考虑关键运动副特点的等速万向节模态分析

陈源，汤国亚，周明刚，刘明勇，张苗

(湖北工业大学 农业机械工程研究设计院，武汉 430060)

随着国内汽车行业的迅猛发展，对轿车的振动、噪声、舒适性(NVH)等要求越来越高。传动系统作为轿车动力传动单元的同时，也是产生轿车振动噪声的重要来源之一[1-2]。等速万向节作为传动系统的关键零部件，其性能不仅影响轿车的操纵性和动力性，而且影响轿车的舒适性和平顺性[3]。为进一步改善等速万向节的振动噪声，需要对其进行一系列振动特性分析。

现考虑等速万向节的结构特点与工况，将复杂的接触关系、空间结构等效为运动副，应用有限元分析软件对等速万向节进行振动分析；同时考虑等速万向节等效运动副处理的可行性，为验证该分析结果的正确性，采用B&K振动测试系统进行试验模态分析。

1 建模

1.1 三维模型建立

以国内某自主品牌轿车用球笼式和三球销式等速万向节为例建立三维模型，其结构如图1所示。星形套与钟形壳间有球面和6组共轭沟道曲面，保持架内、外球面分别与钟形壳和星形套球面精确配合，6个钢球分别在6组共轭沟道曲面中配合，三叉销与圆柱槽壳配合，构成等速万向节。

1.2 两端运动副模型的建立

等速万向节结构复杂，接触对较多。若采用绑定线性处理[4-5]建立其有限元模型，虽计算简便，但与实际工况和结构特点不符，很难保证计算结果的正确性；若采用接触副处理建立其有限元模型，等速万向节接触副较多，计算结果不易收敛,准确性也难以保证。现采用运动副处理来建立等速万向节两端运动副模型，将其两端复杂结构等效为转动副。在等速万向节固定端的钟形壳球面与保持架外球面建立固定端转动副，在滑移端的三叉销与圆柱槽壳间建立滑移端转动副，如图2所示。因此需要分别获取两端转动的扭转刚度系数和阻尼系数。

2 扭转刚度测试

为了准确获得等速万向节固定端、滑移端的扭转刚度系数，将等速万向节一端的中间轴固定，在另一端钟形壳上施加力F，L为转动半径，如图3所示。在质构仪上进行静刚度测试，如图4所示。

图3 等速万向节测量原理图

图4 等速万向节刚度测试图

根据图4的测试方案，在质构仪测量系统中采集F和向下行程位移S的关系曲线和数据。其中固定端取L=130 mm、滑移端取L=100 mm，设定S=10 mm，在质构仪上分别对固定端和滑移端进行扭转刚度系数测试。由于S比L小，可得等速万向节测量时转动角度θ较小，即

θ≈tanθ=S/L。

(1)

由M=FL，将质构仪测量数据转化为力矩M与转角θ的关系，并采用最小二乘法处理为

(2)

(3)

测量数据处理如图5所示。固定端的b1=208.77，a1=-23.50；滑移端的b2=113.44，a2=-52.80。由M=Kθθ，其中Kθ=b,可得固定端扭转刚度系数Kθ1=208.77 N·mm/(°)，滑移端扭转刚度系数Kθ2=113.44 N·mm/(°)。

图5 试验数据与处理

3 有限元模态分析

在有限元分析软件ANSYS中导入等速万向节三维模型，设置获取的扭转刚度系数，忽略系统阻尼，对其进行自由模态分析。材料参数设置见表1，采用四面体网格，划分结果如图6所示。模态分析结果如图7所示，等速万向节的1阶模态频率为134 Hz，2阶模态频率为420 Hz。

表1 汽车等速万向节材料参数

图7 有限元模态分析

4 试验模态分析

采用B&K振动测试系统对等速万向节的试样进行自由模态分析，具体试验方案如图8所示。用橡胶软绳悬吊等速万向节，安装位移传感器，采用捶击法进行试验模态分析。通过B&K振动测试数据采集系统获取实物样件的频率特性，与考虑关键运动副特点的有限元模态分析结果比较，以验证等速万向节有限元仿真分析的正确性。

由图8可知，球笼式等速万向节的1阶频率为129 Hz，2阶频率为406 Hz。与有限元模态分析结果比较见表2，两者结果基本一致。

图8 试验模态分析

表2 有限元模态分析频率与试验模态分析频率比较

5 结论

1)结合等速万向节的结构特点和工况，将其两端等效为运动副，并通过试验测量其扭转刚度系数，建立其有限元模型。

2)基于有限元模型，采用试验模态法和有限元模态法对等速万向节前二阶模态进行分析，结果验证了对等速万向节进行运动副处理的适用性。

3)对等速万向节进行模态分析研究可为解决轿车传动中NVH提供一定基础。