商用车驱动轴轻量化仿真分析和优化设计
商用车驱动轴轻量化仿真分析和优化设计
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编者按
基于商用车驱动轴轻量化设计，应用Creo有限元分析软件对构件设置边界条件，进行模拟仿真分析。 根据分析结果显示的应力分布，识别改进部位。针对多项形状尺寸进行参数化设计，通过输出的参数值与 应力分布曲线图 ， 选 定最佳尺寸参数 ， 制造实样 ， 最后经过台架和道路试验 ， 验证优化方案的合理性与准 确性 。
工程师 朱国平
1 序言
驱动轴是汽车底盘传动系统中的重要零件之 一。在汽车行业，底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系4部分组成，它支承、安装汽车发动机及各部件、总成，形成汽车的整体造型，承受发动机动力，保证正常行 驶 [ 1] 。传动系主要是由离合器、变速器、驱动轴和驱动桥等组成。
2 驱动轴结构和原理
图1所示为驱动轴，其结构原理源自于万向传动 装置，是用于在机构运行过程中，传递相对位置不 断改变的两根轴间动力的装置 [2] ，在工业多领域得 到广泛应用。 在汽车领域，驱动轴的功用是连接分 布于非同一轴线上的变速器输出轴和主减速器输入 轴，并保证在两轴之间的夹角和距离经常变化的情 况下，仍能可靠地传递动力 [3] 。它是承受高速传动 的零件，主要由凸缘叉、万向节十字轴、焊接叉和 滑动花键副组成。
图1 驱动轴
焊接叉（见图2）是驱动轴中的一个重要部件， 其结构和加工工艺直接影响零件的性能，进而影响 整车动力传递的效果。 其构造相对简单，但是加工 工艺复杂，在选材中，了解其加工工艺，并在工艺 设计中合理安排加工工序，设计合理的工装夹具， 对产品的最终质量具有十分重要的意义。 为响应国 家节能减排号召，顺应行业零部件轻量化趋势，运 用 PTC Creo Simulate （以下简称“ Creo ”）软件对 驱动轴进行有限元仿真分析和优化设计，最终设计 出一款轻质焊接叉，在减轻焊接叉质量的同时，还 能维持并提升部件和总成的原有性能水平，减少原 材料的耗用，降低车辆的油、电消耗和碳排放，达 到节能环保的效 果。
图2 焊接叉
有限元分析法是根据变分法原理来求解数学物 理问题的一种数值计算方法。 Creo 软件是 PTC 公司 基于 Pro/E 软件推出的升级版本，是集 CAD/CAM/ CAE 于一体的软件集成包，能够实现复杂曲面建 模、机构仿真和有限元分析的无缝集成。 Creo 软件 以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目 前的三维造型软件领域中占有重要地位，作为当今 世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界 的认可和推广，是现今的主流 CAD/CAM/CAE 软件之 一，特别是在国内产品设计领域占据着重要位置 [4] 。
具体实施方法和步骤： 结合有限元结构理论， 应用分析模块，模拟工况，对部件设置边界条件， 进行分析计算，最终通过参数化设计取得最佳方 案，优化原有结构，降低成本，增加行业竞争力。
3 有限元模型的建立
3.1 建模、网格划分及材料属性定义
本案例中，为了排除关联部件在运算过程中 的相 互影响，提高结果的准确性，减少实际分析 运算的时长，将简化模型，仅对驱动轴的焊接叉 一端单独进行仿真分析。 首先应用 Creo 软件包中的 Parametric 模块进行三维实体建模，根据焊接叉实际 尺寸建立准确实体模型，然后直接转入 Simulate 模 块中，应用精细模型菜单中控制命令选项，设置各 单元要素的尺寸，最小尺寸值为 5 ，进行有限元分析 网格的划分。 焊接叉有限元网格划分结果如图 3 所 示，模型被划分为 150828 个四面体。
图3 焊接叉有限元网格划分
按照设计要求，材料为45钢，输入各项力学性 能属性值，并将属性值赋予焊接叉端的部件材料模 型中。 部件 材料的力学性能属性值见表 1 [5] 。
3.2 施加载荷及约束处理
对焊接叉一端部件施加约束和载荷处理（见图 4 ）。 根据实 际运行过程中的使用受力状态，对凸缘 叉法兰面施加相对于坐标原点的位移固定约束； 万 向节十字轴的约束定义为轴承联接，在焊接叉尾端 外圆表面施加圆周方向扭转载荷，载荷值为驱动轴 的额定工作扭矩。
图4 约束与载荷
4 有限元仿真分析过程和结果
在现有的零件结构中，对部件各总成建模，模 拟总成工况，设置边界条件，进行分析计算。 Creo 软件可以输出多种形式结果，如位移、静力和疲劳 等，由于各种结果呈关联的态势，因此选择静力分 析功能，能更 为直观地判断模型受力后的应力变 化状况，其分析结果显示出构件的各部位应力值大 小。 根据模型的表面和内部应力分布情况，在应力 最小值区域排除不可变动点后，识别出该区域可以 改进的部位。
通过有限元分析模块进行模拟仿真分析，得出 首次仿真分析应力分布结果（见图 5 ），结果显示， 焊接叉两侧背面应力值最低，为 192MPa ，有较大改 进余量，且该部位无配合要求，可作为改进区域， 能在此处进行减材处理。 考虑减材后，需保证与其 相邻的内侧圆角区域不额外增加应力，应保留两侧 边一定宽度作为加强筋。 仅两侧背面中心部位减料 形成内凹面，同时适当增大内侧圆弧起支撑作用。 根据锻造模具脱模 方向，设定内凹面斜度为10°，再进行模拟运行分析。
图5 首次仿真分析应力分布
分析结果显示，模型最大应力值转移到加工部 位台 阶过渡部位，导致最大应力值较原样增加了一 倍，必须进行相应处理，在精加工部位增大过渡圆 角以减小应力集中； 改进区域内凹面与部件其他区 域应力值，较原样上升了 27% ，但相比其他部位仍 很低，证明改进方向正确。
重点对内凹面筋宽度、内侧圆弧及加工圆角部 位运用参数化模拟分析，系统进行优化。 参数重点 优化部位如图 6 所示。
图6 重点优化部位
固定之前设置的分析条件，运用参数化设计， 对 3 处部位进行参数化分析，得出应力曲线图（横坐 标为参数值，纵坐标为应力值），作为优化设计参 照。参数优化应力变化趋势曲线如图 7 所示。 由图 7 可以看出，随各项参数数值增大，其应力 值逐渐缩小；当到达一个节点后，应力缩小的趋势 变缓，证明此时参数的调整相对于应力的影响逐渐 减弱；如果继续增大参数，则会形成增材的效果， 由于这与优化减重的理念相悖，因此不再继续增大 参数。再结合部件其他要求的实际情况，确定最佳 的尺寸参数，进行最终仿真分析，结果显示应力分 布均衡，数值处于材料许用范围内。 部件最终优化 后的应力分布如图 8 所示。
a）内侧圆弧应力曲线
b）内凹面筋应力曲线
图8 部件最终优化 后的应力分布（层切片图）
5 结束语
通过对驱动轴模型的优化分析，得出分析结 论，参考优化结果，重新设计焊接叉新的结构和尺 寸，经过台架试验论证和路试情况验证表明，优化 状态完全满足使用要求，并且实现了减轻质量的目 的。 通过对比可知，新结构焊接叉的质量相较原状 态，部件质量降低 0.45kg ，减重比为 10.7% ，在降低 生产成本的同时，提高了材料利用率。
本案例为类似结构的产品提供了设计经验， 减少了因设计改进而进行的重复制样、试验验证次 数，探索出一种部件仿真优化的具体实施方法。
文章针对商用车驱动轴的轻量化设计，应 用Creo有限元分析软件进行模拟仿真，根据分析结果识别改进部位。通过对驱动轴模型的优化分析，得出正确的结论并参考优化结果，重新设计重点部件的结构和尺寸，实现减轻质量的目的。
文章的论点符合当前汽车行业零部件轻 量化趋势，具有很好的技术前瞻性和实际应用性。轻量化设计思路集有限元分析和模拟仿真为一体，优化零件结构并合理安排加工步骤，在减轻零件质量的同时，提升原有的性能水平，达到节能环保的效果，为类似产品的轻量化设计提供了优化方案和具体的实施方法。
[1] 陈家瑞. 汽车构造[M]. 北京：机械工业出版社， 2011.
[2] 卜炎. 中国机械设计大典：第3卷 机械零部件设计[M]. 南昌 ： 江西科学技术出版社 ， 2002.
[3] 中国汽车技术研究中心，汽车标准化研究所. 汽车 设计标准资料手册 （ 标准件篇 ） [M]. 长春 ： 吉林科 学技术出版社 ， 2000.
[4] 应学成. Creo 3.0完全自学一本通[M]. 北京：电子工 业出版社 ， 2016.
[5] 孙训方，方孝淑，关来泰. 材料力学[M]. 5版. 北 京 ： 高等教育出版社 ， 2013.
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