D01:10.13374.isml00103x.2007.2.B3 第29卷第12期 北京科技大学学报 Vol.29 No.12 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 汽车半轴楔横轧机动态特性 束学道1)赵朋2) 1)北京科技大学机械工程学院北京1000832)安秦科技有限公司，北京100081 摘要为了解汽车半轴楔横轧机动态特性.提高设备整体性能和产品精度，应用AN$YS有限元动力学分析模块，得到了汽 车半轴轧机的工作机座和主传动系统的固有频率和振型.并对汽车半轴楔横轧机动态特性进行了详细分析.结果表明，该轧 机的工作机座和主传动系统的动态特性设计可靠. 关键词楔横轧：半轴轧机：汽车半轴；动态特性；有限元法 分类号TG335.19 汽车半轴是汽车传动系统中重要的承载件刂， 1半轴轧机有限元动力学方程 也是汽车上的易损部件之一.近年来随着我国汽车 产业的迅速发展，对半轴的需求量大大增加.目前， 有限元方法求解轧机振动特性，首先要将模型 这些汽车半轴主要以锻造方法生产到，存在生产 离散化，以便进行单元分析.模型在有限单元划分 效率低、耗材多、成本高、噪音大、污染重等缺点，己 后，运动状态中各节点的动力学平衡方程为： 不能很好地适应节约型社会发展的要求，若用多楔 Fi+F+F=P(t) (1) 同步楔横轧成形技术生产汽车半轴，则比锻造法生 式中，F:、F、F和P(t)分别表示惯性力向量、阻尼 产效率提高3~7倍，节材15%~20%，轧制精度 力向量、弹性力向量和动力载荷向量，其值为： 高，机加工工序少，另外还具有清洁生产等优点利. 因此，研究汽车半轴多楔同步楔横轧装备，实现汽车 E=Mò (2) 半轴高效、高精度和节能化生产，具有重大的实际意 F-C7 (3) 义和应用前景. F=K8 (4) 汽车半轴楔横轧机工作机座的垂直振动和主传 动系统的扭转振动，直接影响设备整体性能和产品 其中，6为位移向量.将式(2)~(4)代入式(1)中， 则有 精度.伴随着楔横轧产品尺寸的增大和对精度要求 的提高，对大型楔横轧设备的动态特性要求也越来 Map计Cd计KG-P() (5) 越高.目前对于提高楔横轧产品质量和精度的研 即 究。多集中在静力学分析，而从动力学方面去研究相 对较少一，由于模态分析可以确定设计中的结构 M+C计KG=P(t) (6 式(6)就是半轴轧机的动力学方程9.求解此动力 和其振动特性（固有频率和振型）7，也是瞬态动力 学方程，可得到轧机的固有频率、振型以及相应的动 学分析的基础：因此本文应用ANSYS有限元动力 力响应.用有限元法求解轧机的动力学方程主要 学分析模块，详细分析了汽车半轴楔横轧工作机座 需要解决三个方面的问题，计算轧机的质量矩阵 的固有频率和对应振型，接触条件对其模态的影响 M、阻尼矩阵C和刚度矩阵K.本文采用ANSYS 规律，以及主传动系统的扭转振动模态.研究成果 动力学分析模块进行求解.由于阻尼对模态的影响 为优化楔横轧机设计，提高汽车半轴精度和实现汽 不大故本文把半轴轧机看作无阻尼自由振动系统 车半轴高效化生产提供了参考依据. 2半轴轧机的动态特性 收稿日期：2007-04-10修回日期：2007-0612 基金项目：国家自然科学基金资助项目(Na.50475175,No. 2.1半轴轧机工作机座的动态特性 50435010):模具技术国家重点实验室开放基金资助项目(Na07 06 半轴轧机如图1所示，根据半轴轧机和组成轧 作者简介：束学道(1968一)，男，教授，博士生导师 机的各个零件的结构特点，对其作合理的简化.在汽车半轴楔横轧机动态特性 束学道1) 赵 朋2) 1) 北京科技大学机械工程学院, 北京 100083 2) 安泰科技有限公司, 北京 100081 摘 要 为了解汽车半轴楔横轧机动态特性, 提高设备整体性能和产品精度, 应用 ANSYS 有限元动力学分析模块, 得到了汽 车半轴轧机的工作机座和主传动系统的固有频率和振型, 并对汽车半轴楔横轧机动态特性进行了详细分析.结果表明, 该轧 机的工作机座和主传动系统的动态特性设计可靠. 关键词 楔横轧;半轴轧机;汽车半轴;动态特性;有限元法 分类号 TG335.19 收稿日期:2007-04-10 修回日期:2007-06-12 基金 项目:国家 自然 科学 基金 资助 项目 ( No .50475175, No . 50435010) ;模具技术国家重点实验室开放基金资助项目( No.07- 06) 作者简介:束学道( 1968—) , 男, 教授, 博士生导师 汽车半轴是汽车传动系统中重要的承载件[ 1] , 也是汽车上的易损部件之一.近年来随着我国汽车 产业的迅速发展, 对半轴的需求量大大增加 .目前, 这些汽车半轴主要以锻造方法生产[ 2-3] , 存在生产 效率低、耗材多 、成本高、噪音大、污染重等缺点, 已 不能很好地适应节约型社会发展的要求 .若用多楔 同步楔横轧成形技术生产汽车半轴, 则比锻造法生 产效率提高 3 ～ 7 倍, 节材 15 %～ 20 %, 轧制精度 高, 机加工工序少, 另外还具有清洁生产等优点 [ 4] . 因此, 研究汽车半轴多楔同步楔横轧装备, 实现汽车 半轴高效 、高精度和节能化生产, 具有重大的实际意 义和应用前景. 汽车半轴楔横轧机工作机座的垂直振动和主传 动系统的扭转振动, 直接影响设备整体性能和产品 精度 .伴随着楔横轧产品尺寸的增大和对精度要求 的提高, 对大型楔横轧设备的动态特性要求也越来 越高.目前对于提高楔横轧产品质量和精度的研 究, 多集中在静力学分析, 而从动力学方面去研究相 对较少[ 5-6] .由于模态分析可以确定设计中的结构 和其振动特性( 固有频率和振型) [ 7] , 也是瞬态动力 学分析的基础;因此本文应用 ANSYS 有限元动力 学分析模块, 详细分析了汽车半轴楔横轧工作机座 的固有频率和对应振型, 接触条件对其模态的影响 规律, 以及主传动系统的扭转振动模态.研究成果 为优化楔横轧机设计, 提高汽车半轴精度和实现汽 车半轴高效化生产提供了参考依据 . 1 半轴轧机有限元动力学方程 有限元方法求解轧机振动特性, 首先要将模型 离散化, 以便进行单元分析.模型在有限单元划分 后, 运动状态中各节点的动力学平衡方程为: Fi +Fd +Fs =P( t) ( 1) 式中, Fi 、Fd 、Fs 和 P( t)分别表示惯性力向量、阻尼 力向量 、弹性力向量和动力载荷向量, 其值为: Fi =M 2 t 2 δ ( 2) Fd =C t δ ( 3) Fs =Kδ ( 4) 其中, δ为位移向量 .将式( 2) ～ ( 4) 代入式( 1) 中, 则有 M 2 t 2 δ+C t δ+Kδ=P( t) ( 5) 即 Mδ ·· +Cδ · +Kδ=P ( t) ( 6) 式( 6)就是半轴轧机的动力学方程[ 8] .求解此动力 学方程, 可得到轧机的固有频率 、振型以及相应的动 力响应.用有限元法求解轧机的动力学方程, 主要 需要解决三个方面的问题, 计算轧机的质量矩阵 M 、阻尼矩阵 C 和刚度矩阵 K .本文采用 ANSYS 动力学分析模块进行求解.由于阻尼对模态的影响 不大, 故本文把半轴轧机看作无阻尼自由振动系统. 2 半轴轧机的动态特性 2.1 半轴轧机工作机座的动态特性 半轴轧机如图 1 所示, 根据半轴轧机和组成轧 机的各个零件的结构特点, 对其作合理的简化 .在 第 29 卷 第 12 期 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 No.12 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.12.033