三轮摩托车半轴静扭强度分析及结构优化

刘焕领　景亚兵　马　娜　白　伟（天津大学内燃机研究所　天津　300072）



三轮摩托车半轴静扭强度分析及结构优化

刘焕领景亚兵马娜白伟
（天津大学内燃机研究所天津300072）

摘要：针对三轮摩托车全浮式半轴法兰和轴结合处的断裂问题，进行了静扭强度分析，分析发现该结合处的应力较其他位置的应力大。为解决这个问题，对该结合处的结构利用结构优化方法提出优化方案。

关键词：全浮式半轴静强度结构优化

引言

三轮摩托车是农业生产和运输的主要工具，半轴是其传递动力的关键零部件，在使用过程中半轴发生断裂，不仅危害用户的人身安全，严重影响用户的经济效益，同时也对生产厂家的声誉产生了恶劣的影响。受某三轮摩托车公司委托，对其生产的某型号三轮摩托车发生的半轴断裂破坏现象进行仿真分析，并利用结构优化的方法分析半轴结构，提出解决方案。

1问题描述

半轴是在差速器与驱动轮之间传递动力的实心轴，是传动系中传递扭矩的一个重要零件。从差速器传来的扭矩经过半轴、轮毂等，最终传递给车轮。半轴分为半浮式、全浮式和3/4浮式三种，所谓“浮”是指卸除半轴的弯曲载荷而言，其中半浮式和全浮式两种型式应用得较为广泛。半浮式半轴除传递扭矩外，还要承受垂直力、侧向力及纵向力所作用的弯矩；全浮式半轴只传递扭矩，其它的力和力矩由桥壳来承受。本文分析的半轴属于全浮半轴形式，实物如图1所示。大多数半轴生产厂进行半轴法兰锻造时，大都采用卧式摆辗工艺。半轴卧式摆辗工艺的特点：比校平锻机操作简便，能耗低，易维修。

图1　全浮半轴实物图

该三轮摩托车半轴在法兰和轴的连接处发生横向断裂，据调查，该断裂现象在半轴损坏的各种形式中占比很大。图2为半轴断口的形式，初步分析判断是该处应力集中，超过材料的许用应力而产生裂纹，随着裂纹的不断扩展，最后发生断裂。接下来通过有限元静扭强度分析，计算该处的应力水平。

图2　半轴断口的形式

2静扭强度分析

2.1有限元模型建模

利用HyperMesh对CAD三维几何模型进行有限元模型的建立。整体采用六面体单元进行网格划分，以提高计算精度。法兰盘的螺栓孔用REB2单元进行连接。有限元模型如图3所示。

图3　半轴有限元模型

2.2材料属性

计算中所使用的材料参数如表1所示，取安全系数为2，计算得到许用扭转应力为392.5MPa。

表1　材料参数

2.3边界条件

约束法兰盘螺栓孔中心节点的6个自由度（见图4）；

图4　约束边界

在半轴另一端花键部位模拟实际中的花键配合，在内、外花键之间设置面接触（见图5），在外花键端部施加扭矩。

图5　内外花键间的面接触

全浮式半轴只承受扭矩的作用，关于半轴所承受最大扭矩值，应是发动机的最大输出扭矩与轮胎路面附着力所产生扭矩值两个之中小者，其计算转矩可由T = X·r求得，其中X的计算，可根据以下两种方法计算，并取两者中的较小者[1]。

若按最大附着力计算，即式中：G2为满载静止摩托车的驱动桥对水平地面的载荷，N；φ为轮胎与地面的附着系数，可取0.8；m′为车辆加速或减速时的质量转移系数，可取1.2～1.4。

若按发动机最大扭矩计算，即

式中：ξ为差速器的转矩分配系数，对于普通圆锥行星齿轮差速器取0.6；Temax为发动机最大扭矩，N·m；ηT为车辆传动效率，计算时可取1或取0.9；iTL为传动系最低挡传动比；r为轮胎的滚动半径，m。

各参数的取值如表2和表3所示。

表2　按最大附着力计算扭矩各参数及计算结果

表3　按发动机最大扭矩计算扭矩各参数及计算结果

根据以上公式和参数计算得到两种情况下半轴所受到的扭矩，取两者中的较小的值，得到半轴所受扭矩为729N·m，将该扭矩施加到外花键端部，如图6所示。

图6　施加扭矩载荷

2.4静扭强度分析结果

经计算得到如图7所示的静扭强度VonMises应力分布结果图，从应力云图上可以看到应力最大点出现在半轴法兰盘和轴连接处，与实物图（见图2）的断裂位置一致；最大值为399.6 MPa，与许用扭转应力392.5 MPa非常接近，因此需要降低该连接处的最大应力值。通过改变过渡圆角半径来降低应力，是比较常用的方法，但是原始结构中该处过渡圆角半径为R5，已经比较大，笔者将该半径增大为R8，计算得到该连接处的最大应力值为388 MPa，仍存在安全隐患。

图7　 VonMises应力分布图

因此下文将采用结构优化的方法来优化该部位的几何结构。

3优化分析

优化分析模型一般是由目标函数、约束条件、优化设计变量三个方面组成，借助HyperWorks里的OptiStruct模块可以很方便地实现对半轴的优化设计。

3.1形状优化概述

形状优化技术通过将网格节点移动或者变形到某个新的位置，相当于改变零部件的CAD设计，从而提高零部件的性能，如提高刚度、模态，减低应力集中等[2]。形状优化具有一类特殊的变量———形状变量，形状变量是结构有限元模型中被选择的一组节点，这组节点具有规定的运动方向和运动规律，形状优化通过这组节点的运动来达到改变结构形状的目的。使用形状优化方法时应该注意以下两点问题：

1）保持原有的结构形状特征。必须对节点运动进行正确和完整的定义，以使在形状优化中结构形状修改后仍保持原有的形状特征。

2）保证较高的单元质量。形状优化中节点的移动将引起相关单元的形状发生变化。如果节点移动量太大，单元就难以保持原有的质量而出现畸形单元，从而造成有限元计算无法进行而终止迭代。为减少因节点移动而造成的单元变形，可选择适当的内部节点一起运动，以使结构形状改变由更多的单元变形来分担，从而避免部分单元变形太大[3]。

3.2形状优化分析

在Optistruct中应力较大区域表面上的节点定义为设计变量，如图8所示；将模型整体应力最小化定义为目标函数，进行自由形状优化。

经过形状优化，最终得到了较为理想的设计方案。如图9所示，图中浅蓝色网格为原始结构，深蓝色网格是优化后的结构。将原始方案与优化设计方案相比较，可以清楚地看到优化后的最大应力为347Mpa，优化方案的应力水平降低了13.3%，见表4，半轴法兰与轴连接处的结构更加优化。

可以看到，优化后法兰和轴的连接是通过一过渡曲面完成的，在实际加工中可通过Optistuct得到优化后的三维模型，导入到三维制图软件中生成适用于数控加工模型，在数控加工中心加工得到该过渡曲面。

图8　形状优化设计区域

图9　优化后的形状和应力结果

表4　优化前后应力水平对比

4　结论

通过形状优化，最终得到了较为理想的设计方案，优化方案的应力水平降低了13.3%。通过该分析实例，说明形状优化设计具有实际工程运用意义，当然这还需要后续的试验进行验证。同时此次分析只是针对三轮摩托车在静力工况下对半轴进行了优化设计，在实际工程运用中，还需综合考虑其它载荷工况来进行更全面的验证和优化，这也是优化设计的关键点。此外，在实际生产过程中还需要考虑加工工艺对半轴静扭强度的影响，使得最终的优化设计方案具有更好的效果。

参考文献

1刘惟信.汽车车桥设计[M].北京：清华大学出版社，2004

2洪清泉，赵康，张攀. Optistruct&HyperStudy理论基础与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2012

3曾祥贵. N485柴油发动机连杆曲轴结构强度分析与优化设计[D].重庆：重庆大学，2001

Static Tensional Strength Analysis and Structure
Optimization of Motor Tricycle Axle Shaft

Liu Huanling，Jing Yabing，Ma Na，Bai Wei
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute，Tianjin University（Tianjin，300072，China）

Abstract：The full-floating axle shaft of motor tricycle fractured at the junction of the flange and the shaft. The fracture reason was studied by static tensional strength analysis，and the result showed that the stress value of the junction is larger than other location. To solve this problem, the structure optimization was used to optimize the structure of the junction.

Keywords：Full-floating axle shaft，Static strength，Structure optimization

收稿日期：（2015-02-02）

文章编号：2095-8234（2015）03-0060-04

文献标识码：A

中图分类号：U463.218+.6

作者简介：刘焕领（1982-），女，工程师，主要研究方向为摩托车振动与噪声。