输出端联结部件的有限元分析与设计.doc

汽车输出端联结部件的有限元分析与设计 摘要: 输出端联结部件是汽车转向器试验装置的重要组成部分, 文章通过对联结部件进行有限元静力学分析和非线性分析, 经多次分析计算, 找出联结部件的薄弱环节, 通过合理地改变联结部件结构参数, 针对结构所存在的问题, 提出了设计改进。实践证明, 针对输出端联结部件的结构设计改进合理、正确。 引言 汽车转向器作为汽车产品中的一个重要部件, 是驾驶员控制方向稳定行驶能力的基本保障, 对其综合性能进行检测直接关系到汽车产品质量和行驶的安全性, 在制造中要求生产厂家对每个产品均应进行质量检测。输出端联结部件是汽车转向器的重要组成部件, 其强度与寿命等方面的好坏直接影响质量检测和整个汽车转向器的使用寿命。 十字滑块有限元分析 输出端联结部件由: 滑块支持座1、十字滑块2、滑块3 连接输入端组成, 如图1 所示。滑块支持座的一端为圆柱直齿渐开线外花键, 滑块连接输入端有一圆锥直齿渐开线内花键。在工作中输出端部件通过滑块连接输入端的内花键与汽车转向器输出端传递扭矩,通过十字滑块带动支持座并经外花键与动力箱连接。在实际使用中, 滑块支持座和滑块连接输入端没有出现损坏, 而十字滑块经常出现断裂。原设计中十字滑块主要尺寸如图2: 槽宽=35mm, 槽深=24mm, 孔直径=45mm, 外周直径=99mm, 材料为40Cr 合金结构钢,屈服强度极限σs=785Mpa, 断裂强度极限σb=980Mpa。 图1 实验台输出端联结部件图，图2 十字滑块 1.1 十字滑块有限元模型的建立及网格划分 ( 1) 十字滑块有限元模型的建立。采用在SolidWorks2004 中建立实体模型简化后的输出端模型,通过SolidWorks 软件的装配功能装配后, 通过ANSYS 软件和SolidWorks 软件的转换接口, 得到了输出端联结部件在ANSYS 中的三维模型, 如图1、图2 所示。( 2) 网格的划分。网格划分是整个有限元分析的关键工作。网格划分的质量和优劣将直接影响到计算的准确性和计算速度。ANSYS 提供了自由、映射、扫略等网格划分方法及200 多种适合不同分析类型、不同材料和不同模型的单元。十字滑块采用10 节点四面体结构实体单Solid92 划分网格, 在保证精度的同时允许使用不规则的形状, 适用于曲边界的建模, 有塑性、蠕变、应力强化、大变形和大应变的功能[1]。通过对输出端联结部件的有限元分析, 结构中的渐开线外花键、内花键和倒角对计算精度影响不大, 为提高计算速度, 不考虑渐开线外花键、内花键和尺寸较小的倒角的影响。 1.2 十字滑块的静力分析 采用自由网格, 同时在十字滑块容易断裂的部位注意了网格的细化, 划分35459 个单元。十字滑块在实际工作中, 在与滑块支持座和滑块连接输入端接触的4 个面, 承受的是分布力而不是集中力, 为计算方便, 将载荷等效为梯度分布, 分析结果见表1。 表1 ：十字滑块的分析结果 计算结果显示, 十字滑块应力分布在很大程度上受扭矩的影响。十字滑块的拐角处应力分布较大, 成为危险点, 分析结果与十字滑块实际出现断裂的区域一致。说明扭矩传递在该处产生很大应力集中, 长期作用导致该处发生断裂。 1.3 十字滑块的非线性分析 输出端模型的3 个零件网格化后, 共得到59678 个单元。刚性面与柔性体面分别用Target170 与Conta174模拟[2]。利用接触向导建立一个目标单元和一个接触单元的“接触对”, 分别建立研究模型中的4 个接触对。设十字滑块与连接输入端、支持座是刚性联结的, 把节点坐标系变换到柱坐标, 则X,Y,Z 分别代表R, θ, Z,约束支持座、十字滑块和连接输入端表面上的节点使其只有绕输出端回转中心轴的转动自由度[3]。不考虑输出端部件的制造误差和安装误差, 在连接输入端施加5000Nm的扭矩, 在支持座端施加5000Nm 的反向扭矩。输出端的最大应力出现在十字滑块, 达到1340Mpa, 远远大于其材料的断裂强度极限, 位置在槽与面的过渡处如图3 所示。 图4 为十字滑块线上节点路径变化的曲线图, 从图中可以看出, 节点路径变化与应力有关, 应力越大, 路径变化越大。 图4 路径显示结果 2 设计改进与效果 根据十字滑块的结构, 可通过增加圆角、改变孔的直径、改变槽的深度和宽度等方法进行。但究竟在哪个位置以及调整量是多少从而使效果最佳, 需要多次实验才能获得[4],通过改变不同参数, 获得的计算结果见表2 所示。 表2 改变孔径、槽深度和改变外径的应力变化 改进后十字滑块的主要尺寸为外直径=104mm, 槽深=12mm。根据有限元分析结果可知改进后的十字滑块最大应力从原来的应力457 Mpa 降低为333 Mpa