万向节的主要作用是在不同轴线上的轴之间传递转矩,它被广泛应用于各类卡车的传动轴、联接轴节叉之间。对万向节十字轴结构进行合理的设计一直是一个薄弱环节,由于没有有效的手段加以综合分析,导致产品各部位强度不均匀,有些部位应力集中、有些部位毛坯过于宽厚,存在着大量的材料浪费,也不利于提高产品承载能力。为此,我们运用三维造型和有限元分析技术对JN150万向节十字轴进行优化设计,达到减重降本的目的。
对优化前的十字轴进行应力分析
1.建立三维模型
运用Pro/E大型三维建模软件制作优化前的十字轴三维模型,由于许多小的倒角、圆角对十字轴强度影响较大,因此它们在模型建立时不能被简化掉。模型计算重量为2.15kg。
2.应力分析
运用ANSYS大型有限元分析软件对模型进行应力分析。具体分析条件:施加弯曲载荷,额定静载荷为5246.4N.m,材料许用应力为450MPa。
图1 所示为应力分布图,从图中可以看到,最大应力发生在轴颈R处,最大应力值为434MPa,接近许用应力450MPa,如算上2.5倍的安全系数,该轴所能承受的最大静载荷为450/434×5246.4×2.5=13600N.m。 (图片)
图1 优化前十字轴的应力分布 从图1所示的应力分布情况可以看出,整个十字轴的应力分布不均匀,在中间毛坯部分出现大块的蓝色区域,此区域的应力相对最大应力值非常小,材料过剩,可以减小毛坯尺寸,达到减重的目的。
制订优化方案
根据十字轴的应力分析情况,制订出改进方案:十字轴轴颈根部圆弧从R2加大至R4;轴颈直径从24mm加大至26.7mm;中间毛坯厚度从36mm减少至28mm;毛坯外圆直径从104mm减少至96mm。
对优化后十字轴进行应力分析
1.建立三维模型
运用Pro/E大型三维建模软件制作优化后的十字轴三维模型,模型如图2所示,计算重量为1.79kg。
(图片)
图2 优化后的十字轴模型 2.应力分析
运用相同条件对优化后的十字轴进行有限元分析,分析结果见图3。从图中可以看到最大应力仍在轴颈R处,但最大应力值降低到297.1MPa,远小于许用应力值450MPa,相比优化前十字轴模型的最大应力值减小了136.9 MPa,加上2.5倍的安全系数,优化后十字轴所能承受的最大静载荷为450/297.1×5246.4×2.5=19866N.m。
(图片)
图3 优化后十字轴的应力分布图 根据以上分析结果,优化后的十字轴模型相对于优化前的十字轴模型的承载能力提高了6266N.m,提高比例为(19866-13600)÷13600×100%=46%。材料减少了0.36kg,减重比例为(2.15-1.79)÷2.15×100%=17%。
验证
按照优化后的十字轴试制样品20件,20件样品平均重量为1.78kg;优化前样品实际平均重量为2.14 kg,实际减重比例为20%,达到了预期的减重效果。
对优化后的十字轴的承载能力用台架性能试验进行验证,取优化前、后十字轴各2件进行静扭试验,试验结果为:2件优化前十字轴静扭强度分别为16608 N.m、15702 N.m,2件优化后的十字轴静扭强度分别为19158N.m、19172N.m,与有限元分析的结果基本符合,实际提高承载能力比例为18%。
结束语
通过对JN150万向节十字轴运用三维造型和有限元分析技术进行产品优化设计、验证,使每件零件重量平均减轻了0.36kg,并使十字轴承载能力提高了18%,同时达到了减重降耗和提高性能的预期目标。
应用有限元分析优化设计减轻零件重量和提高性能是非常有效的,特别是在全球资源越来越紧缺的环境下,值得我们推广应用到更广阔的领域中去。
7/10/2009
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