裝載機用萬向傳動軸有限元分析及結構改進
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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，由此發現了萬向傳動軸產生強度不足的動因，并對其結構的改進方向進行了相應的分析。
關鍵詞：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域中一個十分重要的部件。它能夠通過自身的轉化將驅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改變其空間位置。萬向傳動軸本身的結構非常復雜，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是一款由美國參數技術公司所設計生產的一體化三維軟件，在機械行業的三維造型領域占據著非常關鍵的地位。相較于以往的三維造型軟件而言，它擁有著十分突出的優勢。首先是參數化的設計理念。這種設計形式突破了傳統的數據庫的限制。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據，它就能在軟件界面進行構建與安裝。對于萬向傳動軸的有限元模型構建，就可以采取模塊方式來完成。
Pro/E具有以下幾個主要特性：第一，參數化設計。無論用戶想要構建的集合模型結構有多繁復，都可以通過有限的參數來進行約束，并達到相應的建模成果。第二，基于特征建模。Pro/E建模參考于實體的機械造型。用戶需要根據建模原型的基本特征來進行設計。而對于模型中的細節部分，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，單一數據庫。相較于傳統的CAD/CAM系統，Pro/E將所有模型都構建在統一基層的數據庫上，更加便于在產品設計過程中取用工程資料以及更新設計方案[1]。當工程圖進行了修改，其軟件構造的三維模型也會發生相應的轉變。這也給萬向傳動軸的設計優化提供了重要條件。
1.2 ANSYS
ANSYS是一款專業的有限元分析軟件，集融結構、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據交互。
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。并結合軟件功能來進行不同物理介質交互的模擬，進而開展相應的優化分析。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用
由于使用傳統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軟件相結合的手段來進行分析活動。結合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建。這其中包含著以下一些內容：對于實際萬向傳動軸的幾何轉化，建模板塊中網格的劃分，對于實際傳動軸所使用材料的設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，筆者繼續運用ANSYS軟件來對萬向軸的靜態強度、剛度以及具體受力情況進行了綜合分析。軸內包含著滑動軸叉、花鍵軸叉和法蘭叉三個部分。筆者結合軟件探究出軸內各個部分在載荷作用下的最大應力、最大變形位置以及分布情況[2]。并同時觀察到了傳動軸內幾個會因長期外部受力而呈現出較低強度的部位。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構的設計方案，對原有的強度不足的部位進行了相應的設計強化。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，相關人員根據筆者的方案進行了萬向軸的設計調整，經試驗顯示，改進后的萬向軸強度已經較之傳統萬向軸有了較大的改善。
2 萬向傳動軸的結構
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，位于連接左側軸首與中部軸管的中心位置;滑動軸叉一個，其構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，并通過左右兩側的十字軸來實現不同角度的動力傳遞，使得裝載機內部的各個機械構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置一個質量單元，實現其與其他模塊間的有效對接，達到符合實際需求的耦合度。進而將轉矩加到中心節點上。第二個方法則是，將轉矩轉換成一對力偶，直接施加到對應的節點上。 筆者進行了上一部分的軸內結構分析。依據實際情況，將分別在不同的受力分析環節采取不同的分析方式。設置萬向傳動軸用20CrMn制成，其拉伸強度為930MPa。
法蘭叉靜力學分析：
（1）有限元建模及前處理。首先，筆者運用Pro/E軟件對萬向軸內的法蘭叉部件進行了單獨建模。在進行幾何簡化之后，接入ANSYS軟件。幾何模型運用材料設定為線彈性材料。選用三維實體單元solid187。楊氏模量與泊松比按照萬向軸實用情況進行分別設定。按照第一種轉矩加載方式。有限元模型共包括34432個單元和54364個節點。
（2）邊界條件及荷載。運用ANSYS軟件進行模型受力分析時，必須添加兩種類型的約束數據。第一種是分布載荷，第二種是集中載荷。在裝載機萬向軸的靜態受力分析過程中，分布載荷與軸內部件——十字軸互相聯合，形成固有約束。集中載荷為1E7 N·mm的 x向轉矩，極坐標下建立[3]。
（3）求解以及分析。筆者運用ANSYS軟件來對萬向軸靜態受力情況進行分析。通過多種類型的施力模擬，系統計算出相應的數據變化，并輸出相應的法蘭叉節點位移變形圖以及法蘭叉von Mises應力圖。由第一幅法蘭叉不同位面的剖析圖以及虛擬數據分析可得，在外部受力作用下，法蘭叉位移的最大數據小于0.1mm。由數據可知，這是一個非常小的位移量。因此在靜態受力環境下，現有的萬向軸法蘭叉部件強度條件符合使用需求。而在第二幅法蘭叉剖面圖以及幾何模型圖中可以通過數據得出以下結論：法蘭叉頸部上所承受的靜態內力較之于同部件的其他部位而言更多。其最大應力比材料的拉伸強度小一些。
?。?）滑動軸叉和花鍵軸叉剛度、強度分析。對于萬向軸內其他部件的分析，也可以采取與上述相同的步驟，并根據萬向軸的實際使用情況來設定出相應的邊界條件以及載荷條件。筆者通過ANSY軟件進行了兩者分析過程的圖表輸出。以下借由文字形式來表達。
滑動軸叉的邊界條件是：約束與相鄰的花鍵軸叉齒相接觸的齒面上X、Y、Z的自由度。載荷是：節叉上兩孔中心處分別施加90E3 N的力偶，方向平行于滑動軸叉的軸線?；ㄦI軸叉的邊界條件與滑動軸叉互相交替。而兩者載荷條件相同。通過以上條件模擬，花鍵軸叉的最大變形量為1.035mm，最大等效應力為7833MPa，而滑動軸叉的最大變形量則為0.39mm，最大等效應力為2934MPa。而在外部受力作用下，萬向軸內部部件的變形分布狀況也有所不同?；瑒虞S叉變形位置多在節叉頭部，而花鍵軸叉變形位置多在節叉外側。
通過圖表數據分析可知，滑動軸叉的應力在大部分情況下比材料本身的拉伸強度小。而由于花鍵末端是多方外力交匯處，因此存在著較大的磨損風險。在花鍵軸叉上，大部分應力分布在870MPa以下。而花鍵與節叉連接處應力超過870Mpa，不符合實際所需的強度標準。超出1741Mpa的應力則存在于花鍵末端。
由上述各數據分析可知，在靜力條件下，萬向軸內各部分強度大多符合應有要求。而僅僅在花鍵與節叉連接處存在強度不足的情況。
4 動力學分析
4.1 網格模型建立及邊界條件處理
筆者在進行本文研究的過程中，采用Pro/E軟件進行了萬向軸各部件的模型設計，并通過軟件系統將其組合在一起，導入網格設置軟件中進行劃分，最終輸出。由于萬向軸內部各部分材料有所不同，因此筆者分別將塑性隨動模型以及剛體模型的數據輸入到了軟件界面內。在同樣的密度、楊氏模量以及泊松比下進行模擬分析以及觀察。在此過程中，筆者考慮了硬化指數對應力應變的影響，并將萬向節有限元模型進行了剛體處理。
4.2 求解以及分析
基于軟件所模擬出的云圖來進行分析，可以觀察到傳動軸節叉部分動態強度無法達到應有需求。而在同樣的施力條件下，最先磨損的是花鍵軸叉與十字軸的連接處。
基于數據分析的改進策略是：重新設計萬向傳動軸的各個部件尺寸。增大花鍵軸叉與節叉接觸部分的直徑，強化靜態強度。增加法蘭叉、花鍵、滑動軸叉的節叉寬度、厚度，從物理強度上減少萬向軸的磨損頻率。盡可能地讓花鍵末端處的應力分散。對此可以增加過渡圓角直徑以及對部件本身進行光滑處理。
在筆者提出以上改進策略之后，相關人員按照策略需求對萬向軸進行了相應的改善。通過試驗可知，經過改良設計后的萬向傳動軸已經具備了符合實用需求的強度。
5 結束語
本文通過Pro/E與ANSYS軟件對萬向傳動軸的靜態剛度、強度以及動力學進行了分析。在多種軟件的互相配合下，筆者獲知了萬向軸在靜力條件下以及動力條件下萬向軸內各個部件的應力分布情況以及模擬數據。而通過對比分析，筆者得出了花鍵軸叉與十字軸節叉連接處強度不符合需求的結論。在此結論的引導下，研究人員進行了一定的調整設計，并最終達成了較好的研究成效，裝載機萬向傳送軸強度不足的問題明顯得到了改善。
參考文獻：
[1]劉紅良.裝載機用剖分式雙十字萬向傳動軸的設計與研究[D].浙江工業大學，2016.
[2]孫慶義.基于輕卡某重載版車型萬向傳動軸設計分析[J].汽車實用技術，2017（21）：55-57.
[3]劉中鋒，周群輝.轉向驅動橋雙聯式萬向傳動軸運動學分析[J].汽車實用技術，2013（10）：25-27.
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