(青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院 青島 266061)
萬向聯(lián)軸器廣泛應(yīng)用于汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等多個系統(tǒng)中,而在汽車傳動系統(tǒng)中,為了實現(xiàn)車輪隨懸架的變動而擺動,使用能夠滿足車輪轉(zhuǎn)角要求的等速萬向節(jié)驅(qū)動軸,其一般由球籠式和三球銷式萬向聯(lián)軸器以及中間軸組成,而三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器是新出現(xiàn)的一種理想的傳動聯(lián)軸器[1]。
三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器較三球銷式萬向聯(lián)軸器具有結(jié)構(gòu)簡單、同步性能好、傳輸能力強且自身軸向滑移調(diào)節(jié)距離大等優(yōu)點,因此具有廣闊的應(yīng)用前景[2~7],但主要配合表面的過早失效縮短了其工作壽命,尤其是主動軸的孔與滑移銷之間的配合接觸面擠壓嚴(yán)重,接觸應(yīng)力較大,這嚴(yán)重影響了三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器的普及與應(yīng)用。因此,基于此,本文分析了三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器的主要配合表面的結(jié)構(gòu)缺陷,提出了一種新型抗擠壓結(jié)構(gòu),并利用ANSYS軟件進行接觸分析,為進一步的理論分析及實驗研究奠定了基礎(chǔ)。
三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器由主動軸、滑移銷、關(guān)節(jié)軸承、三叉桿、從動軸連接頭等組成[8],其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器
三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器進行萬向傳動時,主動軸與從動軸連接頭之間存在一定角度,這就使得在進行扭矩傳遞時,滑移銷需要在主動軸的孔中往復(fù)滑移,二者構(gòu)成滑動副,而擠壓變形就主要發(fā)生在主動軸的孔與滑移銷之間,這是因為它們完成了主要的扭矩傳遞任務(wù)[9]。所以,減小它們之間的接觸應(yīng)力,防止擠壓變形是本研究工作的首要目標(biāo)。
當(dāng)兩構(gòu)件相互接觸的表面上因承受較大的壓力發(fā)生局部塑性變形或壓碎時即發(fā)生擠壓破壞[10]。
而由于擠壓面積為擠壓面的正投影面積,在保證滑移銷與主動軸孔總體橫截面積不變的條件下,將原始滑移銷及主動軸孔的圓形橫截面改為抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷及主動軸孔的橢圓形橫截面將會使接觸應(yīng)力大大減小,滑移銷結(jié)構(gòu)變化如圖2所示。
圖2 滑移銷配合結(jié)構(gòu)的變化
三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器運行時,原始滑移銷與主動軸圓孔接觸受力后的變形與應(yīng)力分布示意圖如圖3所示,受力前,二者沿與軸線相平行的一條線相接觸,受力后,由于材料彈性變形,接觸線變?yōu)閷挾葹?a的矩形面,而且接觸面上的壓應(yīng)力分布呈半橢圓形,代表壓應(yīng)力處處不相同,初始接觸線處的壓應(yīng)力最大,該壓應(yīng)力代表接觸受力后的應(yīng)力,即接觸應(yīng)力,用σH1表示。
圖3 原始滑移銷與主動軸圓孔接觸受力后的變形與應(yīng)力分布示意圖
三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器運行時,抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動軸橢圓孔接觸受力后的變形與應(yīng)力分布示意圖如圖4所示,同理,其接觸應(yīng)力用σH2表示[11]。
圖4 抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動軸橢圓孔接觸受力后的變形與應(yīng)力分布示意圖
原始滑移銷與主動軸圓孔接觸受力的接觸應(yīng)力計算公式為
抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動軸橢圓孔接觸受力的接觸應(yīng)力計算公式為
式(1)和(2)中,F(xiàn)為作用于接觸面上的總壓力,B為初始接觸線長度,ρ1、ρ2為原始滑移銷與主動軸圓孔在初始接觸線處的曲率半徑,ρ3、ρ4為抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動軸橢圓孔在初始接觸線處的曲率半徑,μ1、μ2為滑移銷與主動軸材料的泊松比,E1、E2為滑移銷與主動軸材料的彈性模量。
比較σH1與σH2二者大小,令σH1-σH2,代入換算得,由于裝配關(guān)系的存在,使得ρ4>ρ3>ρ2>ρ1且ρ2-ρ1與ρ4-ρ3量級相同,因此σH1-σH2?0,即抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動軸橢圓孔接觸的接觸應(yīng)力遠遠小于原始滑移銷與主動軸圓孔接觸的接觸應(yīng)力。
為了簡化分析過程,在傳動工況為0°下進行接觸分析,選用三分之一的原始三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器、抗擠壓結(jié)構(gòu)的三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器的滑移銷與主動軸孔配合接觸模型,進行有限元分析,根據(jù)求解結(jié)果對二者的應(yīng)力、接觸狀態(tài)、接觸壓力進行對比以驗證抗擠壓結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。
利用SolidWorks軟件分別建立原始三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器、抗擠壓結(jié)構(gòu)的三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器的滑移銷與主動軸孔配合接觸模型,各取三分之一對稱接觸模型另存為x_t格式導(dǎo)入ANSYS分析軟件。
定義材料屬性,根據(jù)三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器中各零件的功能和實際運動情況并結(jié)合相關(guān)文獻,得出各零件的材料屬性,在Static Structural模塊下進行材料屬性的設(shè)置,材料屬性如表1所示[12]。
表1 三叉桿滑移式萬向聯(lián)軸器中各零件的材料屬性
將滑移銷設(shè)置為目標(biāo)面,主動軸設(shè)置為接觸面,接觸類型為Frictional,F(xiàn)riction Coefficient為0.1[13]。
利用六面體主導(dǎo)劃分(Hex Dominant)方式對模型進行網(wǎng)格劃分,控制網(wǎng)格大小為3mm。
以某一實際應(yīng)用于汽車的等速萬向節(jié)驅(qū)動軸所傳動的最大扭矩作參考。該汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速為3500r/min,最大扭矩M為92N·m,主減速傳動比i0為 4.388,一檔變速器傳動比i1為 4.388[14],以此計算出等速萬向節(jié)驅(qū)動軸的最大扭矩Mmax為
因此,在傳動工況為0°下各滑移銷承載相同且考慮滑移銷轉(zhuǎn)動半徑,將最大扭矩Mmax等效到各滑移銷上[15],得到各滑移銷受力6000N,即在滑移銷的面上施加Force為6000N,同時對主動軸的三個面施加Frictionless Support約束。
利用ANSYS的結(jié)果處理器對求解結(jié)果進行結(jié)果后處理,可得到原始滑移銷與主動軸圓孔、抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動軸橢圓孔兩接觸模型的整體應(yīng)力、接觸對接觸狀態(tài)、接觸對接觸壓力,通過對二者輸出結(jié)果變化的對比分析,得到抗擠壓結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。
圖5為滑移銷與主動軸孔配合整體應(yīng)力變化示意圖,其中圖5(a)為原始滑移銷與主動軸圓孔配合整體應(yīng)力云圖,圖5(b)為抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動軸橢圓孔配合整體應(yīng)力云圖,前者的最大應(yīng)力為72.511Gpa,后者的最大應(yīng)力為52.941Gpa,即采用抗擠壓結(jié)構(gòu)相較于原始結(jié)構(gòu)應(yīng)力會大大下降。
圖5 滑移銷與主動軸孔配合整體應(yīng)力變化示意圖
圖6為滑移銷與主動軸孔接觸狀態(tài)變化示意圖,其中圖6(a)為原始滑移銷與主動軸圓孔接觸狀態(tài),圖6(b)為抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動軸橢圓孔接觸狀態(tài),前者中接觸并粘接狀態(tài)占比較大,后者中接觸并粘接狀態(tài)與接觸但滑移狀態(tài)占比基本接近,即采用抗擠壓結(jié)構(gòu)相較于原始結(jié)構(gòu)會大大改善滑移銷滑移性能。
圖6 滑移銷與主動軸孔接觸狀態(tài)變化示意圖
圖7為滑移銷與主動軸孔接觸壓力變化示意圖,其中圖7(a)為原始滑移銷與主動軸圓孔接觸壓力,圖7(b)為抗擠壓結(jié)構(gòu)滑移銷與主動軸橢圓孔接觸壓力,前者的最大接觸壓力為108.58Gpa,后者的最大接觸壓力為為45.047Gpa,即采用抗擠壓結(jié)構(gòu)相較于原始結(jié)構(gòu)接觸壓力會大大下降。
圖7 滑移銷與主動軸孔接觸壓力變化示意圖
1)結(jié)構(gòu)改進后,模型配合整體的應(yīng)力大大降低,有利于零件的壽命延長。
2)滑移銷與主動軸接觸對的接觸狀態(tài)中滑移狀態(tài)占比增加,有利于滑移銷在主動軸孔中的滑移。
3)滑移銷與主動軸接觸對的接觸壓力下降明顯,有利于防止零件變形。