石伯妹，沈偉江，邱寶象，郭增均

(萬向錢潮股份有限公司，浙江 杭州 311215)

等速萬向節(jié)防塵罩失效分析與結構優(yōu)化

Failure analysis and structure optimization of constant velocity universal joint dust cove

石伯妹，沈偉江，邱寶象，郭增均

(萬向錢潮股份有限公司，浙江 杭州 311215)

某等速萬向節(jié)在使用過程中發(fā)生了防塵罩破損漏油。通過Abaqus和試驗模擬的方法對防塵罩進行了失效分析，查找了失效原因。分析發(fā)現在裝車過程中，等速萬向節(jié)擺動到極限位置的時候，防塵罩波谷受到殼體和軸桿的擠壓，從而導致破損。根據失效情況，對防塵罩進行了結構優(yōu)化，并對優(yōu)化后結構進行了有限元模擬和試驗驗證，試驗結果顯示，優(yōu)化后結構可避免防塵罩因擠壓而導致破損。

等速萬向節(jié)；防塵罩；失效分析；結構優(yōu)化

等速萬向節(jié)防塵罩與殼體和中間軸桿相配合，如圖1所示，存儲潤滑脂并防止雜物如泥沙、水等進入萬向節(jié)腔內。我公司某等速萬向節(jié)在使用過程中發(fā)生了漏油現象，檢查發(fā)現防塵罩出現了破損，如圖2所示。針對這一問題，本文通過有限元方法對防塵罩在各種工況的變形情況進行了分析，分析發(fā)現在極限工況時，防塵罩與等速萬向節(jié)殼體和軸桿發(fā)生了干涉。用實物模擬時，再現了同樣的問題。據此對防塵罩進行了優(yōu)化，并對優(yōu)化后結構進行了模擬分析。防塵罩受力變形過程比較復雜，具有幾何非線性和材料非線性的雙重非線性特性，傳統(tǒng)的理論分析方法和試驗方法很難及時有效地對其使用過程中的變形和應力狀態(tài)進行模擬與分析[1]。有限元與計算機仿真技術的結合，可以快速有效的對防塵罩進行各種工況下的仿真分析[2～3]。

1 防塵罩材料

該等速萬向節(jié)防塵罩采用氯丁橡膠，是一種非線性材料。本文分析時采用MooneyRivilin模型，該模型是目前最常用的橡膠類材料模型[2]：

式中：C1、 C2為Mooney-Rivilin模型參數，通過試驗確定。通過對材料進行單軸向拉伸和壓縮試驗，得到材料應力—應變數據，將材料試驗數據導入材料模型，泊松比取0.49，通過數據擬合確定材料模型的兩個參數C1和 C2。

圖1 防塵罩結構

圖2 防塵罩破損

2 防塵罩有限元模型

根據防塵罩結構與載荷的對稱性，取一半結構進行建模與分析。有限元模型如圖3所示。防塵罩小端部位與軸桿約束，大端部位與殼體約束。在等速萬向節(jié)擺動角度較大時，防塵罩波谷與波谷、波峰與波峰之間會發(fā)生接觸，另外防塵罩與軸桿、殼體之間也會發(fā)生接觸，在可能發(fā)生接觸的部位施加接觸對。為使模型能在節(jié)點不是非常龐大的情況下,比較精確地模擬實際情況,在接觸區(qū)域和結構關鍵部位將網格劃分細一些，以保證計算精度。根據工況，殼體部位施加軸向位移約束，在等速萬向節(jié)旋轉中心施加角度約束。

圖3 有限元模型

3 防塵罩失效分析

通過Abaqus模擬了防塵罩在各種工況時的應力、應變和干涉情況。分析發(fā)現，當等速萬向節(jié)擺動到一定角度、軸向產生一定位移時（極限工況），防塵罩波谷3會受到軸桿和殼體的擠壓。擠壓部位最大主應變約0.35，接觸應力約0.8 MPa。另外實物模擬了等速萬向節(jié)在極限工況時的情況：防塵罩波谷受到殼體和軸桿的擠壓，再現了防塵罩破損的現象。如表中圖片所示。有限元分析結果、實物模擬結果與實際失效情況一致。根據分析結果，了解到：在裝車過程中，半軸變速箱一端的等速萬向節(jié)已插入，在裝配輪轂一端時需要擺動較大的角度，才能將半軸另一端（輪轂端）等速萬向節(jié)插入輪轂中，裝配過程中，變速箱端等速萬向節(jié)被壓縮，同時擺動角度過大，從而導致防塵罩波谷被擠壓在殼體與軸桿之間，造成防塵罩穿孔破裂。

表1 防塵罩優(yōu)化前后對比

4 結構優(yōu)化前后對比

根據防塵罩失效部位、失效原因，對防塵罩進行了優(yōu)化，修改了防塵罩波谷3的尺寸，并根據實際情況相應適當調整了防塵罩其他部位的尺寸。對優(yōu)化后防塵罩進行了有限元分析，分析結果顯示，在極限情況，防塵罩波谷3避開了殼體和軸桿的擠壓。且防塵罩最大主應變下降到0.21，下降了39.1%；接觸應力下降到0.49 MPa，下降了39.5%。對優(yōu)化后防塵罩進行了試驗驗證，驗證結果顯示，優(yōu)化后結構可避免防塵罩擠壓破損。如表1中圖片所示。

5 結束語：

本文利用有限元分析了防塵罩破損原因及對應工況，并對結構進行了改進及優(yōu)化分析，使優(yōu)化后結構避免破損。同時通過對仿真結果與實驗結果的比較，驗證了防塵罩非線性有限元分析方法的準確性。

[1] 楊曉翔. 非線性橡膠材料的有限單元法. 北京: 石油工業(yè)出版社, 1999:70～87.

[2] 李曉芳,楊曉翔. 橡膠材料的超彈性本構模型. 彈性體, 2005;15(1):50～58.

[3] 石伯妹,資小林,郭增均. 等速萬向節(jié)防塵罩非線性有限元分析與試驗驗證. 綿陽:中國計算力學大會2010暨第8屆南方計算力學學術會議, 2010.

(R-03)

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燕豐 供稿

TQ320.5

1009-797X(2016)24-0087-03

B

10.13520/j.cnki.rpte.2016.24.026

石伯妹（1982-），女，中級工程師，研究方向為汽車底盤零部件。

2016-11-18