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基于HyperWorks的汽车传动轴模态分析


Altair 2010 HyperWorks 技术大会论文集

基于 HyperWorks 的汽车传动轴模态分析
于淙洋 北京汽车

摘要:本文讨论了在基于 HyperWorks 的汽车传动系模态分析中,如何进行具有多自由度
及运动副的传动轴模态分析。 并根据实际试验结果对模型本身进行优化, 在模型计算质量达 到要求后对

设计进行指导,达到满足传动系振动性能要求并降低成本及加工难度的要求。

关键词:HyperWorks,传动轴,模态分析,尺寸及结构优化

1 概述
汽车传动轴用于将发动机发出的动力传递至前后桥, 并且缓冲从行驶系传来的振动以保 证整车动力系统正常运行。 随着近两年汽车行业在中国的快速发展, 民众的需求已经不满足 于前驱车这种“低端”车型,更多的稍有经济实力的用户已经考虑购买操控性平顺性更好的后 驱车甚至是四驱车, 因而传动轴这一零件在汽车中的应用也是越来越广泛。 随之而来的也有 一些振动及噪声方面急需解决的问题。 在车辆运行时传动轴会进行高速自传, 如果其模态频 率过低很可能导致其与自转的激振频率相吻合进而产生共振, 严重时会引起成员的不适。 因 此需要对传动轴的模态做出一定要求,使之避开由于自转而产生的激振频率。 在传统的设计流程中, 直到对样车进行测试时才能够知道是否会有共振现象出现, 若发 现共振也只能采用一些简单的补救措施, 有时无法从根本上解决问题, 甚至需要对零件进行 重新设计,导致了成本和时间的双重浪费。 若在产品量产前就使用 HyperWorks 软件对其进 行模态分析,并且进行优化,使之避开因自转而产生的激振频率,则不但能缩短设计周期, 亦能降低开发成本提高产品质量。因此 CAE 方法的合理应用在产品的生命周期中具有重要 意义。 HyperWorks 作为高效的 CAE 前后处理软件可以十分方便的完成传动轴的建模及后处 理工作,因此选用 HyperMesh 进行建模,HyperView 进行后处理, CAE 求解器进行中间 计算工作。

2 传动轴模态分析
2.1 传动轴模型的建立
某些传动轴在高速行驶时发现会由于自转的激振频率而导致共振,轻者造成成员不适, 严重时甚至会影响车辆可靠性耐久性等。 因此需要对传动轴一阶弯曲模态进行分析。 传动轴
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Altair 2010 HyperWorks 技术大会论文集

可分为两对万向节,一对花键套及中间传动筒状梁三部分。 网格建立采用 Hypermesh 进行。传动管状梁部分因厚度方向尺寸远小于长宽的尺寸, 固采用壳单元进行建模, 其他部分考虑时间成本等诸多因素采用四面体单元进行建模。 所有 运动副均采用 rbe2 单元放开相应自由度来进行模拟。壳单元与实体单元间的焊接部分采用 Hyperworks10.0 的新功能 hexa 进行, 步长 5mm、 宽 度 5mm。 实体单元间的链接采用 rbe2 进行模拟。 模型

连接信息

模型描述 Entity NODES ELEMENTS MATERIAL Number 38812 106974 1

2.2 材料属性
计算中使用材料参数如下: 长度单位:mm 泊松比:0.3

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弹性模量:210Gpa 材料密度:7.85e+3kg/ m
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2.3 传动轴模态分析
因传动轴采用螺栓固定在车桥及变速箱之间, 固采用约束模态对传动轴进行分析。 在传 动轴两端的八个螺栓孔处设定约束,锁定全部六个自由度,计算前两阶阶模态频率。1-4 阶 模态频率分析结果下表所示。 求解工具: CAE 求解器 (Normal Modes); 求解参数:AUTOSPC=YES, K6ROT=1,POST=-1。

分析结果 阶次 1 2 模态频率(Hz) 143.6 143.9

由于万向节在垂直于轴向的两个方向上可以视为同样的结构,固此两模态频率差异甚 小。

2.4 传动轴模态优化分析
由应力应变图中看出传动轴中间传动管状梁部分由于厚度相对薄弱其应力较大, 另外花 键根部由于圆角过大导致截面突变严重,判断此两处应为着重加强部位,将圆角半径减少 2mm,并且考虑到实际生产中现成材料的料厚数据,将管厚由 1.8mm 增加到了 2.0mm。 然后重新计算了 CASE1。此时模态频率为 161Hz,提高了约 13%,模型增重约 11%。模 态频率已脱离了最高车速时自转激振频率。 并且根据工程实际经验花键部分的重叠长度对传 动轴整体的强度影响较大, 固将花键的重叠长度延伸 10mm (实际车型的允许延伸量因车辆 设计而异,具体车型具体分析) 。进行了 CASE2 的计算。此时模态频率为 166Hz,提高了 约 15%,模型增重约 13%。并且质量增加仍在允许优化范围内。
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结果对比 原始数据 重量 模态频率 6.52kg 144Hz 优化数据 7.37kg 166Hz 变化量 13% 15%

3 结论
在汽车零件选型及设计中引入 CAE 分析验证及优化的方法能够提高产品质量,缩短研 发周期,在产品选型及设计中具有重要意义。 利用 Hyperworks 软件对传动轴系统进行模态分析及优化,优化后结果实用可行。通过 对整系统的模态分析发现优化后的结果对系统的模态的影响,能够避免系统共振。

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