考慮關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)副特點(diǎn)的等速萬(wàn)向節(jié)模態(tài)分析

陳源，湯國(guó)亞，周明剛，劉明勇，張苗

(湖北工業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計(jì)院，武漢 430060)

隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)轎車(chē)的振動(dòng)、噪聲、舒適性(NVH)等要求越來(lái)越高。傳動(dòng)系統(tǒng)作為轎車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)單元的同時(shí)，也是產(chǎn)生轎車(chē)振動(dòng)噪聲的重要來(lái)源之一[1-2]。等速萬(wàn)向節(jié)作為傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其性能不僅影響轎車(chē)的操縱性和動(dòng)力性，而且影響轎車(chē)的舒適性和平順性[3]。為進(jìn)一步改善等速萬(wàn)向節(jié)的振動(dòng)噪聲，需要對(duì)其進(jìn)行一系列振動(dòng)特性分析。

現(xiàn)考慮等速萬(wàn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工況，將復(fù)雜的接觸關(guān)系、空間結(jié)構(gòu)等效為運(yùn)動(dòng)副，應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行振動(dòng)分析；同時(shí)考慮等速萬(wàn)向節(jié)等效運(yùn)動(dòng)副處理的可行性，為驗(yàn)證該分析結(jié)果的正確性，采用B&K振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。

1 建模

1.1 三維模型建立

以國(guó)內(nèi)某自主品牌轎車(chē)用球籠式和三球銷(xiāo)式等速萬(wàn)向節(jié)為例建立三維模型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。星形套與鐘形殼間有球面和6組共軛溝道曲面，保持架內(nèi)、外球面分別與鐘形殼和星形套球面精確配合，6個(gè)鋼球分別在6組共軛溝道曲面中配合，三叉銷(xiāo)與圓柱槽殼配合，構(gòu)成等速萬(wàn)向節(jié)。

1.2 兩端運(yùn)動(dòng)副模型的建立

等速萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，接觸對(duì)較多。若采用綁定線性處理[4-5]建立其有限元模型，雖計(jì)算簡(jiǎn)便，但與實(shí)際工況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不符，很難保證計(jì)算結(jié)果的正確性；若采用接觸副處理建立其有限元模型，等速萬(wàn)向節(jié)接觸副較多，計(jì)算結(jié)果不易收斂,準(zhǔn)確性也難以保證?，F(xiàn)采用運(yùn)動(dòng)副處理來(lái)建立等速萬(wàn)向節(jié)兩端運(yùn)動(dòng)副模型，將其兩端復(fù)雜結(jié)構(gòu)等效為轉(zhuǎn)動(dòng)副。在等速萬(wàn)向節(jié)固定端的鐘形殼球面與保持架外球面建立固定端轉(zhuǎn)動(dòng)副，在滑移端的三叉銷(xiāo)與圓柱槽殼間建立滑移端轉(zhuǎn)動(dòng)副，如圖2所示。因此需要分別獲取兩端轉(zhuǎn)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)。

2 扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試

為了準(zhǔn)確獲得等速萬(wàn)向節(jié)固定端、滑移端的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，將等速萬(wàn)向節(jié)一端的中間軸固定，在另一端鐘形殼上施加力F，L為轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，如圖3所示。在質(zhì)構(gòu)儀上進(jìn)行靜剛度測(cè)試，如圖4所示。

圖3 等速萬(wàn)向節(jié)測(cè)量原理圖

圖4 等速萬(wàn)向節(jié)剛度測(cè)試圖

根據(jù)圖4的測(cè)試方案，在質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量系統(tǒng)中采集F和向下行程位移S的關(guān)系曲線和數(shù)據(jù)。其中固定端取L=130 mm、滑移端取L=100 mm，設(shè)定S=10 mm，在質(zhì)構(gòu)儀上分別對(duì)固定端和滑移端進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)測(cè)試。由于S比L小，可得等速萬(wàn)向節(jié)測(cè)量時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ較小，即

θ≈tanθ=S/L。

(1)

由M=FL，將質(zhì)構(gòu)儀測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為力矩M與轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系，并采用最小二乘法處理為

(2)

(3)

測(cè)量數(shù)據(jù)處理如圖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,可得固定端扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)Kθ1=208.77 N·mm/(°)，滑移端扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)Kθ2=113.44 N·mm/(°)。

圖5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理

3 有限元模態(tài)分析

在有限元分析軟件ANSYS中導(dǎo)入等速萬(wàn)向節(jié)三維模型，設(shè)置獲取的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，忽略系統(tǒng)阻尼，對(duì)其進(jìn)行自由模態(tài)分析。材料參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1，采用四面體網(wǎng)格，劃分結(jié)果如圖6所示。模態(tài)分析結(jié)果如圖7所示，等速萬(wàn)向節(jié)的1階模態(tài)頻率為134 Hz，2階模態(tài)頻率為420 Hz。

表1 汽車(chē)等速萬(wàn)向節(jié)材料參數(shù)

圖7 有限元模態(tài)分析

4 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

采用B&K振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)的試樣進(jìn)行自由模態(tài)分析，具體試驗(yàn)方案如圖8所示。用橡膠軟繩懸吊等速萬(wàn)向節(jié)，安裝位移傳感器，采用捶擊法進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。通過(guò)B&K振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取實(shí)物樣件的頻率特性，與考慮關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)副特點(diǎn)的有限元模態(tài)分析結(jié)果比較，以驗(yàn)證等速萬(wàn)向節(jié)有限元仿真分析的正確性。

由圖8可知，球籠式等速萬(wàn)向節(jié)的1階頻率為129 Hz，2階頻率為406 Hz。與有限元模態(tài)分析結(jié)果比較見(jiàn)表2，兩者結(jié)果基本一致。

圖8 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

表2 有限元模態(tài)分析頻率與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析頻率比較

5 結(jié)論

1)結(jié)合等速萬(wàn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工況，將其兩端等效為運(yùn)動(dòng)副，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量其扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)，建立其有限元模型。

2)基于有限元模型，采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)法和有限元模態(tài)法對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)前二階模態(tài)進(jìn)行分析，結(jié)果驗(yàn)證了對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副處理的適用性。

3)對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行模態(tài)分析研究可為解決轎車(chē)傳動(dòng)中NVH提供一定基礎(chǔ)。