圖1  優(yōu)化前十字軸的應(yīng)力分布

萬(wàn)向節(jié)的主要作用是在不同軸線上的軸之間傳遞轉(zhuǎn)矩，它被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)卡車(chē)的傳動(dòng)軸、聯(lián)接軸節(jié)叉之間。通過(guò)對(duì)卡車(chē)用JN150萬(wàn)向節(jié)十字軸進(jìn)行有限元分析，觀察其應(yīng)力分析狀態(tài)，對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使整個(gè)零件基本達(dá)到等強(qiáng)度，從而在減輕零件重量，降低原材料消耗的同時(shí)提高產(chǎn)品承載能力。

對(duì)萬(wàn)向節(jié)十字軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)一直是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，由于沒(méi)有有效的手段加以綜合分析，導(dǎo)致產(chǎn)品各部位強(qiáng)度不均勻，有些部位應(yīng)力集中、有些部位毛坯過(guò)于寬厚，存在著大量的材料浪費(fèi)，也不利于提高產(chǎn)品承載能力。為此，我們運(yùn)用三維造型和有限元分析技術(shù)對(duì)JN150萬(wàn)向節(jié)十字軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到減重降本的目的。

對(duì)優(yōu)化前的十字軸進(jìn)行應(yīng)力分析

1.建立三維模型

運(yùn)用Pro/E大型三維建模軟件制作優(yōu)化前的十字軸三維模型，由于許多小的倒角、圓角對(duì)十字軸強(qiáng)度影響較大，因此它們?cè)谀Ｐ徒r(shí)不能被簡(jiǎn)化掉。模型計(jì)算重量為2.15kg。

2.應(yīng)力分析

運(yùn)用ANSYS大型有限元分析軟件對(duì)模型進(jìn)行應(yīng)力分析。具體分析條件：施加彎曲載荷，額定靜載荷為5246.4N.m，材料許用應(yīng)力為450MPa。

圖1 所示為應(yīng)力分布圖，從圖中可以看到，最大應(yīng)力發(fā)生在軸頸R處，最大應(yīng)力值為434MPa，接近許用應(yīng)力450MPa，如算上2.5倍的安全系數(shù)，該軸所能承受的最大靜載荷為450/434×5246.4×2.5＝13600N.m。

從圖1所示的應(yīng)力分布情況可以看出，整個(gè)十字軸的應(yīng)力分布不均勻，在中間毛坯部分出現(xiàn)大塊的藍(lán)色區(qū)域，此區(qū)域的應(yīng)力相對(duì)最大應(yīng)力值非常小，材料過(guò)剩，可以減小毛坯尺寸，達(dá)到減重的目的。

制訂優(yōu)化方案

根據(jù)十字軸的應(yīng)力分析情況，制訂出改進(jìn)方案：十字軸軸頸根部圓弧從R2加大至R4；軸頸直徑從24mm加大至26.7mm；中間毛坯厚度從36mm減少至28mm；毛坯外圓直徑從104mm減少至96mm。

對(duì)優(yōu)化后十字軸進(jìn)行應(yīng)力分析

1.建立三維模型

運(yùn)用Pro/E大型三維建模軟件制作優(yōu)化后的十字軸三維模型，模型如圖2所示，計(jì)算重量為1.79kg。

圖2  優(yōu)化后的十字軸模型

2.應(yīng)力分析

運(yùn)用相同條件對(duì)優(yōu)化后的十字軸進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖中可以看到最大應(yīng)力仍在軸頸R處，但最大應(yīng)力值降低到297.1MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力值450MPa，相比優(yōu)化前十字軸模型的最大應(yīng)力值減小了136.9 MPa，加上2.5倍的安全系數(shù)，優(yōu)化后十字軸所能承受的最大靜載荷為450/297.1×5246.4×2.5＝19866N.m。

圖3  優(yōu)化后十字軸的應(yīng)力分布圖

根據(jù)以上分析結(jié)果，優(yōu)化后的十字軸模型相對(duì)于優(yōu)化前的十字軸模型的承載能力提高了6266N.m，提高比例為（19866－13600）÷13600×100%＝46％。材料減少了0.36kg，減重比例為（2.15－1.79）÷2.15×100%＝17％。

驗(yàn)證

按照優(yōu)化后的十字軸試制樣品20件，20件樣品平均重量為1.78kg；優(yōu)化前樣品實(shí)際平均重量為2.14 kg，實(shí)際減重比例為20％，達(dá)到了預(yù)期的減重效果。

對(duì)優(yōu)化后的十字軸的承載能力用臺(tái)架性能試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，取優(yōu)化前、后十字軸各2件進(jìn)行靜扭試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為：2件優(yōu)化前十字軸靜扭強(qiáng)度分別為16608 N.m、15702 N.m，2件優(yōu)化后的十字軸靜扭強(qiáng)度分別為19158N.m、19172N.m，與有限元分析的結(jié)果基本符合，實(shí)際提高承載能力比例為18％。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)JN150萬(wàn)向節(jié)十字軸運(yùn)用三維造型和有限元分析技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)、驗(yàn)證，使每件零件重量平均減輕了0.36kg，并使十字軸承載能力提高了18％，同時(shí)達(dá)到了減重降耗和提高性能的預(yù)期目標(biāo)。

應(yīng)用有限元分析優(yōu)化設(shè)計(jì)減輕零件重量和提高性能是非常有效的，特別是在全球資源越來(lái)越緊缺的環(huán)境下，值得我們推廣應(yīng)用到更廣闊的領(lǐng)域中去。

（轉(zhuǎn)載）