度t为2.5mm。有限元计算结果与理论解的对比见表1。有限元解与理论解比较接近，有限元计算的安全系数。花键轴最大Mises应力为627.5MPa，发生在加载端部。这是应力奇异的体现，因左端作用扭矩，整个凹槽段的应力分布应较为均匀。凹槽段末端发生最大Mises应力，其值为443.3MPa，如图6a所示。计算其安全系数为。符合设计要求。花键轴实心轴段受纯剪切，其最大切应力为199.8MPa，如图6b所示。花键轴最大周向位移0.336mm，如图6c所示。该值除以半径16.25mm得扭转角为0.021rad。

2轴管极限扭矩计算

利用Ansys确定轴管极限扭矩的大致范围，给结构施加一个稍大的载荷，打开自动荷载步二分法，并进行弹塑性非线性静力分析，最后计算会因不收敛终止，则倒数第2个子步对应的就是轴管的极限扭矩［5］。绘制扭矩扭转角曲线至极限载荷时，应呈水平线。轴管采用理想弹塑性模型，理论计算极限扭矩。施加扭矩大小为10000N•m，分成30个子步加载，经过计算后，模型在26个子步时不收敛。

读取25子步结果，如图7所示，轴管已经全部屈服，TIME为1对应扭矩为10000，TIME为0.978101对应扭矩值为极限载荷9781N•m。选择一个节点（8716号），查看轴管的周向位移，位移值除以半径，得到扭转角，绘制其载荷位移曲线，得到曲线如图8所示，从曲线上可以看出扭转角随着扭矩的增大而增大，最后随着扭转角的增大所需要的扭矩不再改变。有限元确定的极限扭矩与理论解相差较小，证明弹塑性模型正确和确定极限扭矩的方法可行。

3结论

1）轻型车传动轴总成的十字轴、轴管、花键轴线弹性有限元分析结果表明满足设计要求。2）线弹性和弹塑性的理论计算验证传动轴结构各零件的有限元模型正确。3）利用有限元法可较为准确地确定结构的极限载荷。

作者：尹长城马迅杨强单位：湖北汽车工业学院汽车工程学院