E3等速驱动轴CAE报告.docx
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E3等速驱动轴CAE报告
E3等速驱动轴CAE报告
分析：
邓国兴
审核：
验收：
宁波珈多利机械有限公司技术中心
2012年07月18日
分析报告
一、模型
E3等速驱动轴总成如图
（1）所示，因模型的网格划分，将影响有限元模型的规模、速度和精度，以及计算的成败，整个等速驱动轴组件划分网格规模巨大，不易细分网格，影响计算的精度，故本次分析可以将等速驱动轴总成分解为移动端三球销式万向节总成、固定端球笼式万向节总成、中间轴三部分，另外分析阻尼圈。
图
（1）等速驱动轴模型
本次分析的目的：
1、静态扭矩加载800Nm，查看各零件的应力分布，分析零件是否满足性能要求；
2、加载±800Nm对称交变载荷，预估等速驱动轴疲劳寿命。
3、加载1g加速度，阻尼块的一阶频率符合100Hz。
二、静力分析
等速驱动轴其作用是将发动机的动力从变速器（差速器）传递到汽车的驱动轮，等速驱动轴仅承受转矩，等速驱动轴静力分析无需考虑惯性和阻尼的影响，故将等速驱动轴的防尘套、卡箍去除，零件不影响强度处的花键、尖角、圆角去除，模型简化为图
（2）（3）（4）所示。
等速驱动轴的传动零件是钢，失效模式主要是塑性变形和疲劳损伤，通过计算等速驱动轴承受转矩后各个零件的应力值来判断零件强度是否满足设计要求，在静力分析的基础上预估疲劳寿命。
图
（2）图（3）图（4）
1.零件材料属性
移动端万向节包含三柱槽壳、三销架、滚针、球环；
固定端万向节包含钟形壳、保持架、星形套、钢球。
零件对应材料属性
钟形壳三柱槽壳
星形套、保持架、三销架
滚针、球环
中间轴
材料牌号
55
20CrMnTi
GCr15
40Cr
密度
7850KG/m3
7850KG/m3
7900KG/m3
7850KG/m3
弹性模量
2.01x105Mp
2.07x105Mp
2.09x105Mp
2.07x105Mp
泊松比
0.3
0.29
0.29
0.28
拉伸强度极限
1200Mp
1100Mp
1800Mp
1700Mp
拉伸屈服强度
900Mp
800Mp
2200Mp
1400Mp
2.接触
接触零件
接触类型
接触零件
接触零件
钢球－钟形壳
bonded
滚针－三销架
NoSeparation
钢球－星形套
bonded
滚针－球环
NoSeparation
保持架－钟形壳
NoSeparation
球环－三柱槽壳
bonded
保持架－星形套
NoSeparation
滚针－滚针
NoSeparation
钢球－保持架
NoSeparation
阻尼铁芯－橡胶
刚性联接
图（5）钢球与钟形壳和星形套滚道的接触图（6）钢球和保持架、保持架与钟形壳和星形套球面接触
图（7）球环与三柱槽壳滚道的接触图（8）滚针与滚针的接触
3.网格信息
移动端万向节总成
中间轴
固定端万向节总成
网格类型
实体网格
网格类型
实体网格
网格类型
实体网格
品质
高
品质
高
品质
高
单元大小
1.5mm
单元大小
1.5mm
单元大小
1.5mm
单元数
269633
单元数
34438
单元数
183811
节点数
132173
节点数
80269
节点数
104811
图（9）固定端万向节总成模型网格划分图（10）固定端万向节总成模型网格划分
图（11）中间轴模型网格划分
4.载荷和约束
汽车动力从变速箱（差速器）输出，传递到等速驱动轴的移动端万向节，通过中间轴刚性联接传递到固定端万向节输出至车轮，从而驱动汽车行驶。
4.1移动端万向节总成加载800Nm扭矩在三柱槽壳杆部，三销架内花键圆柱面全自由度固定约束，边界条件设置见图（12）所示。
4.2固定端万向节总成加载800Nm扭矩在星形套花键圆柱面，钟形壳杆部花键圆柱面全自由度固定约束，边界条件设置见图（13）所示。
图（12）移动端万向节边界条件图（13）固定端万向节边界条件
4.3中间轴加载800Nm扭矩在一端花键圆柱面，另一端花键圆柱面全自由度固定约束，边界条件设置见图（14）所示。
图（14）中间轴边界条件
5.分析结果
5.1移动端万向节分析
从等效应力云图（图15）可以看出，滚针和球环，球环和球道的接触点等效应力约325Mp，小于材料的屈服强度。
图15移动端万向节等效应力云图
从最大剪应力云图（图16）可以看出，三柱槽壳杆部的最大剪应力约660Mp，小于其抗剪强度为0.6倍抗拉强度极限约720Mp。
图16移动端万向节最大剪应力云图
从应力角度分析，移动端万向节承受800Nm转矩，强度是满足要求的。
5.2固定端万向节分析
从等效应力云图（图15）可以看出，钢球和球道的接触点等效应力约423Mp，小于材料的屈服强度。
图17固定端万向节等效应力云图
从最大剪应力云图（图18）可以看出，钟形壳杆部的最大剪应力约600Mp，小于其抗剪强度为0.6倍抗拉强度极限约720Mp。
图18固定端万向节最大剪应力云图
从应力角度分析，移动端万向节承受800Nm转矩，强度是满足要求的。
5.3中间轴分析
中间轴只受转矩，不受弯矩，从最大剪应力分布云图可以看出，最大剪应力产生在固定端花键的根部，最大值达到792.96Mp，小于其抗剪强度0.6倍抗拉强度极限约1020Mp。
图19中间轴最大剪应力云图
中间轴在800Nm的转矩条件下，中间轴满足试用条件。
三、疲劳分析
在静力分析在基础上，加载±800Nm对称交变载荷，预估疲劳寿命。
图20移动端万向节寿命
图21固定端万向节寿命
图22中间轴节寿命
从寿命图20、21、22可以看出，零件的预估寿命均大于107次，±800Nm对称交变载荷下，零件满足寿命要求。
四、模态分析
阻尼块为了满足客户要求的振动频率，进行模态分析，通过分析结果验证阻尼块的结构是否满足要求。
1.模型
阻尼块由氯丁橡胶包覆铁芯两部分组成，模型见图（23）。
图（23）阻尼块模型
2.零件材料属性
模态分析和材料的密度、弹性模量、泊松比有关，橡胶是非线性材料，做为传动轴阻尼块试用，属于弹性材料小变形范畴，故本次分析橡胶材料试用Mooney-Rivlin2模型。
铁芯
参数
橡胶
参数
材料牌号
45
材料牌号
氯丁橡胶
密度
7850KG/m3
C01
0.22
弹性模量
2.01x105Mp
C10
0.85
泊松比
0.28
D01
0.55
3.网格
移动端万向节总成
网格类型
实体网格
四面体
9358
边
12621
面
19791
图（24）固定端万向节总成模型网格划分
4.载荷和约束
现实中，阻尼块先小过盈装配在中间轴上，再试用卡箍将其卡紧在中间轴上，模型中在阻尼块与中间轴和卡箍的接触面施加X方向旋转自由，其它方向平移和旋转固定约束。
阻尼块整体在X方向施加1g加速度载荷。
边界条件见图（25）。
图（25）移动端万向节边界条件
5.分析结果
5.1通过分析，得到阻尼块模型1－4阶的频率，其中一阶频率为96.69Hz,基本符合目标要求，实际加工制造时通过试验测量调试产品结构可以达到目标要求。
图（26）模型1-4阶频率
5.2从一阶频率下阻尼块的位移云图，可以看出Y方向即直径方向上，阻尼块的位移范围为±0.98mm，与传动轴装车运转时的位移状况接近，分析符合实际。
图（27）一阶频率时阻尼块Y向位移云图
五、结论
从前面的分析中，可以看出，E3传动轴按照预定的结构和材料条件是可以满足强度和寿命要求的，阻尼块结构符合频率的目标，可以进行实样的制作工作。
备注：
分析报告基于理想化模型，传动轴运转的实际工况受零件精度、润滑油脂、材料稳定性等因素影响，分析结果与实际有一定差距，请以试验结果为准。
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