有限元分析在重卡传动轴法兰叉优化设计中的应用

曹向阳，徐华福，杨正茂

（万向钱潮传动轴有限公司，浙江 杭州 311215）

有限元分析在重卡传动轴法兰叉优化设计中的应用

曹向阳，徐华福，杨正茂

（万向钱潮传动轴有限公司，浙江 杭州 311215）

为满足整车轻量化和长寿命设计的要求，对重卡传动系关键部件的传动轴端面齿法兰叉进行轻量化和结构优化，利用有限元分析软件对优化前后的法兰叉模型进行应力分析，计算给出端面齿法兰叉在优化前后的应力分布云图，验证优化设计的合理性，提高疲劳寿命，减轻重量。为汽车传动系统零件及类似结构件的轻量化、结构优化提供了一种快捷且有效的解决方案。

传动轴；端面齿法兰叉；轻量化；疲劳强度；有限元分析；应力；Pro-E

引言

随着CAD/CAE技术的不断进步，有限元分析在机械CAD中得到广泛的应用，特别是整车轻量化趋势下，零部件结构优化借助于有限元分析，可快速的识别应力集中区域和强度富裕部位，缩短了优化设计周期，减少实物试验次数降低费用[1]。

传动轴是重卡汽车传动系统上介于变速箱与后桥减速器之间重要的传动部件，而端面齿法兰叉是传动轴各零件中应力最为集中、结构最为复杂的零件，从台架试验和售后失效件的统计看端面齿法兰叉存在从锪孔部疲劳失效情况。所以它的机械性能和可靠性将直接关系到汽车的安全性能[2]。

端面齿法兰叉的优化设计，涉及的因素很多，不仅与其几何尺寸、产品结构、加工工艺有关，还需考虑其在整车不同工况下的受力情况。它承受着重卡在起步、制动、不平路面等产生的冲击载荷和交变载荷。如何在满足静强度和疲劳强度的前提下使零件结构轻巧，是汽车零部件优化设计的重要课题。

本文拟以重卡自卸车传动轴端面齿法兰叉优化设计为例，利用Pro-E建立模型，CAE分析软件—SolidWokrs Simulation，计算给出端面齿法兰叉在极限载荷工况下Misses应力分布云图，在满足整车强度和疲劳寿命的前提下获得最轻巧的结构设计，同时方便与变速箱输出法兰和后桥输入法兰的安装操作。为设计人员在传动轴系列零件及类似结构件的开发提供设计思路及分析方法。

1、有限元分析及优化的实现方法

利用PRO/E三维软件建立端面齿法兰叉实体模型，通过格式转化导入Solidworks软件中，采用Solidworks软件中的Simulation有限元模块进行前处理、求解和后处理工作。软件平台采用Windows XP为操作系统。

在SolidWokrs Simulation的边界条件中设定材料特性，根据工况设定扭矩输入和约束部位，加载最大工作扭矩。

2、基本分析参数

基本分析参数包括整车参数及端面齿法兰叉材料参数。

根据主机厂提供的工程自卸车整车参数，计算得变速箱输出的动力扭矩和车桥产生的反向附着力扭矩。同时考虑超载所需的安全系数，具体参数如表1。

表1 整车基本分析参数表

端面齿法兰叉的材料为45#钢调质（硬度230-280HB），从材料手册中查得其弹性模量E=210GPa，柏松比µ=0.3。

3、端面齿法兰叉有限元分析及优化

3.1 端面齿法兰叉实体模型的建立

在机械结构有限元分析前处理中，建立三维实体模型需要占用较多的工作量[1]，对于端面齿法兰叉之类的复杂零件，有限元软件的建模功能无法满足要求，故我们通过PRO/E软件来建模。

为了便于进行有限元分析时网格的划分，在建模过程中我们忽略了部分细微结构[2]，所建立端面齿法兰叉模型如下：

3.2 端面齿法兰叉有限元模型的建立

通过Solidworks软件导入转化后的端面齿法兰叉模型后，采用SOLID单元进行划分网格，该模型划分为250246个单元，362096个节点。有限元模型如图3所示。

3.3 端面齿法兰叉有限元分析、结构优化

根据汽车设计手册，计算传动轴额定工作扭矩，同时考虑车辆超载的后备系数，作为有限元分析的加载载荷。从有限元分析的应力分布云图中，获得结构优化的信息，削减多余材料降低重量，优化应力集中区域提高静强度和疲劳强度。

（1）传动轴额定扭矩计算

根据整车传动系参数，动力扭矩和轮胎附着力扭矩两者取小值为传动轴的额定工作扭矩。具体计算如下[2]：

传动轴额定工作扭矩取：20032.7N.m

考虑整车超载后备系数1.5，模型加载扭矩确定为：30049 N.m。

（2）加载设定和应力分布

根据端面齿法兰叉的工作状态，假定端面齿法兰叉的4个端齿部分固定不动，故对端面齿法兰叉的4个端齿部分平面施加六自由度的固定约束。另对端面齿法兰叉两耳孔各加载水平方向的轴承力，组成围绕法兰叉中心扭转的扭矩，模型加载扭矩30049N.m。约束和加载如图4所示。

从计算后所得的应力云图中得知，整个模型应力最大点在耳孔处为1207MPa，而锪孔部位应力最大值为703Mpa（同时也是扭矩传递的突变部位）。而两轴承孔下部的区域应力值极小。详见图5。

（3）优化后的结构和应力分布

从原结构应力分布情况再考虑结构形状等其他因素对端面齿法兰叉进行结构优化，削减轴承孔下部与圆盘接合部位的不受力材料，以降低零件的重量。优化四螺栓孔锪孔部位加大毛坯过渡圆弧，变原U型锪孔形状为圆形锪孔形状，以减小锪孔圆角处的应力，来提高扭转疲劳寿命。优化后的结构模型如下图6、7。

对结构优化后的端面齿法兰叉同等条件进行加载30049 N.m扭矩，计算所得应力分布云图见图8。整个模型应力最大点在耳孔处为1278MPa，而锪孔部位应力最大值为503Mpa。

3.4 实物台架试验对比验证

按《汽车传动轴总成台架试验方法》QC/T523-1999中的“静扭强度试验”和“扭转疲劳试验”方法进行台架试验对比。试验结果如下表2、3。

从试验结果看静扭强度略有下降（约2.9%）但满足要求，疲劳强度有一倍多的提高（约110%）。

表2 优化前、后实物静扭强度对比

表3 优化前、后实物疲劳强度对比

3.5 计算结果及分析

从以上原结构和优化后结构模型应力分布云图得知，优化后模型应力最大值相对原结构变大了5.47%，锪孔部位应力最大值则降低了28.45%。对端面齿法兰叉进行优化后重量减轻1.43Kg，减重比18.77%。通过实物台架试验证明：在静扭强度下降2.9%情况下，疲劳强度提高了110%，极大的延长了传动轴的使用寿命，使端面齿法兰叉基本达到了整车同寿命。

4、结束语

本文结合重型工程车传动轴端面齿法兰叉具体实例，对CAD/CAE技术在其优化设计及分析过程中的应用进行了具体表述：

（1）利用有限元分析软件对端面齿进行了应力分析，计算给出端面齿法兰叉在最大扭矩的应力分布云图。设计人员可根据分析结果，对设计的合理性、可行性及有效性进行判断。在分析结果不满足要求时，可根据对应力集中区域进行优化，直至满足要求。

（2）本文提供的分析方法，为传动轴各零件及类似复杂结构件的优化设计，提供了一种快捷且有效的解决方案。改变了传统设计存在的设计弊病，大大降低了设计准确性、结构的可靠性，并节省了开发周期，达到了精益设计的目的。

[1] 周洪林，郑传经等.CAD/CAE技术在叶轮结构设计中的应用.计算机应用与IT技术，2010.6.

[2] 孙志斌、林革.《汽车传动轴总成技术条件》.QC/T 29082-1992标准.

Finite Element Analysis in the heavy truck driveshaft flange fork optimization Design

Cao Xiangyang, Xu Huafu, Yang Zhengmao
（Universal QianChao Transmission Shaft, Zhejiang Hangzhou 311215）

In order to meet the vehicle lightweight and long life design requirements, light weight and optimize structure on the transmission shaft flange york, the key component of heavy truck transmission system, contrast optimization model of stress analysis by using finite element analysis, calculation the stress distribution nephogram , through the test to verify the rationality of the optimum design, improve fatigue life, reduce weight. Provide a quick and effective solution for optimizing the automotive transmission parts and similar structures.

transmission shaft; flange york; lightweight; fatigue strength; finite element analysis; stress; Pro-E CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-04-04

U467.3

A

1671-7988(2015)02-04-04

曹向阳，就职于万向钱潮传动轴有限公司。