大型货车传动轴总成的强度分析及改进

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大型货车传动轴是货车传动系统中的关键零部件，具有传递功率大，所受载荷高等特点，在传动过程中受到较大扭矩 ，产生较大变形和应力。国内外研究者对传动轴的振动特性，抗冲力能力，热处理等做了相关研究 ，对传动轴承载能力提出了-些理论依据，总结出相关结论。

但是在使用过程中，存在着轴承因摩擦生热导致十字轴与叉头烧坏失效，零部件在应力集中处断裂等情况。同时传动轴结构笨重，存在轻量化的可能。因此针对大型货车的传动轴总成强度进行分析计算，提出了具体改进方案。

2传动轴总成有限元模型2.1传动轴总成结构大型货车传动轴的结构主要由两端的万向节和中间的轴管组成 ，在 SolidWorks下设计的传动轴总成的结构 ，如图 1所示。

其中-端由凸缘叉 1、卡环 3、十字轴总成(包括十字轴 2、轴承4)、花键轴叉 5 戌 ；中间部分由护套管 6、花键套 7、轴管 8组成；另-端由万向节叉 9、十字轴总成 、凸缘叉组成；花键轴叉与花键套通过花键配合；轴管焊接在花键套和万向节叉上。各零部件的材料与强度极限，如表 1所示。

i - I9图 I传动轴总成Fig.1 Drive Shaft Assembly表 1各零部件的材料与强度极限Tab.1 The Material and Ultimate Strength of Each Part零部件 凸缘叉 十字轴 卡环 轴承 花M键Y-护套管花键套轴管 叟2.2传动轴使用工况由于货车在行驶过程中存在不同的车速，对传动轴产生不来稿日期：2012-06-28作者简介：杨震立，(1987-)，男，重庆人，在读研究生，主要研究方向：机械工程与 CAD/CAE方向的学习研究丁58 机械设计与制造No.4Apr.2013孔下部应力较小，存在优化的可能，如图4(a)中B所示；套在十字轴上的4个轴承受力部位是和叉头对应的配合部分以及与十字轴配合部分，如图4(b)中A所示。综上所述，改进的重点在于改善轴承的受力情况。

4结构优化及有限元重分析通过上面的分析可知，需要改善轴承受力情况，于是提出以下两种改进方案：(1)改变叉头结构 ，增加其与轴承的接触面积 ；(2)增加十字轴长度，释放轴承与叉头的应力集中，将应力集中到十字轴上，均衡应力常根据这两种改进方案，在不考虑装配的情况下，修改数学模型，调整其接触面积，使接触面积从 6O%(原接触面积)增加至100%(理想接触面积)，每隔 10%计算-次；然后将十字轴加长2 寸算-次。根据 匕述方案，在货车最高扭矩的工况下，得到不同接触面积下的万向节系统各零部件的综合应力，如表3所示。

表3不同接触面积时万向节系统各零部件最大等效应力Tab.3 The Maximum Equivalent Stress of Each Partof Diferent Contact of Universal Joint System由表 3的结果可以得出，随着接触面积的增加，叉头和轴承的最大综合应力呈二次关系减小，十字轴最大应力变化不大。而将十字轴加长时，叉头和轴承的应力分别减小 20%和 15%左右，而十字轴的应力增大 20% 左右。

接触应力也是评价的重要指标，现将轴承和叉头的最大接触应力关系归纳，如图5所示。

轴承和叉头的接触应力宝图5接触面积与轴承、叉头最大接触应力的关系Fig.5 The Maximum Contact Stress Relationship BetweenContact Area and Bearing.F0rk由图5可知轴承和叉头的接触应力也随接触面积增大而减小，扔触应力相对减小最多的情况 ，即接触面积达到 80%左右为最合适。

根据分析可知，增加十字轴长度效果较好，但需要改动所有零部件，会大大增加成本，而且十字轴安全系数将至非常低，故采用增加接触面积的方案。经综合分析，提出了如下的具体改进方案：加厚3个叉头的耳孑L，使其与轴承的接触面积由以前的60%左右增加至 75%左右，改进后万向节叉的结构，如图6所示。如图6中 A部分所示；同时减彬挖去 3个叉头下部以及侧部受力较小区域，如图6中B部分所示；增加花键轴叉和十字轴的倒圆角。

花键轴叉和凸缘叉的改进方式与万向节叉的改进方式类似。

图6改进后万向节叉Fig.6 The Improved Universal Joint Fork为了查看改进结果，对优化后的传动轴总成进行有限元重分析，模拟低速档时的工况，得到传动轴总成中的各个零部件的计算结果，如表4所示。

表 4改进后各零部件的应力及位移值Tab.4 The Stress and Displacement Value ofEach Parts After Improvement零部件 凸缘叉 万向节叉 花键轴叉 十字轴 轴承 卡环 花键套 轴管甓203-7 1830 32l-7 2l2.8 l754 l989 209.11l39位 0.806 0.718 0.993 0.845 0.684 0.774 0.769 0.558由表 4可以得出，轴承和万向节叉达到预期 目标，最大应力减小 6%；花键轴叉轴最大应力减小 44%，安全系数达到 2.44；十字轴最大应力减小 25%，安全系数达到 1.68；它们的最大位移也相对减校根据国家标准 q要求传动轴静强度的安全系数在 1.5以上，所有零部件均达到要求，说明优化是成功的。另外凸缘叉和花键轴叉与轴承配合部分最大应力也减小，说明改进方案可行。

传动轴总成的零部件应力集中情况得到改善，应力场范围减小，分布趋向均匀，变形情况减校改进后传动轴总成的重量比原重量减轻 1.2kg左右，有效减少材料的使用，降低成本。

5结束语(1)对传动轴总成进行有限元计算，得到各零部件的应力和变形情况。对其万向节系统做了研究，得到了接触面积对轴承影响的规律，得出在不干涉的情况下以接触面积达到80%以上为最合适的结论。(2)综合各个因素，对传动轴的各零部件进行了结构改进，减少了原产品的应力集中，同时减少了非应力集中区域的材料，使各零部件结构更加合理♂构改进后传动轴在减轻重量的同时提高了性能，具有重要的参考价值。