传动轴模态频率仿真与理论研究

传动轴是汽车传动系中传递动力的重要部件，它的作用是与变速箱、驱动桥一起将发动机的动力传递给车轮，使汽车产生驱动力。

传动轴是由轴管、伸缩套和万向节组成。伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输入轴两轴线夹角的变化，并实现两轴的等角速传动。

传动轴是汽车中非常重要的一个部件，其性能有如强度、刚度、模态频率、疲劳、动平衡等。这些性能在实车故障中常常遇到，本期对其中非常重要的一个性能—模态频率进行分析及研究，主要从仿真及理论计算的角度进行探讨。

图1 传动轴组成（来源网络）

1、传动轴按传递扭矩分类：有微型车传动轴、轻型车传动轴、中型车传动轴、重型车传动轴、工程车传动轴等。

2、按角速率分刚性万向节又可分为不等速万向节、准等速万向节和等速万向节。

3、如果按万向节在扭转的方向是否有明显的弹性可分为刚性万向节传动轴和挠性万向节传动轴。

      传动轴建模可采用Ujoint方式、rbe2释放456自由度+mpc模拟、rbe2+cbar模拟等，不管采用哪种方式，一定要准确理解传动轴工作原理以及万向节的传动机理。

      传动轴的一阶弯曲模态计算公式来源不同，其公式形式也不一样。一般有来自国标、企标等。

1、国标公式，通过国标公式计算传动轴临界转速，可得到传动轴一阶弯曲模态频率。

2、某企标公式

其中CS = 临界转速；

L= 传动轴长度 (in)；

O= 轴管外径 (in)；

I= 轴管内径 (in)。

如某传动轴实心结构，整体装配图如下所示。其中D=23.5mm，L=555mm。

图2 传动轴装配模型

1、国标公式计算得到临界转速为9241.5r/min，换算得到传动轴一阶弯曲模态频率约为152.6Hz；

2、某企标公式计算得到临界转速为9155.1r/min，换算得到传动轴一阶弯曲模态频率约为154.0Hz。

表1 传动轴结果列表

图3 传动轴一阶弯曲模态

从传动轴模态频率结果对比中可以看出，理论计算结果和仿真结果较接近，CAE与国标结果相差3.9%，由于CAE模型中考虑万向节叉等质量，模态频率有所下降。

从对比结果中可知，在产品设计前期可通过理论公式进行相关的性能校核，同时可结合理论计算结果，校核仿真结果的可靠性，两者相辅相成。

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