汽車萬向傳動裝置設(shè)計及有限元分析

汽車萬向傳動裝置設(shè)計及有限元分析,汽車,萬向,傳動,裝置,設(shè)計,有限元分析 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 設(shè)計(論文) 題目： 汽車萬向傳動裝置設(shè)計及有限元分析 學(xué)生姓名 二級學(xué)院 班 級 提交日期 目錄 目 錄 摘 要 .IV ABSTRACT .V 1 緒 論 1 1.1 課題研究的背景和意義 1 1.2 課題研究的現(xiàn)狀和趨勢 1 1.3 課題研究的方法 2 2 萬向傳動裝置結(jié)構(gòu)方案的確定 .3 2.1 主要參數(shù)的設(shè)置 3 2.2 萬向傳動裝置的選擇和工作原理 3 2.3 傳動軸結(jié)構(gòu)的選擇 3 2.4 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇 4 3 萬向傳動裝置的設(shè)計與計算 .6 3.1 傳動載荷的確定 6 3.2 傳動軸的設(shè)計與計算 7 3.3 萬向節(jié)的設(shè)計與計算 8 3.4 滾針軸承的設(shè)計與計算 9 3.5 花鍵軸的設(shè)計與計算 .10 4 萬向傳動裝置的三維建模 12 4.1 傳動軸的建模 .12 4.2 軸承的建模 .12 4.3 十字軸的建模 .16 4.4 萬向節(jié)叉的建模 .18 4.5 傳動裝置的裝配 .18 5 萬向傳動軸的有限元靜力分析 20 目錄 5.1 建立萬向傳動軸的有限元模型 .20 5.2 萬向傳動軸的扭轉(zhuǎn)剛度分析 .20 6 結(jié)論與展望 27 參考文獻 28 致 謝 .29 摘要 汽車萬向傳動裝置設(shè)計及有限元分析 摘 要 汽車萬向傳動裝置是將驅(qū)動橋和變速器連接起來的重要部分。本設(shè)計主要對十字軸 式萬向傳動裝置進行設(shè)計。首先是對傳動裝置的進行設(shè)計計算，然后以計算校核過的數(shù) 據(jù)作為參考，利用 CATIA 軟件對傳動裝置進行三維建模和裝配。以萬向傳動軸為例，利 用 ANSYS 軟件對其進行扭轉(zhuǎn)剛度的有限元分析，通過分析得出萬向傳動軸的抵抗變形的 能力。通過得到的分析結(jié)果，確定最終萬向傳動裝置的設(shè)計方案。 關(guān)鍵詞：萬向傳動裝置；設(shè)計計算；建模；萬向軸；扭轉(zhuǎn)剛度 Abstract IV The Design of Automotive Universal Transmission Device and Finite Element Analysis Abstract The automobile universal transmission device is an important part which connects the drive axle and the transmission. This design mainly carries on the design to the cross axle type universal transmission device. The first is the design and calculation of the transmission device; and then to calculate the check over the data as a reference , the use of CATIA software for three-dimensional modeling and assembly of the transmission device. Taking the universal drive shaft as an example, the finite element analysis of torsional rigidity of the universal drive shaft is made by using ANSYS software, and the ability to resist deformation is obtained by the analysis. According to the analysis results, the design scheme of the final universal drive device is determined. Key words: Automotive Universal Transmission Device; Design Calculation; 3D Modeling; Cardan shaft; Rigidity 第 1 章 緒論 1 1 緒 論 1.1 課題研究的背景和意義 作為汽車必不可少的一部分，萬向傳動裝置最早出現(xiàn)是在上個世紀(jì)初期?，F(xiàn)在的傳 動裝置已經(jīng)不僅僅應(yīng)用于汽車行業(yè)，在其他行業(yè)也有廣泛的應(yīng)用，比如說船舶制造業(yè)。 萬向傳動裝置的基本作用是為了傳遞運動和動力,通常包括傳動軸、軸承、十字軸、萬向 節(jié)等。在實際生活中有些車比較大，車內(nèi)的軸距會很長，所以為了避免這種類型的汽車 在行駛過程中出現(xiàn)異狀，傳動軸就需要進行合理的分段設(shè)計。傳動軸在汽車中的應(yīng)用非 常廣泛，所以它的制造就要很簡便并且軸要有足夠的使用壽命?？墒侨f向傳動軸傳統(tǒng)的 設(shè)計方式有著很明顯的缺點，它的計算過程太過于繁雜，計算花費的時間太長而且可靠 性還不高。在這樣的情形之下，我們需要一種簡單、完善、高效的分析方式。而分析軟 件 ANSYS 就能很好的滿足這些需求，設(shè)計者可以通過它對各種類型的結(jié)構(gòu)進行各種分析， 比如說對工程結(jié)構(gòu)進行靜力學(xué)分析。ANSYS 的廣泛使用降低了各類零件產(chǎn)品開發(fā)所需的 時間，更加便捷的設(shè)計制造也就意味著更低的成本，這樣對產(chǎn)品多型號、多種類的開發(fā) 便更加有利。 1.2 課題研究的現(xiàn)狀和趨勢 萬向傳動裝置最早出現(xiàn)是在 780 多年前，當(dāng)時是被用在教堂的時鐘里。300 多年后， 人們設(shè)計出了虎克式萬向節(jié)，又稱十字軸萬向節(jié)。在 20 年后年雙聯(lián)虎克式萬向節(jié)又成功 問世，它的問世解決了單個十字軸最大的缺點，就是它的不等速性。各式各樣萬向節(jié)的 問世解決了實際情況中的很多問題，所以它被廣泛地應(yīng)用于各種行業(yè)，對許多行業(yè)都有 著極其深的影響。當(dāng)前情況下萬向節(jié)分為兩種，分別是撓性萬向節(jié)和剛性萬向節(jié)，其中 剛性萬向節(jié)是依靠鉸接來傳遞動力，它還可以分為準(zhǔn)等速萬向節(jié)、等速萬向節(jié)與不等速 萬向節(jié)；而撓性萬向節(jié)是依靠彈性來傳遞動力，所以它具有明顯的緩沖功用。 上個世紀(jì)中期傳動軸每年的生產(chǎn)量就達到了萬件以上；在往后的三四十年里，汽車 行業(yè)快速發(fā)展，每年生產(chǎn)的傳動軸總量都是數(shù)以億計，這其中等速萬向節(jié)傳動軸生產(chǎn)量 最高。因為傳動軸產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，國內(nèi)的制造商也如雨后春筍般迅速涌現(xiàn)。在近幾年 我國傳動軸的銷售總值已經(jīng)突破百億。雖然在生產(chǎn)的數(shù)量上日益增高，甚至一度超過國 外，但是在軸的質(zhì)量上還存在著不少差距。國內(nèi)沒有制定軸部件制造的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并且 廠家在制造的過程中也比較隨意，但是國外的商家對軸部件制造制定的標(biāo)準(zhǔn)高達百項， 這么多的行業(yè)規(guī)范就能避免傳動軸制造過程中會出現(xiàn)的問題，所以對國內(nèi)的廠家來說還 有比較長的路要走。 當(dāng)前計算機輔助工程隨著計算機技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)應(yīng)用于跟多領(lǐng)域。這其中就包括設(shè) 計中所用到的建模軟件 CATIA 和分析軟件 ANSYS。 第 1 章 緒論 2 CATIA 是法國一家公司開發(fā)出來的產(chǎn)品。它的功能十分強大，國內(nèi)外的很多公司都 用這款軟件來進行自身產(chǎn)品的設(shè)計。當(dāng)然這款軟件并不僅僅只是只能進行三維建模，它 還能完成軟件建模之前和之后的許多過程。從上個世紀(jì)末開始，它就成為市場上同行業(yè) 軟件中的翹楚。目前，它的全面和快捷讓它成為了設(shè)計使用中的主流產(chǎn)品。 CATIA 最初的研發(fā)是得益于航空領(lǐng)域，隨著時間的推移，產(chǎn)品也在日益完善，現(xiàn)在 的它早已應(yīng)用于多個領(lǐng)域，比如 3D 設(shè)計建筑、汽車、電力與電子等。而在汽車行業(yè)里， CATIA 已經(jīng)是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它的客戶商已經(jīng)包含世界上絕大多數(shù)的汽車商家，比如說大眾、 寶馬、現(xiàn)代、福特等。 在本文中我們只需要用到 CATIA 的機械設(shè)計模塊功能，其中這里面包括繪制二維草 圖、三維建模和裝配。 而 ANSYS 軟件是一種被用來進行軟件有限元分析的軟件，它能夠和多數(shù)計算機輔助 設(shè)計軟件接口相連以此來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和共享。ANSYS 操作簡單并且用處廣泛，是國 際上最流行的有限元分析軟件。 ANSYS 主要是分為 3 個模塊。 第一個模塊是指創(chuàng)建有限元模型和網(wǎng)格劃分技術(shù)，顧名思義就是創(chuàng)建或?qū)胍粋€模 型然后將它進行網(wǎng)格劃分。 第二個模塊是指施加載荷和求解過程。 第三個模塊是指結(jié)果和后處理過程，在這個過程中不僅僅就靠電腦計算出結(jié)果，還 可以把得出的結(jié)果用其它更加直觀的方式表達出來，比如表格。 萬向傳動裝置的發(fā)展趨勢： 1) 計算設(shè)計更加的信息化和數(shù)字化。 2) 標(biāo)準(zhǔn)化的程度會不斷地提高。 3) 精密程度越來越高、壽命越來越長、效率越來越高。 4) 在其他某些特殊的方面會得到更多的應(yīng)用。 5) 多種空腔、多種成型方法、多種材質(zhì)一體化。 6）新材料更多的應(yīng)用將會衍生出更完善的制造方法。 1.3 課題研究的方法 查閱相關(guān)資料，要對傳動系統(tǒng)有足夠的了解，比如說它的結(jié)構(gòu)和原理等；再者對設(shè) 計中要用到的建模軟件 CATIA 和分析軟件 ANSYS 要充分了解，最后要能夠?qū)⒆约旱乃?學(xué)和機械設(shè)計、汽車設(shè)計等知識相結(jié)合并且能夠熟練運用它們。 對傳動裝置的設(shè)計進行計算并檢驗，計算完成之后用 CATIA 軟件進行三維建模和裝 配。 利用有限元分析軟件 ANSYS 對萬向傳動軸進行扭轉(zhuǎn)剛度分析，以得出的數(shù)據(jù)分析軸 的變形是否在可接受范圍之內(nèi)。 第 1 章 緒論 3 第 2 章 萬向傳動裝置結(jié)構(gòu)方案的確定 4 2 萬向傳動裝置結(jié)構(gòu)方案的確定 2.1 主要參數(shù)的設(shè)置 表 2.1 以哈佛 H9 數(shù)據(jù)為參考設(shè)計的參數(shù) 2.2 萬向傳動裝置的選擇和工作原理 萬向傳動裝置分為開式和閉式兩種，本設(shè)計采用的是開式萬向傳動裝置。它通常由 傳動軸、萬向節(jié)、軸承、十字軸等組成，它是用來在工作過程中相對位置不斷改變的兩 根軸間傳遞動力的裝置。它的工作原理是：連接不在同一直線上的變速器輸出軸和主減 速器輸入軸，并保證在兩軸之間的夾角和距離經(jīng)常變化的情況下仍能可靠地傳遞運動和 動力。 2.3 傳動軸結(jié)構(gòu)的選擇 在汽車萬向傳動系統(tǒng)中，常會選用很多種不同的布置方案，那是因為考慮到實際情 況對動力傳遞產(chǎn)生的影響。比如說驅(qū)動橋和變速器的間距比較小的時候，這個時候為了 消除他們之間的相對運動帶來的不利影響，通常就會在傳動軸中加一個滑動花鍵，它可 以讓傳動軸適合的調(diào)整自己的長度。有些車在實際的行駛過程中經(jīng)常會出現(xiàn)分動器的位 置比較高或是輸出軸線和傳動軸軸線之間的夾角比較大等情況。在遇到這種問題的時候， 大多數(shù)的會用萬向節(jié)來解決，但是萬向節(jié)的轉(zhuǎn)動角度也不會太大，一般就在 以下。?3 近幾年使用最多的傳動軸應(yīng)該就是十字軸剛性萬向節(jié)傳動軸。在進行整車設(shè)計的時 候，通過傳動軸的跳動校核來確定軸的萬向節(jié)轉(zhuǎn)角和滑動花鍵副的伸縮量，這樣的布置 能夠讓它們更好地適應(yīng)易傳動軸長度的變化。在進行傳動軸管的選取的時候，一般情況 下空心軸管更具有優(yōu)勢，因為空心軸管的臨界轉(zhuǎn)速比實心軸管更高。在汽車的實際行駛 過程中車架會不停變化，這種情況下就會出現(xiàn)驅(qū)動橋和分速器位置的變化，所以在設(shè)計 過程中就要采用由空心軸制成的可伸縮萬向傳動軸。 綜合以上所說，可以確定傳動軸的選用：傳動軸的軸管要是空心軸，因為空心軸有 比較高的臨界速度。并且軸管要是可伸縮的，這樣就可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整長度，讓它 更能夠更好地適應(yīng)間距的變化。這樣的傳動軸成本低，制造簡單，壽命也比較高。如圖 2.1 第 2 章 萬向傳動裝置結(jié)構(gòu)方案的確定 5 所示。 圖 2.1 帶伸縮花鍵的萬向傳動裝置圖 1-蓋子，2-蓋板，3-蓋墊，4-萬向節(jié)叉，5-加油嘴，6-伸縮套， 7-滑動花鍵槽，8-油封，9-油箱蓋，10-傳動軸管 2.4 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)的選擇 一般情況下萬向節(jié)分為以下幾種： 等角速度萬向節(jié)（等速萬向節(jié)）：主動軸和從動軸的角速度周期相等； 不等角速度萬向節(jié)（不等速萬向節(jié)）：主動軸和從動軸的角速度周期相等； 準(zhǔn)角速度萬向節(jié)（近似的等速萬向節(jié)）：可以用一些部件來實現(xiàn)兩軸之間的近似于 等速度的轉(zhuǎn)動。 若是本設(shè)計采用普通的十字軸萬向節(jié)，那么它的缺點顯而易見，就是主從動軸的角 速度周期性不等。我們可以使用雙十字軸萬向節(jié)來避免這一問題。 采用雙十字軸可以解決周期性不等的問題，但還要確定使用哪一型號的萬向節(jié)。考 慮到本設(shè)計軸之間的夾角不是很大，所以可以使用十字軸式剛性萬向節(jié)，如圖 2.2，從圖 中我們可以看到兩個萬向節(jié)叉套在十字軸的軸頸上。從動軸可以隨著主動軸的受力轉(zhuǎn)動 而轉(zhuǎn)動，它還能跟著十字軸的變化在任意方向上擺動。十字軸與萬向節(jié)叉之間還裝有滾 針軸承，滾針軸承是由滾針和套筒組成，這樣的組合能減小摩擦損耗從而提高它自身的 傳動效率。軸承與萬向節(jié)叉之間還有一個固定他們的卡環(huán)，作用是為了防止在轉(zhuǎn)動的過 程中脫落。這樣的結(jié)構(gòu)傳動效率會很高、零件比較少從而質(zhì)量也就會比較輕。 將十字軸是制成中空樣式的，這樣內(nèi)部的清洗和軸承的潤滑就會比較方便，潤滑油 可以由油嘴處出注入。這個結(jié)構(gòu)的十字軸還有著一個毛氈油封，這個小部件是為了避免 灰塵飛進去或是潤滑油從里面飛濺出來。 萬向節(jié)在工作的時候要受很大的力，所以加載在它身上的載荷和扭矩就會非常大。 這樣就經(jīng)常會出現(xiàn)十字軸軸頸和滾針軸承的磨損的情況。通常認為當(dāng)部件的磨損超過 0.25mm 時，為了保護其他的零件就必須要去換掉它。所以為了能讓部件的使用壽命足夠 的長，人們研究出了各種方案，這其中就包括有組合式潤滑密封裝置。萬向節(jié)采用了橡 第 2 章 萬向傳動裝置結(jié)構(gòu)方案的確定 6 膠制成的密封圈，這種部件可以大大地減低連接之中的縫隙，增強密封性能。這種萬向 節(jié)在正常工作的時候，會出現(xiàn)軸腔內(nèi)的實際油壓比較大超出它的許用值的時候，但是它 卻不需要安裝其他的零部件，因為超出的油會從軸頸自動流出，如圖 2.2 所示。 圖 2.2 十字軸式萬向節(jié) 1-軸承蓋，2-萬向節(jié)叉，3-油嘴，4-十字軸，5-安全閥， 6-萬向節(jié)，7-油封，8-滾針，9-套筒 根據(jù)以上所述再結(jié)合本設(shè)計課題，選十字軸式剛性萬向節(jié)制作簡易、成本低廉、效 率還很高，這個萬向節(jié)的選取是符合設(shè)計要求的。 第 3 章 萬向傳動裝置的設(shè)計與計算 7 3 萬向傳動裝置的設(shè)計與計算 3.1 傳動載荷的確定 萬向傳動裝置布置的不同，最后的載荷計算和選取也不同。本設(shè)計的過程中不考慮 變矩器的變扭比，計算如下： 3.1.1 按發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩和一檔傳動比算 （3- 1） 其中： ：表示發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩， N M；maxeT324max?eT? ：表示發(fā)動機到萬向傳動軸的傳動效率， ；? 96.0? ：表示檔位為 1 檔時的傳動比， ；1i .1i ：表示變矩器的變矩系數(shù)， ；k 9k ：表示驅(qū)動橋數(shù)目， ；n?n ：表示離合器猛接時的動載系數(shù)， 。d ?d 計算得： MNniTkedse ????253196.032.41max? 3.2.2 按驅(qū)動輪打滑計算 （3- 2） 其中： ：表示加速度最大時后軸的轉(zhuǎn)移系數(shù)， ；2m? 82.0m?’ ：表示汽車輪胎的滾動半徑，從它的規(guī)格我們得到 mm；r 3r ： 表示輪胎的附著系數(shù)， ；?1?? ：表示減速器齒輪的傳動比， ；oi 7.3io ：表示車輪到減速器齒輪的傳動比， m 1im ：表示車輪到減速器齒輪的傳動效率， ； ? 96.0n? G2：表示車身滿載時驅(qū)動橋上的靜載荷， N。52G 計算得： 第 3 章 萬向傳動裝置的設(shè)計與計算 8 MNirmGTs ????15906.017,8250 '2?? 計算時應(yīng)取載荷較小的值 ，所以 N MT? 3.2 傳動軸的設(shè)計與計算 3.2.1 傳動軸的選擇 我們以它的設(shè)計要求為標(biāo)準(zhǔn)初選的軸的外徑和內(nèi)徑如下表。 表 3.1 傳動軸內(nèi)外徑的選擇 3.2.2 軸的計算與校驗 在軸的長度已經(jīng)確定下來的時候，軸的斷面尺寸應(yīng)能夠保證它有足夠高的強度和臨 界轉(zhuǎn)速。傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速 的計算公式： ???? （3-3 ） 其中： ：表示軸的內(nèi)圈直徑， ；cdm54?cd ：表示軸的外圈直徑， ；D8D ：表示軸的長度， 。cL0cL 計算得： rp93.127854102.2????kn 為傳動軸最高轉(zhuǎn)速，本設(shè)計中 ，安全系數(shù) K 一般取在 1.2 到 2.0max m0maxn 之間， 安全系數(shù)的計算公式 ，所以在合理范圍之內(nèi)。5.Kk 強度的驗核公式： （3- 4） 其中： T1：根據(jù)上面載荷計算而來的最大轉(zhuǎn)矩， N M；??253,max1??SseT? 和 分別表示軸的內(nèi)外徑。cDd 計算得： 第 3 章 萬向傳動裝置的設(shè)計與計算 9 ?? ??a3018.26548016)(4 MPPadDT ccc ???????? ???? 剛度的校驗公式： （3-?????? zipimIlTLG14/073.? 5） G：表示為軸材料的剪切彈性模量， MPa；40.8? 分別表示階梯軸上所受扭矩、長度和極慣性矩。piiIlT、、 計算得： ??? ??????zipi mIlTL1 44 /162.03295.180573073.5?? 根據(jù)計算結(jié)果可知 ，所以軸的剛度是符合要求的。???? 軸的扭轉(zhuǎn)強度小于許用剪切應(yīng)力，再結(jié)合它的臨界轉(zhuǎn)速要求，最終可以說該軸的設(shè) 計滿足要求。 3.3 萬向節(jié)的設(shè)計與計算 3.3.1 萬向節(jié)的選擇 本設(shè)計選擇的是十字軸式萬向節(jié)，而萬向節(jié)大小和尺寸的初選如下： 表 3.2 尺寸初選 3.3.2 萬向節(jié)的計算和校核 （3- 6） 其中： ：表示傳動的夾角的最大值，取 ，即 ，那么 ；??8???9.08cos?? ：表示十字軸的中心到總作用力作用線的間距，選擇 mm；r 3r 計算得： N????6.21.03.2/1590cos2/1 ???RTF 在進行校核的時候十字軸根部的彎曲應(yīng)力和切應(yīng)力應(yīng)該分別滿足公式： 第 3 章 萬向傳動裝置的設(shè)計與計算 10 （3-??wwdFs??????)(241 7） （3-??21)??（ 8） 其中： ：表示為軸頸的直徑，由上圖知 d1=22mm ；1d ：表示油道的直徑，由上圖知 mm ；2 32? ： 表示合力的作用線和根部之間的間距 mm；s 14s ：表示彎曲的許用應(yīng)力值，一般取在 250 到 350 之間；??w? ：表示為 切應(yīng)力 τ的許用值，一般在 80 到 120 之間。? 計算得： ??????a350~204.2833216.0.32441 MPMPadFs ww ????????? ?????Pa~.5.1221 ??? 通過計算結(jié)果我們可以看到彎曲應(yīng)力和切應(yīng)力都是滿足要求的，所以十字軸式萬向 節(jié)的設(shè)計是合理的。 3.4 滾針軸承的設(shè)計與計算 3.4.1 滾針軸承的選擇 由傳動軸的已知參數(shù)再結(jié)合十字軸的尺寸大小，初步選定滾針軸承的個數(shù)、尺寸如 下。 表 3.3 軸承的初選 3.4.2 滾針軸承的計算與校核 在合力作用下的滾針軸承受到的最大的載荷計算公式： （3- 9） 其中： ：表示每列滾針的個數(shù)，由上圖知 ；Z28?Z 第 3 章 萬向傳動裝置的設(shè)計與計算 11 ：表示滾針的列數(shù)，由上圖知 ；i 1?i 計算得： N 8.3470281646.??iZFn 接觸應(yīng)力的判斷公式為： （3- 10） 其中： ：表示滾針的直徑， mm；0d3d0? ：表示滾針的長度， mm；bL15bL 計算得： MPa??320~a46.258.47327127 ??????????????????? jnj MPlFd ?? 滾針的材料采用軸承鋼，滾針和十字軸軸頸表面硬度在58HRC以上時，許用接觸應(yīng) 力 為3000~3200MPa, 所以說滾針軸承的設(shè)計是滿足條件的。j????? 3.5 花鍵軸的設(shè)計與計算 3.5.1 花鍵軸的選擇 花鍵軸的添加是為了改變傳動軸的長度，它的一端是直接與軸固定在一起的，另一 端是可以滑動的，花鍵軸的尺寸是按照推薦表和國家標(biāo)準(zhǔn)進行初選，如下表： 表 3.4 花鍵軸的選擇 3.5.2 花鍵軸的計算與校核 花鍵軸的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計算公式為： （3- 11） 其中： ：表示花鍵的內(nèi)輪廓直徑， mm。hd30?hd 計算得： MPaPa2903.156??????h 第 3 章 萬向傳動裝置的設(shè)計與計算 12 從計算結(jié)果可以看到滿足設(shè)計設(shè)計要求。 花鍵齒許用應(yīng)力的計算公式為： （3- 12） 其中： ：表示花鍵的內(nèi)輪廓直徑， mm；hd30?hd ：表示花鍵的外輪廓直徑， mm；D5D ：表示花鍵的有效長度， mm；hL14hL ：表示花鍵的總齒數(shù)， ；0n60n ：表示花鍵轉(zhuǎn)矩分布的系數(shù)， 。K? .'?K 計算得： MPa46.21.023-5.043.5.0419????? 材料的許用擠壓應(yīng)力為 ，而 ,花鍵的設(shè)置是滿足條件的。??a~Py????y?＜ 第 4 章 萬向傳動裝置的三維建模 13 4 萬向傳動裝置的三維建模 4.1 傳動軸的建模 1）先打開繪圖軟件，在菜單欄里找到零件設(shè)計模塊，單擊進入設(shè)計界面。 2）在工具欄中找到旋轉(zhuǎn)按鈕并點擊，在彈出的彈框中單擊按鈕選擇草繪平面，選擇 完之后就會直接進入草繪界面；這個時候就直接根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)把草圖畫出來。 3）在草圖完成之后單擊退出工作臺的命令按鈕，根據(jù)對話框的提示把軸線給選擇好 然后點擊“確定” ，傳動軸的模型圖就完成了，如圖 4.1 所示。 圖 4.1 傳動軸的三維圖 4.2 軸承的建模 4.2.1 滾針的建模 1）打開繪圖軟件，在菜單欄里找到的零件設(shè)計模塊，單擊進入設(shè)計界面。在進入設(shè) 計界面的時候?qū)ξ募M行重命名，然后再選擇定義凸臺，在彈出的彈框中單擊選擇草繪 平面：進入草繪平面后作一個圓，如圖 4.2 所示。 圖 4.2 滾針 第 4 章 萬向傳動裝置的三維建模 14 2）完成草繪之后退出工作臺，輸入滾針長度后點擊確定生滾針的模型圖。 圖 4.3 滾針 4.2.2 軸承保持架的建模 1）打開繪圖軟件，在菜單欄里找到的零件設(shè)計模塊，單擊進入設(shè)計界面。在進入設(shè) 計界面的時候?qū)ξ募M行重命名，完成之后就能是零件設(shè)計界面了。 2）在工具欄里找到打拉伸選項并點擊，然后在彈出的對話框的提示下選擇一個草繪 平面進行畫圖，在草繪平面里畫兩個圓，直徑分別為 27mm 和 29mm，如圖 4.4 所示。 圖 4.4 套筒草圖 3）在草圖完成之后單擊退出工作臺的命令按鈕，在跳出的對話框中輸入拉伸長度， 確定之后薄壁套筒三維模型就建成了，如圖 4.5 所示。 第 4 章 萬向傳動裝置的三維建模 15 圖 4.5 套筒 4）在工具欄中找到定義凹槽的按鈕并點擊，在彈出的定義對話框中選取草繪平面， 在圓壁上繪制一個矩形；完成后點擊退出工作臺的命令按鈕，退出后再選擇一個限制曲 面，確定之后凹槽就繪制完成了，如圖 4.6 所示。 圖 4.6 保持架的凹槽 5）在插入工具欄中找到圓形陣列并點擊，在彈出的對話框中輸入所需數(shù)據(jù)，實例的 值 28，角度間距的值 12.857，如圖 4.7 所示。 第 4 章 萬向傳動裝置的三維建模 16 圖 4.7 軸承保持架的三維圖 4.2.3 軸承內(nèi)圈的建模 1）打開繪圖軟件，在菜單欄里找到的“零件設(shè)計”模塊，單擊進入設(shè)計界面。在進 入設(shè)計界面的時候?qū)ξ募M行重命名，之后就進入零件設(shè)計界面了。 2）在工具欄里找到拉伸選項并點擊，然后在彈出的對話框的提示下選擇一個草繪平 面進行畫圖，在草繪平面里畫兩個同心圓，直徑分別為 27mm 和 22mm。在草圖完成之后 單擊退出工作臺的命令按鈕，在跳出的對話框中輸入拉伸長度，點擊確定之后軸承內(nèi)圈 的建模就完成了，如圖 4.8 所示。 圖 4.8 內(nèi)圈 4.2.4 軸承外圈的建模 1）打開繪圖軟件，在菜單欄里找到的零件設(shè)計模塊，單擊進入設(shè)計界面。在進入設(shè) 計界面的時候?qū)ξ募M行重命名，之后就進入零件設(shè)計界面了。 2）在工具欄里找到拉伸選項并點擊，然后在彈出的對話框的提示下選擇一個草繪平 面進行畫圖，在草繪平面里畫兩個同心圓，直徑分別為 30mm 和 33mm。在草圖完成之后 單擊退出工作臺的命令按鈕，在跳出的對話框中輸入拉伸長度，點擊確定之后軸承外圈 第 4 章 萬向傳動裝置的三維建模 17 的建模就完成了，如圖 4.9 所示 圖 4.9 外圈 3）單擊工具欄中的旋轉(zhuǎn)體按鈕，在彈出的對話框中點擊草圖按鈕，選擇軸線所在的 平面進入草圖繪制平臺。然后繪制所要開槽的輪廓線和旋轉(zhuǎn)軸，退出草圖繪制平臺，最 后點擊確定按鈕，旋轉(zhuǎn)開槽創(chuàng)建完成，如圖 4.10 所示。 圖 4.10 旋轉(zhuǎn)槽 4.3 十字軸的建模 1）打開繪圖軟件，在菜單欄里找到的“零件設(shè)計”模塊，單擊進入設(shè)計界面。在進 入設(shè)計界面的時候?qū)ξ募M行重命名，完成后就進入零件設(shè)計界面了。 2）在工具欄里找到拉伸選項并點擊，然后在彈出的對話框的提示下選擇一個草繪平 面進行畫圖，在草繪界面畫一個 36mm×36mm 的矩形，草圖完成之后單擊退出工作臺的 命令按鈕，在跳出的對話框中輸入拉伸長度，確定之后如圖 4.11 所示。 第 4 章 萬向傳動裝置的三維建模 18 圖 4.11 凸臺 3）按照數(shù)據(jù)在長方體上再繪制出兩個凸臺，如圖 4.12 所示。 圖 4.12 凸臺 4）對兩個圓柱體凸臺進行陣列操作，完成之后再進行開油孔、油槽等，如圖 4.13 所示。 圖 4.13 十字軸萬向節(jié) 第 4 章 萬向傳動裝置的三維建模 19 4.4 萬向節(jié)叉的建模 1）打開繪圖軟件，在菜單欄里找到的“零件設(shè)計”模塊，單擊進入設(shè)計界面。在進 入設(shè)計界面的時候?qū)ξ募M行重命名，完成后就進入零件設(shè)計界面了。 2）在工具欄里找到拉伸選項并點擊，然后在彈出的對話框的提示下選擇一個草繪平 面進行畫圖，在草繪界面依數(shù)據(jù)畫圓，草圖完成之后單擊退出工作臺的命令按鈕，在跳 出的對話框中輸入拉伸長度，單擊確定，將此步驟重復(fù) 3 次得到如下圖的基礎(chǔ)凸臺，圖 4.14 所示。 圖 4.14 凸臺 3）先對最下面的圓柱體進行定義凹槽，完成之后進行陣列，對最上面的凸臺多次進 行定義凹槽，操作結(jié)束之后萬向節(jié)叉就完成了。如圖 4.15 所示。 圖 4.15 萬向節(jié)叉 4.5 傳動裝置的裝配 1）先打開繪圖軟件，在菜單欄里找到裝配設(shè)計模塊，修改文件名為“zhuang pei tu” ， 確定之后進入界面。 2）先點擊按鈕添加部件，第一個部件是傳動軸，添加完成之后對其進行約束。 第 4 章 萬向傳動裝置的三維建模 20 3）繼續(xù)點擊按鈕添加部件，第二個部件是十字軸，對兩個部件進行相合、約束等。 4）繼續(xù)點擊按鈕進行添加部件，再相添加約束，重復(fù)以上操作。 5）最后將裝配好的軸承添加進去， 裝配總圖就完成了，圖 4.16 所示。 圖 4.16 裝配總圖 第 5 章 萬向傳動軸的有限元靜力分析 21 5 萬向傳動軸的有限元靜力分析 5.1 建立萬向傳動軸的有限元模型 因為 ANSYS 軟件能夠直接導(dǎo)入 CATIA 軟件所畫的圖，所以就不需要用 ANSTS 再 進行模型的建立，直接導(dǎo)入就好了。 5.1.1 導(dǎo)入過程 1）打開 ANSYS 軟件，按順序點擊 FileImportCATIA，然后選擇已有的傳動軸的 CATIA 模型（ CATIA 模型用 model 格式保存） ； 2）文件導(dǎo)入后所顯示出來的全部是線條，要將它轉(zhuǎn)換成實體模型，路徑為 PlotCtrlsStyleSolid Model Facets，將彈出的對話框中的 wireframe 改為 Normal Faceting，這樣就會轉(zhuǎn)換出實體模型，如圖 5.1 所示。 圖 5.1 傳動軸實體 5.2 萬向傳動軸的扭轉(zhuǎn)剛度分析 5.2.1 單元類型的定義 在傳動軸的實體模型顯示出來后就要對單元類型進行定義，路徑為 Main Menu Preprocessor Element TypeAdd/Edit/Delete，在顯示出來的 Element Types 對話框中單擊 Add 并進行如下的設(shè)置： 在左側(cè)的選擇框中選擇 Structural solid； 在右側(cè)的選項框中選擇 8 node 185。 最后在下面的 Element type reference number 空格中輸入 1。 完成之后點擊 Close 關(guān)閉對話框，如圖 5.2 所示。 第 5 章 萬向傳動軸的有限元靜力分析 22 圖 5.2 定義單元類型 5.2.2 材料屬性的定義 單元類型選擇結(jié)束后還要定義材料屬性，路徑是 Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models,隨后在彈出 Define Material Model Behavior 的對話框的右側(cè) Material Models Available 選項框中依次選擇 StructurallinearElasticIsotropic,最后在 linear Isotropic Properties for Material 對話框中進行材料屬性的設(shè)置： 在上面的 EX 項中輸入彈性模量 2.08E11 在下面的 PRXY 項中輸入泊松比 0.3。 隨后點擊 OK 就會返回到 Define Material Model Behavior 對話框，在該對話框的菜單 欄中依次點擊 MaterialExit 就會退出此過程，如圖 5.3、5.4 所示。 圖 5.3 材料屬性定義 第 5 章 萬向傳動軸的有限元靜力分析 23 圖 5.4 屬性設(shè)置 5.2.3 劃分有限元網(wǎng)格模型 選擇菜單欄中的 Preprocessor，隨后依次點擊 Meshing 和 Mesh Tool，在跳出的對話 框中進行網(wǎng)格化的設(shè)置，將 Smart Size 選中然后將滾動條拖到最小，然后選中 Free 表示 是自由網(wǎng)格，完成設(shè)置后就點擊 Mesh，在隨后彈出的對話框中點擊 Pick All 按鈕并選中 傳動軸實體，這樣就完成了使用網(wǎng)格劃分工具 Mesh Tool 對傳動軸換分有限元網(wǎng)格模型。 網(wǎng)格選用的是 SOLID185 實體單元，單元由 8 節(jié)點組成。如圖 5.5 所示。 圖 5.5 傳動軸的網(wǎng)格劃分 5.2.4 施加載荷并執(zhí)行求解 在施加載荷和分析的時候第一步就是選擇分析類型，在菜單欄下的路徑依次選擇 Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Analysis，在隨后跳出的對話框中選中 Static，隨 后點擊 OK 就可以了，如圖 5.6 所示。 第 5 章 萬向傳動軸的有限元靜力分析 24 圖 5.6 選擇靜態(tài)分析 在設(shè)置完分型類型之后就要來做設(shè)計時間，在分析過程中它是計算的跟蹤參數(shù)，這 也是必不可少的設(shè)置。設(shè)置途徑 Main MenuSolutionAnalysis TypeSol’n Control,在跳出 的對話框中選擇 Basic，然后將 Time at end of load step 的屬性值設(shè)置為 1，意思就是總時 間為 1 秒。將 Time step size 的屬性值設(shè)置為 0.2，意思就是時間增量為 0.2。最后將 Frequency 設(shè)置為 Write every Nth sub step,意思就是所有的結(jié)果都輸出文件，然后點擊 OK 就完成了設(shè)置，如圖 5.7 所示。 圖 5.7 時間設(shè)置 在設(shè)置完時間之后，就要設(shè)置約束和扭矩的施加，對最左側(cè)的面施加一個約束，在 右側(cè)的花鍵軸上施加一個大小為 1590 的扭矩，施加約束的途徑是 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralDisplacementOn Areas，在跳出的選項框 中點擊 pick 然后拾取左側(cè)的面，然后在 Apply U,ROT on Areas 選項框中選擇 All DOF,其 他的選項都設(shè)置成默認值，完成了約束的設(shè)置之后要施加扭矩，路徑依次選擇 Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralForce/MomentOn Nodes,在彈出對話框中 點擊 pick，選中建立在軸外的那個點，選取完成后點擊 Apply 在彈出的對話框中進行扭矩 第 5 章 萬向傳動軸的有限元靜力分析 25 的施加，將 VALUE Force/moment value 的屬性設(shè)置為 1590N M，即扭矩的大小為 1590N? M,其它不變，設(shè)置完之后點擊 OK，如圖 5.8、5.9 所示。? 圖 5.8 約束施加 圖 5.9 扭矩施加 5.2.5 結(jié)果和后處理過程 載荷施加完成之后就要進行求解，過程為 Main MenuSolutionSolveCurrent LS,這 時會彈出一個為 Solve Current Load Step 的對話框和 STAT Command 窗口。當(dāng) STAT Command 窗口中的顯示沒有錯誤的時候，就將它關(guān)閉，然后點擊 Solve Current Load Step 對話框中的 OK 開始求解。求解完成時，會有對話框彈出來，上面顯示 “Solution is done!”,這就是已經(jīng)成功完成了分析，如圖 5.10、5.11 所示。 第 5 章 萬向傳動軸的有限元靜力分析 26 圖 5.10 計算過程 圖 5.11 計算結(jié)束 在求解結(jié)束之后，我們要讓結(jié)果顯示出來，操作依舊是選擇菜單，按順序依次點擊， Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour plotNodal Solu,在彈出的對話框中進行 如下的設(shè)置： Item to be contoured 的設(shè)置依次為 Nodal Solution DOF solution Displacement vector sum。 Undisplaced shape key 項設(shè)置為 Deformed shape only, Scale Factor 選項設(shè)置為 Auto Calculated。 然后點擊 Additional Options，在彈出的選項框中進行如下設(shè)置： 將 Scale Factor contact items 項的屬性值設(shè)置為 1.0； Number of facets per slsment edge 選項選擇設(shè)置為 Corner only。 最后點擊 OK。如圖 5.12、5.13 所示 第 5 章 萬向傳動軸的有限元靜力分析 27 圖 5.12 位移云圖 圖 5.13 應(yīng)力云圖 以實際數(shù)據(jù)經(jīng)過 CATIA 進行三維建模和 ANSYS 的分析，分析得出在傳動軸上施加 上扭矩之后，位移最大的部分是軸管的右端，位移大小為 ，位移的變化量很小，m109.2-? 應(yīng)力最大的是軸管處，最大值為 3.9MPa，遠小于其許用應(yīng)力 300MPa，軸角度變化最大 為 ,計算可得軸每米的扭轉(zhuǎn)角為 ，略小于實際計算所得值 ，??10-4. m/15.0? /162.0? 認為這個傳動軸的扭轉(zhuǎn)剛度是合格的。 第 6 章 結(jié)論 28 6 結(jié)論與展望 本設(shè)計在閱讀了大量有關(guān)萬向傳動裝置設(shè)計資料的基礎(chǔ)之上，再結(jié)合國內(nèi)的實際情 況和課題的研究手段等；對汽車萬向傳動裝置進行了計算設(shè)計。裝置的類型經(jīng)過對比和 推敲確定了選用了十字軸式萬向傳動裝置。本文的設(shè)計方法如下： 1）確定萬向傳動裝置的結(jié)構(gòu)和樣式，最終確定使用可伸縮的十字軸式萬向傳動裝置。 2）在設(shè)計的方案大體確定之后，就要對傳動裝置的零部件進行計算。包括其中的傳 動軸、十字軸、萬向節(jié)。在計算完之后還要對其進行校核，保證設(shè)計的零部件滿足自己 的使用要求。 3）在所有的計算和校核完成之后，就是對他們進行三維建模的時候了。充分利用自 己計算時所用的數(shù)據(jù)，以它們?yōu)橐罁?jù)用 CATIA 進行三維建模，在各個零部件的模型建好 之后再使用裝配功能對它們進行裝配。 4)本設(shè)計是對萬向傳動軸進行扭轉(zhuǎn)剛度分析，所以我們就將畫好的傳動軸模型導(dǎo)入 ANSYS 進行分析。給傳動軸施加一個扭矩，看它的應(yīng)力變化、位移變化和角度變化，通 過分析判斷傳動軸的扭轉(zhuǎn)剛度是否合格。 汽車的部件設(shè)計肯定是相當(dāng)繁雜的，其中的傳動裝置更是如此。即使通過自己的學(xué) 習(xí)對設(shè)計有了一定的了解，但是還肯定不可能面面俱到，在設(shè)計之中可能還會有一些不 足之處。設(shè)計過程中使用 ANSYS 軟件進行輔助確實便利了很多，但是還是會有些許的小 誤差。因為三維圖在導(dǎo)入過程中會有一些的簡化，這些簡化方便了分析過程中的操作的 同時也會導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生，但是這些小的誤差并不會影響最終的設(shè)計結(jié)果。 萬向傳動裝置在未來會有著更好的發(fā)展：它的精密程度會越來越高、標(biāo)準(zhǔn)化程度也 會不斷提高，在其它的一些新興領(lǐng)域也會有更多的應(yīng)用。 參考文獻 29 參考文獻 [1] 陳家瑞．汽車構(gòu)造：下冊 [M]．第 3 版.北京：機械工業(yè)出版社，2009． [2] 王望予．汽車設(shè)計 [M]．第 4 版．北京：機械工業(yè)出版社，2004． [3] 王國慶．龔國慶．汽車設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書 [M]．北京:機械工業(yè)出版社， 2009． [4] 智淑亞．汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M]. 第 1 版. 北京. 機械工業(yè)出版社，2014． [5] 范欽珊、殷雅俊主編．材料力學(xué) [M]．北京：清華大學(xué)出版社，2008． [6] 丁源．劉慶偉．CATIA V5 R21 從入門到精通 [M]．北京：清華大學(xué)版社， 2012． [7] 王新榮．陳永波主編．有限元法基礎(chǔ)及 ANSYS 應(yīng)用[M] ．北京：科學(xué)出版社， 2008． [8] 陳立德．機械設(shè)計基礎(chǔ) [M] .第三版. 高等教育出版社 ，2012． [9] 詹熙達主編． CATIA V5 R20 快速入門教程[M].第三版.機械工業(yè)出版社，2015． [10] 郝勇．鐘禮東 .ANSYS 15.0 有限元分析完全自學(xué)手冊[M]. 機械工業(yè)出版 社，2015． [11] 吳宗澤 .機械設(shè)計課程設(shè)計手冊[M].北京：高等教育出版社，2006． [12] 賈奎．汽車萬向節(jié)十字軸失效分析[J]．機械工程師， 2011(7)：174～175． [13] 龔曙光 .ANSYS 基礎(chǔ)應(yīng)用及范例解析[M].機械工業(yè)出版社，2002． [14] 郭慧玲 .傳動軸的優(yōu)化設(shè)計 [J]. 機械傳動, 2008, 32 (6)．. [15] 張云杰．胡海龍，喬建軍． CATIA V5 R20 高級應(yīng)用[M] ．北京：清華大學(xué)出 版社，2011． [16] 朱新濤．許祖敏，徐峰． CATIA V5 機械設(shè)計[M]．北京：機械工業(yè)出版社， 2001． 致謝 30 致 謝 畢業(yè)設(shè)計是一項艱巨而又重要的任務(wù)，大學(xué)期間也做過其他類型的設(shè)計，但 是所花費的時間和精力是那些設(shè)計所不能比的。為了能夠優(yōu)秀的完成此次的畢設(shè) 任務(wù)，自己專門找時間自學(xué)了 CATIA 這個三維建模軟件。自己學(xué)過但是還不是 很了解的 ANSYS 也再次進行了深入的了解。這個學(xué)習(xí)的過程花費了我大量的精 力。所以說畢業(yè)設(shè)計不是簡簡單單的對自己所學(xué)習(xí)的學(xué)知識的考查，更是對自己 的毅力是一次大的考驗，同時也是對自己獨立思考和解決問題能力的考驗。 雖然這次的畢設(shè)持續(xù)的時間很長，任務(wù)量也是比較重的，但是在老師不斷地 幫助和自己的不斷地努力之下，最終還是完成了任務(wù)書的要求，完成了此次的畢 設(shè)任務(wù)。最后尤其要感謝自己的畢設(shè)指導(dǎo)老師智淑亞老師，從始至終，老師一直 都是對自己提交上去的論文仔細審查并且提出自己的建議。在此，對智淑亞老師 的認真負責(zé)和悉心幫助表示由衷的感謝！由于自己的水平有限，所以設(shè)計中可能 會存在著疏漏和一些小的錯誤，懇請老師批評指正！