装载机用万向传动轴有限元分析及结构改进

吴光荣

摘  要：文章通过对装载机用万向传动轴有限元建模进行刚度、强度以及动力学多种方向的分析，由此发现了万向传动轴产生强度不足的动因，并对其结构的改进方向进行了相应的分析。

关键词：装载机;万向传动轴;有限元分析

中图分类号：U463 文献标志码：A       文章编号：2095-2945（2019）15-0110-02

Abstract： In this paper， the stiffness， strength and dynamics of the loader are analyzed by finite element modeling of the universal transmission shaft， and the cause of the insufficient strength of the universal transmission shaft is found. The improvement direction of its structure is analyzed accordingly.

Keywords： loader; universal drive shaft; finite element analysis

万向传动轴是车辆机械工程领域中一个十分重要的部件。它能够通过自身的转化将驱动装置中的力与运动尽可能均匀地传递给从动装置，从而使得至少一个装置在给定的范围内改变其空间位置。万向传动轴本身的结构非常复杂，因此无法采用以往的方式来对其进行力学方面的剖析。对此，本文采用了Pro/E和ANSYS软件。

1 Pro/E和ANSYS软件概述

1.1 Pro/E

Pro/E是一款由美国参数技术公司所设计生产的一体化三维软件，在机械行业的三维造型领域占据着非常关键的地位。相较于以往的三维造型软件而言，它拥有着十分突出的优势。首先是参数化的设计理念。这种设计形式突破了传统的数据库的限制。然后，它可以采取模块组建的形式来满足用户的个性化需求。只要输入某一部分模块的数据，它就能在软件界面进行构建与安装。对于万向传动轴的有限元模型构建，就可以采取模块方式来完成。

Pro/E具有以下几个主要特性：第一，参数化设计。无论用户想要构建的集合模型结构有多繁复，都可以通过有限的参数来进行约束，并达到相应的建模成果。第二，基于特征建模。Pro/E建模参考于实体的机械造型。用户需要根据建模原型的基本特征来进行设计。而对于模型中的细节部分，用户可以任意勾画草图进行更改，以达到不同的建模效果。第三，单一数据库。相较于传统的CAD/CAM系统，Pro/E将所有模型都构建在统一基层的数据库上，更加便于在产品设计过程中取用工程资料以及更新设计方案[1]。当工程图进行了修改，其软件构造的三维模型也会发生相应的转变。这也给万向传动轴的设计优化提供了重要条件。

1.2 ANSYS

ANSYS是一款专业的有限元分析软件，集融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体。它还能通过与其他CAD软件接口来进行实时的数据交互。

ANSYS主要包含了三个部分：第一个部分是前处理模块。用户可以在此板块中构建有限元模型。第二个部分是分析计算模块。在此板块中，用户可以通过模拟手段来进行电磁场分析、声场分析、压电分析等多种模式的分析过程。并结合软件功能来进行不同物理介质交互的模拟，进而开展相应的优化分析。第三個部分是后处理模块。这一板块可以向用户以各种形式显示出计算结果，并将最终成果以表格或者曲线形式进行输出。

1.3 Pro/E以及ANSYS软件对装载机万向传动轴的应用

由于使用传统的手段难以对万向传动轴展开有效的力学分析，因此笔者采用Pro/E和ANSYS软件相结合的手段来进行分析活动。结合Pro/E和ANSYS软件的不同功能，笔者首先对装载机万向传动轴进行了模型构建。这其中包含着以下一些内容：对于实际万向传动轴的几何转化，建模板块中网格的划分，对于实际传动轴所使用材料的设置以及约束加载等等。通过以上这些步骤，有限元模型初步建立完成。然后，笔者继续运用ANSYS软件来对万向轴的静态强度、刚度以及具体受力情况进行了综合分析。轴内包含着滑动轴叉、花键轴叉和法兰叉三个部分。笔者结合软件探究出轴内各个部分在载荷作用下的最大应力、最大变形位置以及分布情况[2]。并同时观察到了传动轴内几个会因长期外部受力而呈现出较低强度的部位。最后，针对软件所模拟分析出的部分，笔者提出了改良传动轴结构的设计方案，对原有的强度不足的部位进行了相应的设计强化。增加了其直径、厚度以及宽度，并对易磨损部位进行了光滑处理。在之后的实践过程中，相关人员根据笔者的方案进行了万向轴的设计调整，经试验显示，改进后的万向轴强度已经较之传统万向轴有了较大的改善。

2 万向传动轴的结构

万向传动轴主要包含着以下几个部分：法兰叉两个，分别位于万向轴的左右顶端位置;花键轴叉一个，位于连接左侧轴首与中部轴管的中心位置;滑动轴叉一个，其构成材料与其他部位不同，主要起到移动的作用;十字轴两个，位于两个法兰叉的连接处。在花键轴叉与滑动轴叉之间存在着一个花键，起到连接两者的作用。而伸缩部件由内体和外体组成。在实用过程中，万向轴通过外部受力会带动花键进行轴向移动，并通过左右两侧的十字轴来实现不同角度的动力传递，使得装载机内部的各个机械构成部分能够进行均匀受力。

3 静力学分析

ANSYS软件的计算分析模块包含着数个方面的分析手段。对于万向传动轴的具体受力分析则可以通过以下两个方法来进行：第一个方法是，在简化模型的中心设置一个质量单元，实现其与其他模块间的有效对接，达到符合实际需求的耦合度。进而将转矩加到中心节点上。第二个方法则是，将转矩转换成一对力偶，直接施加到对应的节点上。