汽车传动轴突缘轴颈感应加热温度场数值模拟研究

汽车传动轴突缘轴颈感应加热温度场数值模拟研究李明磊中信戴卡轮毂制造股份有限公司，河北秦皇岛066003摘要建立了某汽车传动轴突缘轴颈感应加热过程的电一磁一热耦合非线性有限元模型，通过数值模拟，给出了加热不同时刻工件内部温度分布。为避免轴颈内孔表面温度过高，采用了对工件内孔进行喷水的强制冷却方式，模拟结果表明，该方法既可满足表面淬火温度，又能有效避免孔壁淬透而导致的突缘内花键变形，对其他薄壁零件的感应淬火热处理工艺研究具有参考价值。关键词传动轴突缘；感应加热；温度场；电一磁一热耦合；非线性有限元方法NUMERICALSIMULATIONRESEARCHONTEMPERATUREFIELDOFAUTOMOBILESHAFTFLANGEDURINGINDUCTIONHEATINGPROCESSLIMINGLEICITICDICASTALWHEELMANUFACTURINGCO，LTD，QINHUANGDAOHEBEI066003，CHINAABSTRACTANELECTROMAGNETICTHERMALCOUPLINGFINITEELEMENTMODELWASSETUPFORINDUCTIONHEATINGPROCESSOFAUTOMOBILESHAFTFLANGEINTHISPAPERFROMTHESIMULATIONRESULTS，THETEMPERATUREDISTRIBUTIONINTHEPARTWASPRESENTEDFORCEDCOOLINGBYWATERSPRAYINGWASADOPTEDTOAVOIDTHEOVERTOPTEMPERATUREINTHEINNERHOLE，ANDTHESIMULATIONRESULTSSHOWTHATITNOTONLYMEETSTHEDEMANDOFQUENCHINGTEMPERATUREINOUTERSURFACE，BUTALSOAVOIDTHEDISTORTIONOFINNERSPLINECAUSEDBYTHROUGHQUENCHINGTHESEANALYSISANDSIMULATIONRESULTSHAVEDIRECTREFERENCEVALUEFORINDUCTIONQUENCHINGTECHNOLOGYFORMULATIONOFTHICKWALLPARTKEYWORDSSHAFTFLANGE；INDUCTIONHEATING；TEMPERATUREFIELD；COUPLEDOFELECTROMAGNETISMTHERMAL；NONLINEARFINITEELEMENTMETHOD0引言传动轴突缘是汽车中常见的动力传递元件，用于传递扭矩，其结构主要由法兰盘和轴颈组成，轴颈内孔加工有花键图1。由于轴颈外表面多装有油封，故要求有一定的耐磨性，需对其表面进行热处理。感应热处理是最经济、最节能、最洁净的热处理方法之一，目前小型的突缘类零件多采用中频同时加热淬火工艺。但由于突缘属于空心薄壁类零件，且轴颈内孔有花键，感应加热时极易引起内孔花键温度过高，从而导致淬火后花键变形。一旦发生变形，必须通过拉削修正，严重时将出现拉不动甚至损坏拉刀或拉断拉刀，影响生产效率和效益。文献1提出在零件定位心轴上开设喷水孔，采用对零件内孔强制连续喷水冷却的方式，以防止孔壁淬透或淬硬层过深而导致花键变形，淬火感应器结构原理如图2所示。图1突缘零件结构示意图201204AUTOMOBI1EPARTS043研究与开震图2突缘淬火感应器原理图然而，在实际生产过程中，感应加热温度场受电源频率、电流和喷水冷却条件等诸多因素的影响。合理制定对提高产品质量和生产效率具有重要意义。随着数值模拟技术的发展，国内外许多学者用有限元方法实现了对感应加热电磁场、温度场及它们之间的耦合计算。文中通过对突缘轴颈表面感应加热过程的有限元模拟，研究零件内壁温度分布规律，为空心薄壁类零件的感应淬火热处理工艺优化提供理论参考。1有限元数学模型感应加热电磁场的控制方程可通过MAXWELL方程描述如下一一和J一，。D0【DEE0E式中日为磁场强度向量，AM；，为传导电流密度向量，AM；，为施加的源电流密度向量，AM；T，为感应涡流密度向量，AM；D为电通密度电位移向量，CM2；T为时间，S；为电场强度向量，VM；B为磁感应强度向量，NAI1；“为磁导率，HM；为电导率，LQITI；S。为绝对介电常数，。88510I1C2NM；S为相对介电常数，无量纲。考虑突缘类零件具有轴对称性，感应器所形成的加热边界条件也是轴对称的，因此，可以利用轴对称性对方程进行简化。得到柱坐标系下轴对称工件电磁场分布的微分方程为F一旦。L一咝21了一IA在柱坐标系下的导热微分方程D2T箬警警OTSDRRARRAA式中为温度，；G为内热源的强度，WM；为热传导系数，WM；P为材料密度，KGM；C为材料比热容，JKGCC；T为时间，S。根据轴对称条件对方程进行化简，并考虑到热导率随温度变化，得到计算轴对称工件温度场分布的导热微分方程为鲁去警譬警C4感应加热过程中，感生涡流作为内热源其强度可由下式计算QPL，L5考虑材料物理参数变化的分析为非线性分析，其热平衡矩阵方程C】，KTQ6式中的比热容矩阵C、热导矩阵K和节点热流率向量Q表示为温度的函数。2突缘轴颈感应加热有限元模型21材料模型突缘工件材料为45钢。由感应加热有限元数学模型可知，模拟计算所需的材料物性参数包括相对磁导率、电阻率、导热系数、比热容等，并且这些参数均与温度有关，各参数随温度变化曲线如图3所示。图3材料物理参数数据曲线研究与开发AUTOMOBI1EPARTS201204044R，、L5214O8205182688图7工件内孔喷水冷却与自然对流时的壁厚方向温度分布对比曲线T25S4结论从以上有限元分析结果可知1当工件内孔与空气自由换热时，感应加热后工件内孔温度超过400，极易造成内花键变形，从而给生产带来不利影响。2采用内孔喷水强制冷却后，在整个加热过程中，工件内孔壁形成一定厚度的“冷壳”，从而避免了内花键受热变形的风险，同时在工件外表面形成24MM深度的淬火温度范围，为获得满意的淬火组织提供了保障。3文中研究方法可用于分析其他筒类零件的感应淬火热处理工艺，还可以进一步考虑材料的热一变形耦合，探讨长轴类零件感应淬火过程的宏观变形问题。【2】秦子然，刘国权，宋月鹏，等45钢零件感应热处理过程温度场的有限元模拟及组织研究J北京科技大学学报，2007，291212281233【3】李桃，倪光正有限元在钢球感应透热处理中的应用J浙江理工大学学报，200535054【4】MATEJK，ANZEZ，DAMIJANM，ETA1NUMERICALANALYSISANDTHEMLOGRAPHICINVESTIGATIONOFINDUCTIONHEATINGJINTERNATIONALJOURNALOFHEATANDMASSTRANSFER，20105335853591【5】盛剑霓电磁场数值分析M北京科学出版社，1984【6】刘高腆温度场的数值模拟M重庆重庆大学出版社，1990【7】孙登月，张远芳，查显文，等液芯大压下轧机轧辊的热力耦合分析及疲劳寿命计算J燕山大学学报，201I14045作者简介李明磊1978一，男，山东茌平人，工学硕士，参考文献工程师，主要从事轿车铝合金车轮及其他铝合金件的研发及设计【1L林信智，杨连第汽车零部件感应热处理工艺与设备M北工作。EMAILLIMIG1IDICASTA1。M。京北京理工大学出版社，1998收稿日期20120216上接第42页表中数据显示，车速在70KMH、80KMH时出现不舒适感觉，这主要是该车悬架为板簧，而且驾驶室采用橡胶悬置的原因，可以通过选用半浮式悬置或者优化橡胶悬置参数和悬置点位置来改善。6结论文中利用ADAMSCAR建立某型轻卡模型，并在四柱试验台上进行了实例仿真。通过分析发现，该车平顺性在较高车速时较差，因为考虑到成本因素，所以可以采取调整橡胶悬置特性参数和优化悬置点位置的方法加以改善。参考文献【1】穆国宝，何凯欣，李家柱汽车行驶平顺性评价方法研究及仿真分析J汽车科技，20121811【2】李忠欣基于虚拟样机的汽车平顺性仿真分析J轻型汽车技术，20117869【3】喻凡，林逸汽车系统动力学M北京机械工业出版社，2005151210【4】王国强，张进平，马若丁虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践M西安西北工业大学出版社，2002183193【5】余志生汽车理论M北京机械工业出版社，2005170206【6】长春汽车研究所GBT49701996汽车平顺性随机输入行驶试验方法S北京中国标准出版社，1996197203【7】荆友录，田庆斌，张明光基于多体系统动力学的