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图1 优化前十字轴的应力分布
万向节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。通过对卡车用JN150万向节十字轴进行有限元分析，观察其应力分析状态，对产品结构进行优化改进，使整个零件基本达到等强度，从而在减轻零件重量，降低原材料消耗的同时提高产品承载能力。
对万向节十字轴结构进行合理的设计一直是一个薄弱环节，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JN150万向节十字轴进行优化设计，达到减重降本的目的。
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。
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。
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。
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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。
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图3 优化后十字轴的应力分布图
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（2.15－1.79）÷2.15×100%＝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。
