汽车前传动中间花键轴有限元分析

摘要：对汽车传动轴机械系统进行设计并利用ANSYS软件对设计好传动轴进行有限元静力分析和有限元模态分析，从而来解决传动轴在实际工作中会遇到的强度和振动问题，进而研发高性能的汽车，推动汽车产业的发展。从而可以使企业在最短的时间、以最低的成本开发出新产品。

关键词：有限元 花键轴

一、对前传动中间花键轴进行有限元分析的目的及意义

在机械工程设计计算中，对一些复杂的机械零部件，过去一般应用材料力学和弹性力学的方法（即实验法）来设计。实验法要求设计人员必须制造出不同的实验品，然后进行实验测试和评估，通过实验查找设计中的不足并不停改进，需要反反复复，周期不可控制，而且人为因素和实验随机性和误差等不可确定性影响因素很多，使实验的正确性和成功率难以得到保证，另外实验和模型的费用往往十分昂贵，另一方面，由于计算分析的粗略性，也可能出现某些薄弱环节或结构局部的强度或刚度不足。

传统的汽车传动轴设计方法就是通过反复的样品试制（物理成型）和试验来分析达到设计要求，结果造成大量的人力和物力投入在样品的试验和试制上。对汽车传动轴机械系统进行设计并利用ANSYS软件对设计好传动轴进行有限元静力分析和有限元模态分析，从而来解决传动轴在实际工作中会遇到的强度和振动问题，进而研发高性能的汽车，推动汽车产业的发展。从而可以使企业在最短的时间、以最低的成本开发出新产品。

二、前传动花键轴的有限元分析

（一）建立几何模型

由于前花键轴带有花键齿，形状比较复杂，不利于划分网格，故可将花键齿提出来单独分析，根据前花键轴的实际尺寸建立模型如下图A所示。由于花键是圆板形，外载平行于板面，因此可作为平面应力问题。在建立齿的模型时，只建三个齿即可。

（二）定义单元类型和属性

由于有限元模型中的任一单元都具有特定的属性，包括：单元类型，对于单元属性的制定必需在网格划分前进行，首先要确定好材料的属性，在结构有分析中必需输入材料的杨氏模量。

前花键轴的材料为40Cr，弹性模量为2.06e11；泊松比为0.28。

由于前花键轴主要受力矩的作用，应此要选有节点转动的实体单元，单元solid45有8个节点，3d单元，每个节点有6个自由度。可以较好的描述前花键轴的变形和受力情况。花键齿选择plane82单元，实常数设为12。

（三）网格划分

采用智能网格划分，花键轴取划分精度为6，花键齿取划分精度为3。划分网格后的模型如上图B所示。

（四）施加载荷并进行求解

前花键轴受力比较简单，主要是受到一个由前传动轴的轴套传递来一个扭矩。由传动轴的技术要求知，传动轴在4500N/m扭力下，不得发生永久变形，即前花键轴所受扭力为4500N/m。根据前花键轴的受力特点，与悬臂梁受力特点类似，所以可作为悬臂梁模型分析。即可将前花键轴的花键齿部分全约束，另一端施加扭矩，施加扭矩为2250N/m.前花键轴所受作用力F=2250/0.042=53571.43N，化分网格后，受力面的节点数为217个，故施加在每个节点上的力F1=53571.43/217=246.87N。在齿的接触处施加力F2=2250/0.035=64285.71N。

（五）后处理

后处理主要是为了求解的结果以直观的表现现出来，让我们可以直观的看出前花键轴受力和变形情况，以确定前花键轴的危险部位。前花键轴的应力云图如下图所示。

（六）结果分析

在应力云图和变形云图中，颜色越深表示该处的应力或变形量越大。由应力云图我们得出在前花键轴花键齿根的应力最大。由位移云图中我们得出，前花键轴受力处变形最大。

（七）强度校核

校核的条件为：σmax≤[σ]σmax是最大应力，而[σ]为考虑了材料安全系数和形状系数的许用应力，材料40Cr在截面尺寸≤100mm时其屈服极限σs=540 MPa，取安全系数ns=1.4，故许用应力为：[σ]=σs/ns540/1.4=385.71MPa，前花键轴最大应力σmax =361MPa故σmax

三、总结

随着社会的不断发展，人们的生活水平日益完善。每个人都会以车代步，那时人们对汽车的性能要求会更高。作为汽车动力传输非常重要的部件――汽车传动轴的性能要求必须达到才能满足汽车各方面的性能要求。所以传动轴的研究需要坚持不懈的进行下去。

参考文献：

[1]谭继锦.汽车有限元法[M].北京：人民交通出版社，2005.

[2]王望予.汽车设计（第4版）[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]黄华梁，彭文生.机械设计基础（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2001.