朱國平，盧銀

江蘇格爾頓傳動有限公司 江蘇靖江 214521

工程師 朱國平

1 序言

驅(qū)動軸是汽車底盤傳動系統(tǒng)中的重要零件之一。在汽車行業(yè)，底盤由傳動系、行駛系、轉(zhuǎn)向系和制動系4部分組成，它支承、安裝汽車發(fā)動機及各部件、總成，形成汽車的整體造型，承受發(fā)動機動力，保證正常行駛[1]。傳動系主要是由離合器、變速器、驅(qū)動軸和驅(qū)動橋等組成。

2 驅(qū)動軸結(jié)構(gòu)和原理

圖1所示為驅(qū)動軸，其結(jié)構(gòu)原理源自于萬向傳動裝置，是用于在機構(gòu)運行過程中，傳遞相對位置不斷改變的兩根軸間動力的裝置[2]，在工業(yè)多領域得到廣泛應用。在汽車領域，驅(qū)動軸的功用是連接分布于非同一軸線上的變速器輸出軸和主減速器輸入軸，并保證在兩軸之間的夾角和距離經(jīng)常變化的情況下，仍能可靠地傳遞動力[3]。它是承受高速傳動的零件，主要由凸緣叉、萬向節(jié)十字軸、焊接叉和滑動花鍵副組成。

圖1 驅(qū)動軸

焊接叉（見圖2）是驅(qū)動軸中的一個重要部件，其結(jié)構(gòu)和加工工藝直接影響零件的性能，進而影響整車動力傳遞的效果。其構(gòu)造相對簡單，但是加工工藝復雜，在選材中，了解其加工工藝，并在工藝設計中合理安排加工工序，設計合理的工裝夾具，對產(chǎn)品的最終質(zhì)量具有十分重要的意義。為響應國家節(jié)能減排號召，順應行業(yè)零部件輕量化趨勢，運用PTC Creo Simulate（以下簡稱“Creo”）軟件對驅(qū)動軸進行有限元仿真分析和優(yōu)化設計，最終設計出一款輕質(zhì)焊接叉，在減輕焊接叉質(zhì)量的同時，還能維持并提升部件和總成的原有性能水平，減少原材料的耗用，降低車輛的油、電消耗和碳排放，達到節(jié)能環(huán)保的效果。

圖2 焊接叉

有限元分析法是根據(jù)變分法原理來求解數(shù)學物理問題的一種數(shù)值計算方法。Creo軟件是PTC公司基于Pro/E軟件推出的升級版本，是集CAD/CAM/CAE于一體的軟件集成包，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜曲面建模、機構(gòu)仿真和有限元分析的無縫集成。Creo軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有重要地位，作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今的主流CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設計領域占據(jù)著重要位置[4]。

具體實施方法和步驟：結(jié)合有限元結(jié)構(gòu)理論，應用分析模塊，模擬工況，對部件設置邊界條件，進行分析計算，最終通過參數(shù)化設計取得最佳方案，優(yōu)化原有結(jié)構(gòu)，降低成本，增加行業(yè)競爭力。

3 有限元模型的建立

3.1 建模、網(wǎng)格劃分及材料屬性定義

本案例中，為了排除關聯(lián)部件在運算過程中的相互影響，提高結(jié)果的準確性，減少實際分析運算的時長，將簡化模型，僅對驅(qū)動軸的焊接叉一端單獨進行仿真分析。首先應用Creo軟件包中的Parametric模塊進行三維實體建模，根據(jù)焊接叉實際尺寸建立準確實體模型，然后直接轉(zhuǎn)入Simulate模塊中，應用精細模型菜單中控制命令選項，設置各單元要素的尺寸，最小尺寸值為5，進行有限元分析網(wǎng)格的劃分。焊接叉有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示，模型被劃分為150828個四面體。

圖3 焊接叉有限元網(wǎng)格劃分

按照設計要求，材料為45鋼，輸入各項力學性能屬性值，并將屬性值賦予焊接叉端的部件材料模型中。部件材料的力學性能屬性值見表1[5]。

表1 部件材料的力學性能

3.2 施加載荷及約束處理

對焊接叉一端部件施加約束和載荷處理（見圖4）。根據(jù)實際運行過程中的使用受力狀態(tài)，對凸緣叉法蘭面施加相對于坐標原點的位移固定約束；萬向節(jié)十字軸的約束定義為軸承聯(lián)接，在焊接叉尾端外圓表面施加圓周方向扭轉(zhuǎn)載荷，載荷值為驅(qū)動軸的額定工作扭矩。

圖4 約束與載荷

4 有限元仿真分析過程和結(jié)果

在現(xiàn)有的零件結(jié)構(gòu)中，對部件各總成建模，模擬總成工況，設置邊界條件，進行分析計算。Creo軟件可以輸出多種形式結(jié)果，如位移、靜力和疲勞等，由于各種結(jié)果呈關聯(lián)的態(tài)勢，因此選擇靜力分析功能，能更為直觀地判斷模型受力后的應力變化狀況，其分析結(jié)果顯示出構(gòu)件的各部位應力值大小。根據(jù)模型的表面和內(nèi)部應力分布情況，在應力最小值區(qū)域排除不可變動點后，識別出該區(qū)域可以改進的部位。

通過有限元分析模塊進行模擬仿真分析，得出首次仿真分析應力分布結(jié)果（見圖5），結(jié)果顯示，焊接叉兩側(cè)背面應力值最低，為192MPa，有較大改進余量，且該部位無配合要求，可作為改進區(qū)域，能在此處進行減材處理?？紤]減材后，需保證與其相鄰的內(nèi)側(cè)圓角區(qū)域不額外增加應力，應保留兩側(cè)邊一定寬度作為加強筋。僅兩側(cè)背面中心部位減料形成內(nèi)凹面，同時適當增大內(nèi)側(cè)圓弧起支撐作用。根據(jù)鍛造模具脫模方向，設定內(nèi)凹面斜度為10°，再進行模擬運行分析。

圖5 首次仿真分析應力分布

分析結(jié)果顯示，模型最大應力值轉(zhuǎn)移到加工部位臺階過渡部位，導致最大應力值較原樣增加了一倍，必須進行相應處理，在精加工部位增大過渡圓角以減小應力集中；改進區(qū)域內(nèi)凹面與部件其他區(qū)域應力值，較原樣上升了27%，但相比其他部位仍很低，證明改進方向正確。

重點對內(nèi)凹面筋寬度、內(nèi)側(cè)圓弧及加工圓角部位運用參數(shù)化模擬分析，系統(tǒng)進行優(yōu)化。參數(shù)重點優(yōu)化部位如圖6所示。

圖6 重點優(yōu)化部位

固定之前設置的分析條件，運用參數(shù)化設計，對3處部位進行參數(shù)化分析，得出應力曲線圖（橫坐標為參數(shù)值，縱坐標為應力值），作為優(yōu)化設計參照。參數(shù)優(yōu)化應力變化趨勢曲線如圖7所示。

圖7 參數(shù)優(yōu)化應力變化趨勢曲線

由圖7可以看出，隨各項參數(shù)數(shù)值增大，其應力值逐漸縮?。划?shù)竭_一個節(jié)點后，應力縮小的趨勢變緩，證明此時參數(shù)的調(diào)整相對于應力的影響逐漸減弱；如果繼續(xù)增大參數(shù)，則會形成增材的效果，由于這與優(yōu)化減重的理念相悖，因此不再繼續(xù)增大參數(shù)。再結(jié)合部件其他要求的實際情況，確定最佳的尺寸參數(shù)，進行最終仿真分析，結(jié)果顯示應力分布均衡，數(shù)值處于材料許用范圍內(nèi)。部件最終優(yōu)化后的應力分布如圖8所示。

圖8 部件最終優(yōu)化后的應力分布（層切片圖）

5 結(jié)束語

通過對驅(qū)動軸模型的優(yōu)化分析，得出分析結(jié)論，參考優(yōu)化結(jié)果，重新設計焊接叉新的結(jié)構(gòu)和尺寸，經(jīng)過臺架試驗論證和路試情況驗證表明，優(yōu)化狀態(tài)完全滿足使用要求，并且實現(xiàn)了減輕質(zhì)量的目的。通過對比可知，新結(jié)構(gòu)焊接叉的質(zhì)量相較原狀態(tài)，部件質(zhì)量降低0.45kg，減重比為10.7%，在降低生產(chǎn)成本的同時，提高了材料利用率。

本案例為類似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品提供了設計經(jīng)驗，減少了因設計改進而進行的重復制樣、試驗驗證次數(shù)，探索出一種部件仿真優(yōu)化的具體實施方法。