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轮毂电镀10.16638/jki.1671-7988.2018.07.018
利用CATIA 进行十字万向节力矩传递分析
殷腾蛟，甘林
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230022）
摘 要：以十字万向节力矩传递分析为例，利用CATIA 软件的运动分析功能来获取零部件之间的位置关系数据，然后计算出输出力矩，最后使用《汽车底盘设计》的计算结果来检验说明分析方法的可靠性。 关键词：DMU ；CATIA ；十字万向节；力矩分析
中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：1671-7988(2018)07-57-03
Torque transfer analysis of cross universal joint using CATIA
Yin Tengjiao, Gan Lin
( Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd, Anhui Hefei 230022 )
Abstract: This paper introduces the analysis method of universal joint cross torque transmission. The relationship between components can be obtained by motion analysis of CA TIA. Then based on the data, the output torque is calculated. The method 's reliability is tested by results of automobile chassis design. Keywords: DMU; CATIA; Cross Universal Joint; Torque Analysis
CLC NO.: U467  Document Code: B  Article ID: 1671-7988(2018)07-57-03
前言
利用CA TIA 软件的运动分析功能，可以模拟出任意时刻输入轴、输出轴、十字轴的位置关系，利用位置关系数据，可以直接计算出输入轴与输出轴之间的力矩关系。
1 十字万向节力矩传递分析
1.1 任意时刻下力矩分析
1.1.1 十字万向节传动机构
任意时刻时，十字万向节传动机构如下图1所示：
图1  十字万向节传动机构
其中：1、基座；2、输入轴；3、十字轴；4、输出轴。
输入轴与输出轴交点为O 。
1.1.2 输入轴对十字轴作用力分析 输入轴对十字轴受力分析如下图2所示：
图2  输入轴对十字轴受力分析
D 1、D 1’为力的作用点。轴线Z 1与输入轴轴线重合，通过D 1与Z 1做平面P 1，过D 1做3条正交直线F 1、F 2、F 3表
示3个方向的力，F 1与轴线平行，F 3为P 1的法线。D 1上的力未知，可以用F 1、F 2、F 3三个方向的力表示。D 1’按照D 1的方式处理。D 1、D 1’的合力对十字轴产生的力矩如下图3所示：
作者简介：殷腾蛟，就职于江淮汽车集团股份有限公司海外汽车研究所，从事轻型商用车转向系统设计。
汽车实用技术
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图3 D1、D1’的合力对十字轴产生的力矩
T1与轴线Z1平行，T1’为P1的法线方向，T1、T1’垂直。
根据作用力与反作用力的关系，十字轴对输入轴轴线方向的力矩大小同T1，因输入轴力矩平衡，所以T1大小等于输入力矩大小。
即T1=T入（1）
1.1.3 输出轴对十字轴作用力分析
输出轴对十字轴受力分析如下图4所示：
刹车辅助图4 输出轴对十字轴受力分析
汽车万向节
分析方法同输入轴对十字轴的受力分析，其中Z2为输出轴轴线，D2、D2’为输出轴对十字轴力的作用
点，平面P2通过D2、D2’与Z2。D2、D2’的合力对十字轴产生的力矩如下图5所示：
图5 D2、D2’的合力对十字轴产生的力矩
T2与轴线Z2平行，T2’为P2的法线方向，T2、T2’垂直。根据作用力与反作用力的关系，十字轴对输出轴轴线方向的力矩大小同T2，因输出轴力矩平衡，所以T2大小等于输出力矩大小。
即T2=T出（2）
1.1.4 计算T1与T2的关系
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根据以上分析，十字轴受力矩图如下图6所示：
图6 十字轴受力矩图
通过十字轴轴线X1与X2做平面P3，过O点做P3的法线Z3，如下图7所示：
图7 做十字轴平面与法线
通过前面做图方式可知，X1同时与Z3、T1、T1’垂直，X2同时与Z3、T2、T2’垂直，即Z3、T1、T1’共面，Z3、T2、T2’共面。
将T1、T1’向Z3方向求合力矩为T3，如下图8所示，将T2、T2’向Z3方向求合力矩为T3’，如下图9所示：
图8 T1、T1’向Z3方向求合力矩为T3
图9 T2、T2’向Z3方向求合力矩为T3’
T3=T1/COSθ（3）T3’=T2/COSγ（4）因十字轴力矩平衡，所以T3与T3’大小相等。即
T1/COSθ=T2/COSγ（5）根据公式（1）（2）（5）可得
T出=T入*COSγ/COSθ（6）角度θ、γ可通过CA TIA软件运动分析功能计算出来。角度θ即为输入轴节叉相对于十字轴转过的角度，角度γ即为输出轴节叉相对于十字轴转过的角度。
1.2 十字万向节运动过程中的力矩传递分析
因输入轴旋转一周后回到初始状态，所以只需求出输入轴旋转一周过程中的角度θ、γ。具体步骤如下：
图10 初始状态
殷腾蛟 等：利用CATIA 进行十字万向节力矩传递分析
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（1）设置初始状态如下图10所示，输入轴与输出轴夹角a=30°，输入轴与十字轴平面P 3垂直。
（2）设置输入按6°/s 的角速度匀速转动；
（3）打开模拟器，打开传感器，将输入轴与万向节夹角、输出轴与万向节夹角两项设定为能观察到，
如下图11所示：
图11  模拟器选项
（4）运行
（5）运行完成后，点击传感器的图形选项，可以看到角度△θ、△γ的曲线如下图12所示。将结果输出到表格文件中。
θ=△θ+θ0，γ=△γ+γ0，θ0=0°，γ0=30°。
图12  运行结果
（6）设定输入力矩T 入=1，将输出结果带入公式6，计算输出力矩T 出，同时按照《汽车底盘设计》公式。
T 出=T 入*(1-SIN 2a*COS 2φ）/COSa 计算出输出力矩T 出’，然后对比T 出与T 出’，对比结果如下图13所示，两个结果相同，曲线重合。
图13  对比T 出与T 出’
2 结论
cix通过对比，T 出与T 出’相同，说明以上分析方法准确可靠。可以将该分析方法运用到其它结构的受力分析中。
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