等速万向节防尘罩失效分析与结构优化

石伯妹，沈伟江，邱宝象，郭增均

(万向钱潮股份有限公司，浙江 杭州 311215)

等速万向节防尘罩失效分析与结构优化

Failure analysis and structure optimization of constant velocity universal joint dust cove

石伯妹，沈伟江，邱宝象，郭增均

(万向钱潮股份有限公司，浙江 杭州 311215)

某等速万向节在使用过程中发生了防尘罩破损漏油。通过Abaqus和试验模拟的方法对防尘罩进行了失效分析，查找了失效原因。分析发现在装车过程中，等速万向节摆动到极限位置的时候，防尘罩波谷受到壳体和轴杆的挤压，从而导致破损。根据失效情况，对防尘罩进行了结构优化，并对优化后结构进行了有限元模拟和试验验证，试验结果显示，优化后结构可避免防尘罩因挤压而导致破损。

等速万向节；防尘罩；失效分析；结构优化

等速万向节防尘罩与壳体和中间轴杆相配合，如图1所示，存储润滑脂并防止杂物如泥沙、水等进入万向节腔内。我公司某等速万向节在使用过程中发生了漏油现象，检查发现防尘罩出现了破损，如图2所示。针对这一问题，本文通过有限元方法对防尘罩在各种工况的变形情况进行了分析，分析发现在极限工况时，防尘罩与等速万向节壳体和轴杆发生了干涉。用实物模拟时，再现了同样的问题。据此对防尘罩进行了优化，并对优化后结构进行了模拟分析。防尘罩受力变形过程比较复杂，具有几何非线性和材料非线性的双重非线性特性，传统的理论分析方法和试验方法很难及时有效地对其使用过程中的变形和应力状态进行模拟与分析[1]。有限元与计算机仿真技术的结合，可以快速有效的对防尘罩进行各种工况下的仿真分析[2～3]。

1 防尘罩材料

该等速万向节防尘罩采用氯丁橡胶，是一种非线性材料。本文分析时采用MooneyRivilin模型，该模型是目前最常用的橡胶类材料模型[2]：

式中：C1、 C2为Mooney-Rivilin模型参数，通过试验确定。通过对材料进行单轴向拉伸和压缩试验，得到材料应力—应变数据，将材料试验数据导入材料模型，泊松比取0.49，通过数据拟合确定材料模型的两个参数C1和 C2。

图1 防尘罩结构

图2 防尘罩破损

2 防尘罩有限元模型

根据防尘罩结构与载荷的对称性，取一半结构进行建模与分析。有限元模型如图3所示。防尘罩小端部位与轴杆约束，大端部位与壳体约束。在等速万向节摆动角度较大时，防尘罩波谷与波谷、波峰与波峰之间会发生接触，另外防尘罩与轴杆、壳体之间也会发生接触，在可能发生接触的部位施加接触对。为使模型能在节点不是非常庞大的情况下,比较精确地模拟实际情况,在接触区域和结构关键部位将网格划分细一些，以保证计算精度。根据工况，壳体部位施加轴向位移约束，在等速万向节旋转中心施加角度约束。

图3 有限元模型

3 防尘罩失效分析

通过Abaqus模拟了防尘罩在各种工况时的应力、应变和干涉情况。分析发现，当等速万向节摆动到一定角度、轴向产生一定位移时（极限工况），防尘罩波谷3会受到轴杆和壳体的挤压。挤压部位最大主应变约0.35，接触应力约0.8 MPa。另外实物模拟了等速万向节在极限工况时的情况：防尘罩波谷受到壳体和轴杆的挤压，再现了防尘罩破损的现象。如表中图片所示。有限元分析结果、实物模拟结果与实际失效情况一致。根据分析结果，了解到：在装车过程中，半轴变速箱一端的等速万向节已插入，在装配轮毂一端时需要摆动较大的角度，才能将半轴另一端（轮毂端）等速万向节插入轮毂中，装配过程中，变速箱端等速万向节被压缩，同时摆动角度过大，从而导致防尘罩波谷被挤压在壳体与轴杆之间，造成防尘罩穿孔破裂。

表1 防尘罩优化前后对比

4 结构优化前后对比

根据防尘罩失效部位、失效原因，对防尘罩进行了优化，修改了防尘罩波谷3的尺寸，并根据实际情况相应适当调整了防尘罩其他部位的尺寸。对优化后防尘罩进行了有限元分析，分析结果显示，在极限情况，防尘罩波谷3避开了壳体和轴杆的挤压。且防尘罩最大主应变下降到0.21，下降了39.1%；接触应力下降到0.49 MPa，下降了39.5%。对优化后防尘罩进行了试验验证，验证结果显示，优化后结构可避免防尘罩挤压破损。如表1中图片所示。

5 结束语：

本文利用有限元分析了防尘罩破损原因及对应工况，并对结构进行了改进及优化分析，使优化后结构避免破损。同时通过对仿真结果与实验结果的比较，验证了防尘罩非线性有限元分析方法的准确性。

[1] 杨晓翔. 非线性橡胶材料的有限单元法. 北京: 石油工业出版社, 1999:70～87.

[2] 李晓芳,杨晓翔. 橡胶材料的超弹性本构模型. 弹性体, 2005;15(1):50～58.

[3] 石伯妹,资小林,郭增均. 等速万向节防尘罩非线性有限元分析与试验验证. 绵阳:中国计算力学大会2010暨第8届南方计算力学学术会议, 2010.

(R-03)

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燕丰 供稿

TQ320.5

1009-797X(2016)24-0087-03

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10.13520/j.cnki.rpte.2016.24.026

石伯妹（1982-），女，中级工程师，研究方向为汽车底盘零部件。

2016-11-18