汽車(chē)輪轂花鍵理論設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析*

吳洪杰 ， 李江全 ， 葛志華 ， 王 友

（1.湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441053；2.湖北新火炬科技有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441000）

0 前言

新能源汽車(chē)的發(fā)展是大勢(shì)所趨。Canalys公司分析預(yù)測(cè)，2028年，新能源汽車(chē)的銷(xiāo)售量將達(dá)到3 000萬(wàn)輛左右；2030年，新能源汽車(chē)的銷(xiāo)售量將會(huì)占全球乘用汽車(chē)總量的一半。由于新能源汽車(chē)的快速發(fā)展，輪轂花鍵又是汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中不可缺少的重要傳動(dòng)零件，可以有效地傳遞輪轂與驅(qū)動(dòng)軸之間的扭矩。因此，對(duì)輪轂花鍵的相關(guān)參數(shù)和力學(xué)性能進(jìn)行研究有著重要意義。羅偉[1]通過(guò)研究基本參數(shù)、定心、配合量的確定方法，準(zhǔn)確地確定了漸開(kāi)線花鍵的參數(shù)。張浩強(qiáng)[2]設(shè)置了齒輪的相關(guān)參數(shù)，利用三維建模軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，通過(guò)對(duì)齒輪的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改，獲得了修改后的齒輪模型。薛向珍等[3]探究航天漸開(kāi)線花鍵副軸向載荷的分布規(guī)律，并給出了一種航天漸開(kāi)線花鍵副齒向修形方法。譚援強(qiáng)等[4]基于有限元法，對(duì)漸開(kāi)線花鍵副的微動(dòng)摩擦接觸行為進(jìn)行了分析，得到了接觸壓力和相對(duì)滑移的分布規(guī)律。賈繼鵬等[5]針對(duì)航空浮動(dòng)漸開(kāi)線花鍵副在實(shí)際工作時(shí)存在的軸向浮動(dòng)及軸向不對(duì)中問(wèn)題，利用ABAQUS軟件對(duì)航空浮動(dòng)漸開(kāi)線花鍵副的軸向載荷進(jìn)行了分析?；魡⑿碌萚6]分析航空漸開(kāi)線花鍵副的動(dòng)態(tài)嚙合力，為設(shè)計(jì)高性能、高精度、高強(qiáng)度的航空漸開(kāi)線花鍵副提供了準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)力計(jì)算方法。耿喜春等[7]基于漸開(kāi)線花鍵最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一款漸開(kāi)線花鍵幾何參數(shù)計(jì)算程序，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，可為后續(xù)花鍵研究提供非常有用的助力。余愛(ài)萍等[8]對(duì)錐度漸開(kāi)線花鍵提出了一種更加準(zhǔn)確的測(cè)繪方法。胡永強(qiáng)[9]闡述了汽車(chē)變速器的基本組成、運(yùn)行特點(diǎn)及作用原理等，對(duì)汽車(chē)變速器的性能進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)分析。目前，有關(guān)花鍵連接的研究重點(diǎn)主要放在加工成型上，都是針對(duì)花鍵加工方法和鍵齒接觸特點(diǎn)的，對(duì)于花鍵自身的研究還是少有人入手。而且大多花鍵由于設(shè)計(jì)年代久遠(yuǎn)，缺少完整設(shè)計(jì)思路與方法。

綜上所述，本文依據(jù)GB/T 3478.1—2008[10]和GB/T 17855—2017[11]，依托2021年襄陽(yáng)市研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“電動(dòng)車(chē)輪轂單元花鍵副設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究”。對(duì)花鍵副開(kāi)展合理的齒形設(shè)計(jì)，先明確汽車(chē)花鍵設(shè)計(jì)輸入：力矩、壽命、幾何參數(shù)等主要參數(shù)，之后開(kāi)展花鍵副的理論設(shè)計(jì)計(jì)算。采用SolidWorks軟件對(duì)花鍵副建立模型，在ABAQUS軟件建立內(nèi)外花鍵靜力學(xué)數(shù)值仿真模型，得到花鍵整體應(yīng)力云圖?；谏鲜霾襟E對(duì)汽車(chē)輪轂花鍵在扭轉(zhuǎn)力矩下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析，為日后的實(shí)際生產(chǎn)提供有益的理論參考。

1 實(shí)例理論設(shè)計(jì)

1.1 花鍵受力分析

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出原動(dòng)力，經(jīng)由傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)軸，其作用力由花鍵傳動(dòng)軸傳遞到輪轂軸承，最后由輪轂將力傳到車(chē)輪。車(chē)輪和大地之間形成了摩擦力并反饋給車(chē)身，車(chē)輛則是憑借摩擦力和原動(dòng)力的作用而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。汽車(chē)運(yùn)動(dòng)流程如圖1所示。

圖1 汽車(chē)運(yùn)動(dòng)流程圖

汽車(chē)所受的摩擦力或其他外力，會(huì)經(jīng)由輪轂軸承傳導(dǎo)給整車(chē)，整車(chē)的重力由輪轂軸承施加到輪轂上，而輪轂花鍵副僅僅負(fù)責(zé)傳輸扭矩。所以，不管汽車(chē)在什么運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，輪轂花鍵副只會(huì)受來(lái)自驅(qū)動(dòng)軸上沿軸向的扭矩，而不會(huì)受到壓軸力矩和彎矩的影響。

1.2 輪轂花鍵選型

目前花鍵的齒形有兩種，分別為矩形花鍵和漸開(kāi)線花鍵，如圖2所示。漸開(kāi)線花鍵在負(fù)載大、定心精度要求高的工況下得到了廣泛的應(yīng)用。這是由于漸開(kāi)線花鍵相較于矩形花鍵有許多優(yōu)點(diǎn)：齒數(shù)多，齒根厚，負(fù)載能力大，定心容易，裝配精度高。漸開(kāi)線花鍵的加工工藝方式是利用冷壓、冷擠等無(wú)切屑工藝，這種工藝方式不但制造效率高、精度高，而且還節(jié)省金屬材料，可以降低一定的成本。漸開(kāi)線花鍵幾乎應(yīng)用在各種同軸傳動(dòng)和軸轂連接中。因此，汽車(chē)輪轂花鍵大多選用漸開(kāi)線花鍵。

圖2 花鍵基本齒形

1.3 輪轂花鍵副參數(shù)設(shè)計(jì)

課題組所研究的輪轂花鍵副依托于襄陽(yáng)市研究項(xiàng)目所提供的花鍵副參數(shù)。壓力角αD為37.5°，模數(shù)m優(yōu)先采用第一系列，m取1，齒數(shù)z為46，結(jié)合長(zhǎng)度l為25 mm，輪轂花鍵副所承受的最大彎矩Mb為0。基于綠色制造理念及提升產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性的目的，花鍵副的定心方式采用大徑定心，這種方式的定心精度要求嚴(yán)格且軸孔加工相對(duì)簡(jiǎn)單，可以保證內(nèi)、外花鍵的同軸度很容易實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)配合。由于汽車(chē)輪轂花鍵是用來(lái)傳遞扭矩的（不常拆卸），所以花鍵副采用基孔制配合和過(guò)盈配合，公差等級(jí)按照GB/T 3478.1—2008規(guī)定為6級(jí)。

1.4 輪轂花鍵副理論計(jì)算

本文花鍵副主要齒形參數(shù)與強(qiáng)度校核，依據(jù)GB/T 3478.1—2008和GB/T 17855—2017來(lái)計(jì)算。根據(jù)研究項(xiàng)目提出的要求，采用Excel軟件對(duì)花鍵副進(jìn)行理論計(jì)算。其花鍵主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 漸開(kāi)線花鍵參數(shù)計(jì)算

根據(jù)上述參數(shù)再對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的花鍵副是否滿足強(qiáng)度要求，如表2所示。

表2 漸開(kāi)線花鍵承載能力計(jì)算

通過(guò)對(duì)37.5°圓齒根漸開(kāi)線花鍵（齒數(shù)46、模數(shù)1、公差等級(jí)6）進(jìn)行理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在理論計(jì)算結(jié)果下，花鍵副的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是安全的。

2 CAE分析

國(guó)標(biāo)的理論計(jì)算是基于修正系數(shù)的計(jì)算，與實(shí)際情況有一定差異性。而使用CAE對(duì)其進(jìn)行分析，相對(duì)更加接近實(shí)際工況。

2.1 花鍵副的模型建立

根據(jù)上文所提供的相關(guān)參數(shù)，在SolidWorks中建立花鍵副模型。為突出內(nèi)外花鍵的相互作用，簡(jiǎn)化了其他結(jié)構(gòu)，輪轂汽車(chē)花鍵副如圖3所示。

圖3 輪轂汽車(chē)花鍵副

2.2 花鍵副有限元分析

將在SolidWorks中建立的模型導(dǎo)入ABAQUS軟件中。根據(jù)研究項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，對(duì)花鍵副進(jìn)行前處理，對(duì)其賦予相關(guān)的物理參數(shù)。將所設(shè)定的全部物理參數(shù)模型提交到后處理模塊，進(jìn)行物理分析。最后得出結(jié)果，花鍵副應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 花鍵副應(yīng)力云圖

為了突出花鍵鍵齒所受的應(yīng)力，特地將內(nèi)花鍵隱藏，只顯示外花鍵。外花鍵云圖如圖5所示。

圖5 外花鍵云圖

通過(guò)ABAQUS軟件分析，鍵齒表面的最大應(yīng)力約為100 MPa。根據(jù)上文的國(guó)標(biāo)理論計(jì)算齒面正應(yīng)力為80 MPa，許用應(yīng)力值為299 MPa。無(wú)論是理論計(jì)算還是有限元分析，其結(jié)果都沒(méi)有超過(guò)許用應(yīng)力值，因此，這個(gè)零件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是安全的，滿足實(shí)際工況的要求。

3 總結(jié)

課題組基于理論推導(dǎo)和有限元分析的技術(shù)方法，對(duì)所設(shè)計(jì)的汽車(chē)輪轂花鍵（壓力角37.5°、模數(shù)1、齒數(shù)46），開(kāi)展參數(shù)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核等研究。為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，結(jié)合國(guó)標(biāo)公式使用Excel軟件對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。最后采用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值仿真，將理論計(jì)算的結(jié)果與有限元分析的結(jié)果相互結(jié)合驗(yàn)證。設(shè)計(jì)案例顯示，花鍵副理論計(jì)算的結(jié)果與有限元分析的結(jié)果都符合強(qiáng)度要求，證實(shí)課題組提出的方法可以用于花鍵副設(shè)計(jì)。