三叉杆-球笼式万向联轴器组合传动轴系统的动力学仿真研究*

常德功，张海明，周 烨，李松梅，束 放

(青岛科技大学机电工程学院，山东青岛266061)

0 引言

随着汽车工业迅速发展，人们对汽车性能的要求也越来越高。汽车驱动桥半轴是汽车驱动系统的重要组成部分，起到传递动力和扭矩的作用［1］。现在普遍应用球笼式和三球销式万向联轴器以及中间传动轴作为汽车的驱动桥半轴。

万向联轴器作为驱动桥半轴的重要部件决定了汽车在行驶和转向中的性能，其重要性不言而喻［2-8］。三叉杆滑移式万向联轴器具有结构简单、承载能力强、传动平稳等优点［9-11］，能够有效地改善三球销式万向联轴器接触应力大、磨损大的缺点。因此本研究选用球笼式和三叉杆滑移式万向联轴器以及中间传动轴组成汽车的驱动桥半轴，本研究统称为三叉杆-球笼式万向联轴器组合传动轴系统。该传动轴系统能够适用于大扭矩、高载荷的场合，具有广阔的应用前景。

本研究首先应用Pro/E 对三叉杆-球笼式万向联轴器组合传动轴系统进行三维建模，然后在ADAMS中建立该传动轴系统的仿真模型，对该传动轴系统进行动力学仿真，全面考察该传动轴系统的受力情况。通过分析仿真数据，可以深入研究三叉杆-球笼式万向联轴器组合传动轴系统的动态特性，为汽车传动轴系统中万向联轴器的设计工作提供理论依据。

1 基于Pro/E 的实体建模

笔者研究的三叉杆-球笼式万向联轴器组合传动轴系统由一个三叉杆滑移式万向联轴器和一个球笼式万向联轴器以及它们之间的中间轴组成。三叉杆滑移式万向联轴器作为输入端，而球笼式万向联轴器则作为输出端。

本研究应用Pro/E 软件对传动轴系统进行建模和装配，其装配模型如图1所示。

图1 三叉杆-球笼式万向联轴器组合传动轴系统

2 基于ADAMS 的动力学仿真

2.1 添加约束和驱动

本研究根据实际运动规律对三叉杆-球笼式万向联轴器组合传动轴系统添加约束和驱动。

具体的约束如下:

(1)将三叉杆、中间轴和星形套固连为一个部件;

(2)在输入、输出轴承和Ground 之间添加固定约束;

(3)在三叉杆套筒和输入轴轴承之间、钟形壳和输出轴承之间添加旋转副;

(4)在滑移销(3 个)和三叉杆套筒滑移槽(3 个)之间添加移动副;

(5)在滑移销(3 个)和内轴承(3 个)之间添加球面副;

(6)在内轴承(3 个)和三叉杆叉杆臂(3 个)之间添加圆柱副;

(7)在星形套和保持架之间添加球面副，在保持架和钟形壳之间添加球面副;

(8)在星形套轨道(6 个)和钢球(6 个)之间添加接触约束;

(9)在钟形壳轨道(6 个)和钢球(6 个)之间添加接触约束。

通过检验模型可知，该模型中有18 个移动件。其中固定副2 个，旋转副2 个，移动副3 个，球面副5 个，圆柱副3 个，接触18 个。本次仿真在转速为300 r/min，负载扭矩为214.5 N·m 的状态下进行。

本研究通过设置一定的仿真步骤，对三叉杆-球笼式万向联轴器组合传动轴系统进行动力学仿真，其动力学仿真模型如图2所示。

图2 三叉杆-球笼式万向联轴器组合传动轴系统动力学仿真模型图

2.2 无摩擦时动力学仿真

无摩擦时关键部件的受力曲线图如图3所示。

由图3 可以看出，无摩擦时滑移销、叉杆臂的受力曲线相似，均有简谐曲线的趋势，均有轻微的波动和跳动。说明作用在滑移销、叉杆臂的力的波动比较平稳。钢球在轨道中的受力曲线呈现类似于周期为0.2 s 的简谐波动。钢球的受力曲线有较大的波动，这是由于钢球在轨道中既有滚动又有滑动，受力比较复杂，从而钢球的受力有一定的波动和突变。

由图3(a)、3(b)可以看出，滑移销受到的力稍小，约为2 375 N。叉杆臂受到的合力约为2 550 N，数值比滑移销的大些。

由图3(c)可以看出，钢球受到的力以2 000 N 为中心波动，峰值大约为3 800 N。说明作用在滑移销、叉杆臂的力的波动比作用在钢球的力的波动平稳。

2.3 有摩擦时动力学仿真

有摩擦时关键部件的受力曲线图如图4所示。

由图4 可以看出，有摩擦时滑移销、叉杆臂的受力曲线相似，均呈现周期为0.1 s 的规律性波动。其中，最大值和最小值处是一条水平线。相比无摩擦时的受力曲线，有摩擦时的受力曲线波动情况非常明显。钢球在轨道中的受力曲线呈现周期为0.2 s 的规律性波动。钢球的受力曲线波动情况最大，这是由于钢球既有滚动又有滑动，在轨道中还会有一定的碰撞，从而钢球受力曲线中的跳动和突变较大。

图3 无摩擦时关键部件的受力曲线图

图4 有摩擦时关键部件的受力曲线图

由图4(a)、4(b)可以看出，滑移销受到的力以2 300 N为中心波动，其峰值约2 600 N。叉杆臂受到的力比滑移销的稍大，以2 500 N 为中心波动，其峰值约为2 800 N。

由图4(c)可以看出，钢球受到的力以2 100 N 为中心波动，峰值约为4 000 N，说明有摩擦时作用在滑移销、叉杆臂的力的波动比作用在钢球的力的波动平稳。并且有摩擦时关键部件的受力曲线图更能反映三叉杆-球笼式万向联轴器组合传动轴系统的真实受力情况。

关键部件的摩擦力曲线图如图5所示。

图5 关键部件的摩擦力曲线图

由图5 可以看出，滑移销、叉杆臂、钢球受到的摩擦力曲线均呈现规律性波动。

由图5(a)、5(b)、5(c)可以看出，滑移销、叉杆臂、钢球受到的摩擦力呈现正负交替变化的规律性波动，这是因为滑移销在三叉杆套筒中的运动为周期性往复运动、内轴承在叉杆臂上的运动为周期性往复运动、钢球在轨道中的运动为周期性往复运动。滑移销的摩擦力曲线以零点为中心波动，周期为0.2 s。在一个行程中滑移销的摩擦力曲线非常平稳，数值基本稳定在250 N 左右。叉杆臂的摩擦力曲线以零点为中心波动，周期为0.1 s，其峰值约为260 N。同样的，钢球的摩擦力曲线以－50 N 为中心波动，周期为0.2 s，其峰值约为100 N。

由图5 可以发现，相比滑移销、叉杆臂，钢球的摩擦力曲线上的跳动较大，这是由于钢球既有滚动又有滑动，在轨道中还会有一定的碰撞，运动比较复杂，钢球受力曲线中的跳动和突变较大。

3 结束语

本研究通过ADAMS，建立了三叉杆-球笼式万向联轴器组合传动轴系统动力学仿真模型。根据仿真结果可以得到如下结论:

无论是在无摩擦条件还是在有摩擦条件下，传动轴系统中作用在叉杆臂的力比作用在滑移销的力大，作用在滑移销、叉杆臂的力的波动比作用在钢球的力的波动平稳，且在整个系统中钢球受力曲线的波动和突变最大。表明钢球属于易磨损部件，其次为叉杆臂，因此首先应该考虑增强钢球的强度，其次考虑增强叉杆臂的强度，以提高该传动轴系统的安全性。

相比无摩擦时的受力曲线，有摩擦时作用在各个部件上的受力曲线波动更大，更能反映三叉杆-球笼式万向联轴器组合传动轴系统的真实受力情况。

［1］陈家瑞.汽车构造［M］.3 版.北京:机械工业出版社，2009.

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