王恺

（200093上海市 上海理工大学 机械工程学院）

0 引言

传动轴在重载汽车发生二挡跳挡直接起步情况下，输入端会受到很大的冲击转矩。在这种情况下，右端输出轴花键根部处会产生非常大的应力集中情况，其侧花键率先出现裂纹并且引起传动轴的进一步破坏，破坏具体表现为右侧输出端花键处断裂，断裂贯穿花键和光轴杆部，部分花键齿断落，输入和左侧输出花键无异常（如图1所示），因此，在传动轴设计中，应力分析是重点[1-2]。

图1 主轴失效状态Fig.1 Failure state of spindle

1 传动轴静力学分析

1.1 传动轴有限元模型建立

传动轴所用材料为300M钢，屈服强度为1 540 MPa，传动轴总长1 250 mm，其示意图如图2所示。

图2 传动轴示意图Fig.2 Schematic diagram of transmission shaft

1.2 传动轴网格划分

将传动轴三维模型输入到HyperMesh软件中，在3D模板下选择Tetramesh制定网格规格0.8-10-0.4，然后选择整个模型进行网格绘制。

图3 网格划分图Fig.3 Grid division diagram

1.3 边界条件的施加

（1）通过在传动轴端面建立圆点，分别以输出花键和输入花键的分度圆半径绘制圆，然后将输出花键的圆通过trim命令到左右两侧输出轴，将输入花键的圆trim到中间输入轴；

（2）运用1D-RBE3选择by geometry下面的line命令，选择各个花键的分度圆；

（3）通过创建1D-BAR单元将创建的RBE3单元拟合到中间点，分别在左右两侧输出轴添加SPC约束将其固定，在中间输入轴加载扭矩T=40 000 N·m。

1.4 应力结果分析

因为轴破坏过程已经明确为右侧花键最先出现疲劳损伤，进而造成右侧光轴断裂，所以，我们着重看右侧花键的应力情况。

由图4可以看出，右侧花键根部的最大应力会达到1 417 MPa,非常接近材料的屈服极限；……