基于Hypermesh的重卡传动轴有限元分析

10.16638/ki.1671-7988.2019.17.031
基于Hypermesh的重卡传动轴有限元分析
习伟博1，田栋2，马相飞2，申良奇1
（1.陕西万方汽车零部件有限公司，陕西西安710200；2.陕西汽车控股集团有限公司，陕西西安710200）
摘要：传动轴作为重型卡车传动系统中的重要部分，起着传递发动机功率的重要作用，但其强度不足会引发失效和结构笨重等问题。

针对这些问题，文章基于HYPERMESH有限元软件对某商用车的传动轴强度、模态与吊挂模态强度进行分析，检验此商用车的传动轴设计是否存在缺陷。

根据强度分析结果与满足结构安全的要求，提出结构改进方案，对传动轴设计的进一步优化具有参考意义。

关键词：传动轴；强度；模态；传动轴模态强度
中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)17-86-03
Finite Element Analysis of Heavy truck drive shaft by ANSYS
Xi Weibo1, Tian Dong2, Ma Xiangfei2, Shen Liangqi1
( 1.Shaanxi Wanfang Auto Parts Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200; 2.Shaanxi Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )
Abstract: Drive shaft is the key part of truck driving system, and it plays important role in the transfer of the engine power. But there are still problems such as failure caused by lack of strength and structure rich. Based on HYPERMESH, this paper analyzes the transmission shaft strength, mode and hanging mode strength of a commercial vehicle, and tests whether the design of the drive shaft of this commercial vehicle is defective. According to the results of strength analysis and the require -ments of structural safety, a structural improvement scheme is proposed, which has reference significance for further optimization of drive shaft design.
Keywords: drive shaft; strength; modal; transmission shaft modal strength
CLC NO.: U463 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)17-86-03
引言
作为汽车传动系统的重要组成部分，传动轴的主要作用是将发动机动力总成输出不同档位的动力和旋转运动传送到驱动桥，使得在传动过程中受到较大扭矩，产生较大变形和应力[1,2]。

另外，高速旋转、十字轴万向节的不等速运转、传动轴中间支承轴承高速运转的发热等复杂使用工况使得对传动轴到的强度、抗冲击能力等提出了更高要求。

为缩短产品研发周期，降低研发成本，基于软件分析传动轴容易发生损坏的位置，提出合理的措施来改善产品缺陷已成为主流趋势[3,4]。

1 重卡传动轴总成结构
重卡车型传动轴通常采用十字轴万向节伸缩结构，由于其传递扭矩较大，通常采用端面齿法兰连接传递扭矩，与乘用车和小型载货车传动轴的平面法兰结构不同[5,6]。

其基本结构如图1所示，各主要零部件的材料与强度极限如表1，中间支承橡胶刚度如表2所示。

2 传动轴有限元分析
传动轴设计完成后，在其三维模型的基础上建立其有限
作者简介：习伟博，就职于陕西万方汽车零部件有限公司。

86
习伟博 等：基于Hypermesh 的重卡传动轴有限元分析
87
元模型进行分析，主要包括传动轴强度、模态以及吊挂支架的动刚度。

传动轴强度分析结果见表3，对应各种材料的应力分布见图2。

图1 传动轴总成 表1 某车型传动轴材料清单
表2 传动轴中间支承橡胶刚度
表3 传动轴强度分析结果
图2 传动轴约束模态分析
汽车的动力系统不断向传动轴施加激振，传动轴的一阶弯曲模态比较容易激发共振。

故要求传动轴的一阶弯曲模态比传动轴最高转速对应的频率高出30%。

即：
由此得
，由图2可得传动
轴一阶频率为41.2Hz ，有很大优化空间。

对传动轴模态的优化有两个方向，一是更改传动轴布置，二是改变传动轴中间支承橡胶刚度。

由于车架以及底盘总布置工作完成较早，更改传动轴布置方法比较困难，并且传动轴一阶模态与目标相差不多，可以采用改变橡胶刚度来解决此问题。

由CAE 从正向出发计算出满足模态要求的橡胶刚度，与供应商协同开发新的中间支承橡胶，完成后重新提交CAE 再次分析传动轴模态验证是否满足要求。

3 传动轴吊挂分析
传动轴吊挂支架模态强度分析结果见表4，应力分布见图3、4和5。

表4 传动轴吊挂支架模态强度分析结果
图3 传动轴吊挂支架模态强度应力分布
1
图4 传动轴吊挂支架模态强度应力分布
2
图5 传动轴吊挂支架模态强度应力分布3
从分析结果中可以看出后吊挂支架强度过盛，出于降低
成本及轻量化考虑现对后吊挂支架进行结构优化。

经综合分析，提出去掉加强筋方案，对优化后的吊挂支架重新进行CAE 分析，结果见图6。

由图可看出最大应力为263.67N ，计算可得安全系数为1.34，优化后的结果满足强度要求。

图6 传动轴吊挂支架优化后模态强度应力分布
4 结束语
基于Hypermesh 的有限元法具有快捷、准确、高效的鲜明特点，通过对传动轴强度、 （下转第125页）
姚健：某汽车底盘2.5t 前轴强度分析
125
另一侧钢托处安全系数
，满足使用要求。

3 试验验证
依据《汽车非驱动类前轴台架疲劳寿命试验方法》，将试验件模拟整车状态安装在试验台架上。

试验加载参数额定载荷为 2.5T ，试验力加载载荷下峰值是额定载荷的0.5倍即1.25T ，上峰值是额定载荷的3.5倍即8.75T 。

试验台作动器沿垂直方向对试验样件施加上下循环试验力，试验频率为3Hz 。

对三根前轴进行台架试验，编号为1#、2#、3#。

试验结果如下：
表1 前轴台架试验结果
汽车非驱动类前轴疲劳寿命同时达到B5不小于30万次（或B10不大于38万次）和B50不小于70万次双指标的为
合格品，故根据实验结果可知，三根样件全部合格。

4 结论
本论文主要研究 2.5t 前轴在制动和侧滑工况下受力情况。

（1）在紧急制动工况下，主要分析中间截面和钢托截面的弯曲应力和抗扭应力。

（2）在侧滑工况下，主要分析主销孔和钢托截面的弯曲应力。

通过理论校核和试验结果2.5t 前轴满足使用要求。

参考文献
[1] 刘惟信.汽车设计[M].清华大学出版社P415-P429. [2] 杨伯源.材料力学[M].科学技术文献出版社P277-P294.
[3] 黄乐乐.试验报告[R].安徽江淮汽车股份有限公司P2.
（上接第87页）
模态及吊挂模态强度分析，对传动轴各零部件进行了进一步改进和优化。

另外，在条件允许的情况下可以采集传动轴的实际载荷，对传动轴做疲劳寿命分析，进一步提高传动轴设计的质量，同时以上CAE 分析优化流程适用于它重卡车型的开发，具有重要参考价值。

参考文献
[1] 申晋宪,王铁.载货汽车总体设计分析[M].北京:中国标准出版社
2013:122-137.
[2] 陆建聚,陈再智,黄小林.汽车传动轴固有频率与振动问题的研究
[J].生产与设备,2011（10）:78-79.
[3] (德) 切梅兹.万向节与传动轴[M]北京:北京理工大学出版社1997:
3-5.
[4] 王伟,王铁,申晋宪.从故障车辆看半挂车车架结构设计思路[J].专
用汽车,2011,（3）:63-64.
[5] 张克鹏.重型卡车传动轴强度仿真分析与实验分析[J].汽车工程,
2013,（7）:29-32.
[6] 杨震立,蓝盈照.大型货车传动轴总成的强度分析及改进[J].机械
设计与研究,2013,（4）:56-61.。