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隨著CAD/CAE技術(shù)的不斷進(jìn)步,有限元分析在機(jī)械CAD中翻廣泛的細(xì),特別是整車輕量化趨勢(shì)下,零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化借助于有限元分析,可快速的識(shí)別應(yīng)力集中區(qū)域和強(qiáng)度富裕部位,縮短了優(yōu)化設(shè)計(jì)周期,減少實(shí)物試驗(yàn)次數(shù)降低費(fèi)用。
傳動(dòng)軸是重卡汽車傳動(dòng)系統(tǒng)上介于變速箱與后橋減速器之間重要的傳動(dòng)部件，而端面齒法蘭叉是傳動(dòng)軸各零件中應(yīng)力最為集中、結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的零件，從臺(tái)架試驗(yàn)和售后失效件的統(tǒng)計(jì)看端面齒法蘭叉存在從惚孔部疲勞失效情況。所以它的機(jī)械性能和可靠性將直接關(guān)系到汽車的安全性能。
端面齒法蘭叉的優(yōu)化設(shè)計(jì),涉及的因顏多,不僅與其幾何尺寸、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、加工工藝有關(guān)，還需考慮其在整車不同工況下的受力情況。它承受著重卡在起步、制動(dòng)、不平路面等產(chǎn)生的沖擊載荷和交變載荷。如何在滿足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的前提下使零件結(jié)構(gòu)輕巧，是汽車零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要課題。
本文擬以重卡自卸車傳動(dòng)軸端面齒法蘭叉優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，利用Pro-E建立模型，CAE分析軟件一SolidWorksSimulation，計(jì)算給出端面齒法蘭叉在極限載荷工況下Misses應(yīng)力分布云圖，在滿足整車強(qiáng)度和疲勞壽命的前提下獲得最輕巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)方便與變速箱輸出法蘭和后橋輸入法蘭的安裝操作。為設(shè)計(jì)人員在傳動(dòng)軸系列零件及類似結(jié)構(gòu)件的開(kāi)發(fā)提供設(shè)計(jì)思路及分析方法。
利用PRO/E三維軟件建立端面齒法蘭叉實(shí)體模型，通過(guò)格式轉(zhuǎn)化導(dǎo)入Solidworks軟件中,采用Solidworks軟件中的Simulation有限元模塊進(jìn)行前處理、求解和后處理工作。軟件平臺(tái)采用Windows XP為操作系統(tǒng)。
在SolidWokrs Simulation的邊界條件中設(shè)定材料特性,根據(jù)工況設(shè)定扭矩輸入和約束部位,加載最大工作扭矩。基本分析參數(shù)包括整車參數(shù)及端面齒法蘭叉材料參數(shù)。
根據(jù)主機(jī)廠提供的工程自卸車整車參數(shù),計(jì)算得變速箱3.2端面齒法蘭叉有限元模型的建立輸出的動(dòng)力扭矩和車橋產(chǎn)生的反向附著力扭矩。同時(shí)考慮超端面齒法蘭叉的材料為45#鋼調(diào)質(zhì)(硬度230-280HB)，從材料手冊(cè)中查得其彈性模量E=210GPa，柏松比0.3。
在機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析前處理中,建立三維實(shí)體模型需要占用較多的工作量,對(duì)于端面齒法蘭叉之類的復(fù)雜零件，有限元軟件的建模功能無(wú)法滿足要求,故我們通過(guò)PRO/E軟件來(lái)建模。
為了便于進(jìn)行有限元分析時(shí)網(wǎng)格的劃分,在建模過(guò)程中我們忽略了部分細(xì)微結(jié)構(gòu)。Solidworks軟件導(dǎo)入轉(zhuǎn)化后的端面齒法蘭叉模型后，采用SOLID單元進(jìn)行劃分網(wǎng)格，該模型劃分為250246個(gè)單元，3620個(gè)節(jié)點(diǎn)。
根據(jù)汽車設(shè)計(jì)手冊(cè)，計(jì)算傳動(dòng)軸額定工作扭矩，同時(shí)考慮車輛超載的后備系數(shù)，作為有限元分析的加載載荷。從有限元分析的應(yīng)力分布云圖中，獲得結(jié)構(gòu)優(yōu)化的信息，削減多余材料降低重量，優(yōu)化應(yīng)力集中區(qū)域提高靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。
根據(jù)端面齒法蘭叉的工作狀態(tài)，假定端面齒法蘭叉的4個(gè)端齒部分固定不動(dòng)，故對(duì)端面齒法蘭叉的4個(gè)端齒部分平面施加六自由度的固定約束。另對(duì)端面齒法蘭叉兩耳孔各加載水平方向的軸承力，組成圍繞法蘭叉中心扭轉(zhuǎn)的扭矩，模型加載扭矩30049N.m。
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