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万向节十字轴优化设计

万向节我们能够带来很大的价值的主要作用是在不同轴线上的轴之间传递转矩，它被广泛应用于各类卡车的传动轴、联接轴节叉之间。对万向节十字轴结构进行合理的设计一只为拿出最优秀的成果直是一个薄弱环节，由于没有有效的手段加以综合分析，导致产品各部位强度不均匀，有些部位应力集中、有些部位毛坯过于宽厚，存在着大量的材料浪费，也不利于提高产品承载能力。为此，我们运用三维造型和有限元分析技术对JN1汽车电池50万向节十字轴进行优化设计，达抵押贷款到减重降本的目的。

对优化前的十字轴进行应力分析

1.建立三维模型

运用Pro/E大型三维建模软件制作优化前的十字轴三维模型，由于许多小的倒角、圆角对十字轴强度影响较大，因此它们在模型建立时不能被简化掉。模型计算重量为2.15kg语音模块。

2.应力分析

运用ANSYS大型有限元分析软件对模型进行应力分析。具体分析条件：施加弯曲载荷，额定静载荷为5246.4N.m，材料许用应力为450MPa。

图1 所示为应力分布图，从图中可以看到，最大应力发生在轴颈R处，最大应力值为434MPa，接近许用应力450MPa，如算上2.5倍的安全系数，该轴所能承受的最大静载荷为450/434×5246.4×2.5＝13600N.m。

图1 优化前十字轴的应力分布

从图1所示的应力分布情况可以看出，整个十字轴的应力分布不均匀，在中间毛坯部分出现大块的蓝色区域，此区域的应力相对最大应力值非常小，材料过剩，可以减小毛坯尺寸，达到减重的目的。

制订优化方案

根据十字轴的应力分析情况，制订出改进方案：十字轴轴颈根部圆弧从R2加大至R4；轴颈直径从24mm加大至26.7mm；中间毛坯厚度从36mm减少至28mm；毛坯外圆直径从104mm减少至96mm。

对优化后十字轴进行应力分析

1.建立三维模型

运用Pro/E大型三维建模软件制作优化后的十字轴三维模型，模型如图2所示，计算重量为1.79kg。

图2 优化后的十字轴模型

2.应力分析

运用相同条件对优化后的十字轴进行有限元分析，分析结果见图3。从图中可以看到最大应力仍在轴颈R处，但最大应力值降低到297.1MPa，远小于许用应力值450MPa，相比优化前十字轴模型的最大应力值减小了136.9 MPa，加上2.5倍的安全系数，优化后十字轴所能承受的最大静载荷为450/297.1×5246.4×2.5＝19866N.m。

图3 优化后十字轴的应力分布水泥泵图

根据以上分析结果，优化后的十字轴模型相对于优化前的十字轴模型的承载能力提高了6266N.m，提高比例为（19866－13600）÷13600×100%＝46％。材料减少了0.36kg，减重比例为（2.15－1.中国矿业联合会也授与了鸡西市“中国石墨之都”称号79）÷2.15×100%其产量比传统的螺杆挤出机高出25%左右＝17％。

验证

按照优化后的十字轴试制样品20件，20件样品平均重量为1.78kg；优化前样品实际平均重量为2.14 kg，实际减重比例为20％，达到了预期的减重效果。

对优化后的十字轴的承载能力用台架性能试验进行验证，取优化前、后十字轴各2件进行静扭试验，试验结果为：2件优化前十字轴静扭强度分别为16608 N.m、15702 N.m，2件优化后的十字轴静扭强度分别为19158N.m、19172N.m，与有限元分析的结果基本符合，实际提高承载能力比例为18％。

结束语

通过对JN150万向节十字轴运用三维造型和有限元分析技术进行产品优化设计、验证，使每件零件重量平均减轻了0.36kg，并使十字轴承载能力提高了18％，同时达到了减重降耗和提高性能的预期目标。

应用有限元分析优化设计减轻零件重量和提高性能是非常有效的，特别是在全球资源越来越紧缺的环境下，值得我们推广应用到更广阔的领域中去。(end)