混凝土搅拌运输车传动轴强度与疲劳寿命分析

张克鹏

陕西重型汽车有限公司 陕西西安 710200

1 前言

混凝土搅拌运输车底盘传动轴的主要作用是将变速器的运动和动力传递到驱动桥。文章以某混凝土搅拌运输车底盘传动轴总成为研究对象，首先在三维设计软件CATIA中建立了传动轴总成的三维模型，然后在HyperMesh中建立有限元网格模型，对各个装配部件采用正确的接触关系，并施加合理的位移约束和载荷边界条件，最后利用大型非线性有限元软件ABAQUS分析平台，计算传动轴总成在极限工况下各个部件的静强度，通过分析得到总成的薄弱部位，然后利用静强度结果，在疲劳分析软件FEMFAT中进行传动轴总成的疲劳寿命分析，找出在传动轴工作过程中，疲劳破坏容易发生的部位。同时通过试验，验证仿真分析的准确性，为传动轴总成结构优化提供理论依据。

2 分析模型的建立

2.1 传动轴部件材料属性

根据传动轴设计部门提供的材料，参考《汽车设计手册》并通过查询《机械设计手册》得到传动轴总成各个部件的材料属性，如表1所示[1]。

表1 传动轴总成各部件材料属性

2.2 传动轴强度定义

传动轴强度按发动机、变速器匹配，在实际选配过程中，由计算扭矩T选择相应强度等级的传动轴：

式中，T为传动轴计算扭矩，Nm；Temax为发动机的最大输出扭矩，Nm；ig1，ip1为变速器和分动器一档速比；t为安全系数，取t=1.5；Ms为传动轴屈服扭矩，Nm。

该传动轴总成屈服扭矩≥47 000 Nm ，轴管直径为120 mm，十字轴轴径为68 mm。

2.3 有限元模型的建立

本文对传动轴总成的主传动轴管、凸缘叉、万向节滑动叉、滑动叉套管、万向节十字轴、十字轴套筒等进行三维建模。在保证计算精度的前提下，综合考虑网格数量，进行网格密度的合理调整，消除不良单元，做好各个部件之间的接触参数设定，使计算容易收敛。文中采用四面体单元进行网格划分，局部进行加密处理，整个模型节点数量为222 891，实体单元数量为792 545，如图1所示。

3 边界条件

3.1 接触边界条件

由于研究对象为传动轴总成，各个部件之间须通过设置正确的接触来满足分析研究要求。当两个物体彼此接触时，垂直于接触面的力作用在两个物体上。如果在接触面之间存在摩擦，可能产生剪力以阻止物体的切向运动（滑动）。从力学分析角度看，接触是边界条件高度非线性的复杂问题，它允许力从模型的一部分传递到另一部分。因为只有当两个表面发生接触时才会有约束产生，而当两个接触的面分离时，就不存在约束作用了，所以这种约束是不连续的。在ABAQUS中，有ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit两种接触模拟，ABAQUS/Standard的接触模拟是基于表面或者基于接触单元的；ABAQUS/ Explicit的接触模拟可以利用通用（“自动”）接触算法或者接触对算法。通常定义一个接触模拟只需简单指定所采用的接触算法和将会发生接触作用的部件即可。由于ABAQUS/Standard在粘结和滑移两种状态之间的不连续可能导致收敛问题，而且该传动轴总成所有部件都是体网格，体与体之间可以自动建立接触，所以采用ABAQUS/Explicit接触模拟，只要指定每一对接触的两个部件，利用接触对算法让它们之间进行自动接触，即可解决分析过程中的收敛问题[2]。

在定义接触的过程中，基于接触对算法，设定摩擦因数为0.2，并假定接触面之间处于小滑移状态，计算很快得到收敛。整个传动轴总成中包含以下几个接触关系：a. 滑动叉套管与万向节滑动叉花键间的接触；b. 万向节滑动叉与十字轴套筒之间的接触；c. 十字轴套筒与万向节十字轴之间的接触；d. 凸缘叉与十字轴套筒之间的接触。

3.2 约束及载荷边界条件

传动轴总成在工作过程中，一端由凸缘叉连接变速器，一端由凸缘叉连接驱动桥，传动轴将变速器动力传递到驱动桥以实现汽车的驱动行驶。由于驱动桥端是被动端，所以对驱动桥端的凸缘叉4个安装孔进行6个自由度的全约束[3]。

载荷边界条件此处主要是来自变速器的扭矩，施加屈服扭矩载荷为47 000 Nm，载荷位于变速器端凸缘叉4个安装孔的中心处，如图2所示。

4 静强度计算结果及分析

4.1 位移及扭转角度

传动轴总成在极限载荷工况下最大综合位移为3.306 mm，如图3所示。传动轴受到变速器施加的扭矩，扭转角度为2.46º。

4.2 应力

由于该混凝土搅拌运输车底盘传动轴总成在工作过程中，发生破坏频率比较高的部件主要为变速器端的凸缘叉和万向节十字轴部分，所以将主要对这两个部件进行分析。

4.2.1 凸缘叉

应力大小采用等效von-mise考核，凸缘叉在给最大扭矩工况下最大应力为535.5 MPa，如图4所示。最大应力发生在凸缘叉与变速器连接的安装孔位置附近，这与破坏性试验（施加扭矩直至传动轴发生破坏）中破坏位置一致，如图5所示。由于传动轴受绕X方向的扭矩，凸缘叉是直接接受变速器动力的部件，而凸缘叉的4个安装孔与变速器固定连接，所以在传动轴工作过程中，凸缘叉安装孔周围应力较大。

4.2.2 万向节十字轴

万向节十字轴在最大扭矩工况下最大应力为581.2 MPa，如图6所示。最大应力处为十字轴伸出端根部，由于传动轴在扭转过程中，凸缘叉将变速器动力传递到十字轴，十字轴又将动力传递给万向节滑动叉，因此十字轴在整个传动轴总成中又起到接受动力并传递动力的作用，所处工况相当恶劣，而且计算所得的应力最大处与十字轴破坏性试验过程中的实际破坏位置相当吻合，试验破坏位置如图7所示。

通过以上两个部件计算结果与实际情况的对比，可以证明有限元计算的准确性。

5 疲劳寿命计算结果及分析

在疲劳分析中，有限元技术已经成为一种不可缺少的分析工具，根据有限元分析的静强度结果进行进一步的疲劳寿命分析已经在一些重要的工业领域得到应用[4]。

5.1 载荷信息

本文采用疲劳寿命分析软件FEMFAT对该混凝土搅拌运输车传动轴总成进行疲劳寿命分析。根据中华人民共和国汽车行业标准汽车转向传动轴总成性能要求及试验方法（QC/T 649-2000），该混凝土搅拌运输车底盘传动在轴疲劳寿命试验过程中，施加简单正弦循环扭矩载荷，最大扭矩载荷为22 000 Nm，最小为其最大载荷的30%，即6 600 Nm，如图8所示。

在计算过程中，由于最大载荷22 000 N·m时，静强度最大应力没有超过材料的屈服强度，因此其疲劳寿命属于高周疲劳，使用S-N曲线即名义应力法进行全寿命分析。这是最早形成的抗疲劳设计方法，它以材料或部件的S-N曲线为基础，对照结构疲劳危险部位的应力集中系数和名义应力，结合疲劳损伤累计理论进行疲劳寿命分析。

5.2 疲劳寿命分析结果

将ABAQUS中计算的静强度应力分析结果导入FEMFAT中，各个部件选择对应的材料，选择统计学影响因素，疲劳计算结果如图9所示。

由图9可以看出，传动轴总成疲劳寿命最小的地方主要有万向节滑动叉颈部、主传动轴管端部、凸缘叉螺栓孔附近，这与传动轴总成实际使用情况中的破坏位置也十分吻合，如图10所示，这些都说明传动轴疲劳寿命分析趋势的正确性。

6 结论

a. 采用合理的接触和约束条件，使计算容易收敛，有限元模型更加准确。

b. 经过有限元分析，发现混凝土搅拌运输车底盘传动轴总成变速器端的凸缘叉和万向节十字轴在最大扭矩工况下，其最大应力位置与破坏性试验过程的破坏位置极度吻合，证明有限元分析的准确性。

c. 通过对该混凝土搅拌运输车底盘传动轴总成进行疲劳寿命分析，得到传动轴总成表明的疲劳寿命结果云图，并且验证了传动轴的最小寿命位置和实际使用过程中的损坏位置极度吻合，说明了疲劳寿命分析在趋势上能反映部件的疲劳寿命薄弱位置。

d. 传动轴的强度与疲劳寿命分析较真实地反映了传动轴的实际工作情况，可为以后的改进设计提供计算依据。

[1] 成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社,2008.

[2] 庄茁,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社,2004.

[3] 钟佩思,王景林,刘梅等.基于有限元的传动轴受扭分析[J].机械传动,2008(5):88-90.

[4] 姚卫星.结构疲劳寿命分析[M].北京:国防工业出版社版社,2003.