轿车万向传动装置设计与有限元分析【机械类毕业-含CAD图纸】
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共36页)
编号：12130566
类型：共享资源
大小：9.25MB
格式：ZIP
上传时间：2018-12-25
上传人：小***
认证信息
个人认证
林**（实名认证）
福建
IP属地：福建
100
积分
- 关 键 词：
-
机械类毕业-含CAD图纸
轿车
万向
传动
装置
设计
有限元分析
机械类
毕业
cad
图纸
- 资源描述：
-
轿车万向传动装置设计与有限元分析【机械类毕业-含CAD图纸】,机械类毕业-含CAD图纸,轿车,万向,传动,装置,设计,有限元分析,机械类,毕业,cad,图纸
- 内容简介：
-
目录摘要IIIAbstractIV1绪论11.1 选题的意义11.2万向传动装置在汽车上的应用11.3课题研究方法22 万向传动装置结构方案的确定32.1参考车辆的主要数据32.2万向传动装置设计步骤规划32.3万向传动轴类型选择42.4万向节类型选择52.5主要零件材料和工艺的选择73万向传动装置设计93.1万向传动轴载荷计算93.2十字轴的设计103.3轴承的设计113.4传动轴的设计123.5花键轴的设计134万向传动装置的三维建模154.1轴承零件的三维建模154.2十字轴的三维建模164.3万向节叉的三维建模184.4传动轴的三维建模194.5万向传动装置的装配215万向传动轴有限元分析23结论30参考文献31致谢32I轿车万向传动装置设计及有限元分析摘要本文首先介绍了万向传动装置的工作原理和在汽车上的应用。然后确定研究方法，参考车辆原始数据设计出万向传动轴主要零件的尺寸、选定使用材料并进行强度校核，根据校核结果调整设计方案。最终确定所有零件的尺寸数据。利用三维建模软件对万向传动装置主要零件进行三维建模，并装配。接着使用有限元分析软件对其主要部件进行分析，得出静态数据和频率数据，包括应力、应变的大小分布。最后分析设计的可行性，并优化方案。关键词：万向传动装置、设计计算、三维建模、有限元分析IIDesign and finite element analysis of universal transmission device for carAbstractThis paper mainly introduces the working principle of universal transmission device and its application in automobile. Then make a method for developing the reference vehicle original data to design a universal transmission shaft of the main parts size, selected using materials and strength check, adjust the design scheme according to the verification results. Determine the size of all parts of the final data. The three-dimensional modeling of the main parts of the universal transmission device using 3D modeling software, and assembly. Then the finite element analysis software is used to analyze the main components, and the static data and frequency data are obtained, including the size distribution of stress and strain. Finally, the feasibility of the design is analyzed, and the optimization scheme is designed.Key words: Automotive Universal Transmission Device; Design Calculation; 3D Modeling; Finite Element AnalysisIII1绪论1.1 选题的意义万向传动装置在汽车的很多方面都有应用。汽车万向传动装置能够在两根相对位置不断变化的两根轴之间实现动力传递。即使两根轴不在同一条直径线上或者以万向节为顶角两轴作为两边，他们所形成的角度在行驶过程中发生改变，整个传动机构依旧能够依靠万向传动装置有效的传递动力。为了使两轴的转速相等，要保持万向节两边的轴与万向节的夹角相等。它主要由万向节、传动轴和中间支承组成。当汽车的发动机为前置，而后轮或者全部车轮为驱动轮时就需要万向传动轴。而且，因为存在汽车在行驶时悬架位置不断改变，这将导致万向传装置两边的两根轴的相对位置也会不断发生改变，所以万向传动轴上又添加了伸缩花键。合理地解决了相对闻之变化的问题。本次设计考虑到整个车身的布置方案，和实际使用情况，合理地修改了设计方案，使得整车的设计更合理，充分发挥汽车的性能。传动轴是由轴管、万向节、伸缩花键等零件组成。连接万向传动轴上花键的伸缩套能根据变速器和驱动桥之间无论是距离还是角度的变化自动调整以适应传动需要。万向节由十字轴、十字轴承和凸缘叉等组成。当变速器的输出轴与驱动桥的输入轴的两轴线所形成的夹角在传动过程中发生改变时，通过万向节也能够实现在两轴之间传递动力的关键装置。不仅万向传动轴的设计很重要，传动轴的位置布置也相当重要，它会影响到万向传动装置性能的发挥，还会影响轴两端所连接的零件的损耗速度，包括主减速器、变速器、分动器、十字万向节等。不合理的车身布置还会影响到驾驶感受。所以本设计除了考虑它的零件尺寸和弯曲强度，扭曲强度之外还需要临界转速，根据分析再进行方案优化，调整布置。1.2万向传动装置在汽车上的应用用于发动机前置后轴驱动汽车的变速器和驱动桥之间。所谓的前置后驱，顾名思义就是这类汽车将所有动力输出装置都固定在了车辆前端的车架上，包括发动机、电动机、变速器、离合器等，而后轮作为驱动轮推动车辆前进。由于驱动轮与车架之间不是刚性连接，存在一组弹性元件。所以这样的车辆他的动力输出轴不仅在轴线上与驱动轮的轴线保持重合，而且还会由于汽车在行驶过程中加减速，路面不平等情况产生外力致使连接驱动轮与车架之间的弹性元件发生弹性形变，两轴的相对位置也很难维持在同一平面内。为了能够让动力再任何情况下都能顺利传递给驱动轮，就需要在两者之间增加万向传动装置。另外，由于变速器与后驱动轮的车桥之间的相对距离很大，为了减小传动轴受弯扭矩的影响和零件的生产及制作工艺，通常我们会将传动轴分成了两段，前后两段传动轴之间用支承固定并增加万向节。万向传动装置还用于四驱或者多轴驱动的SUV或者越野汽车上。分动器一般位于变速器与驱动桥之间，其作用是增大变速器的最大传动比，增加扭矩，从而增大驱动力。由于动力在传递过程中各装置之间的输入轴和输出轴的轴线不在同一平面内，所以需要万向传动装置来实现动力传递。有些重型汽车发动机的输出轴和变速器的输入轴的轴线也不再同一轴线上，中间的动力传递就需要万向传动装置。这样发动机和变速器就可以分开固定。最普通的前置前驱的车辆上也有万向传动轴的应用。由于前轮既是驱动轮，又要承担转向的作用，即转向轮在转向过程中仍需要传递动力，所以在驱动桥的半轴上也需要用万向节连接。如此才能够在两轴夹角变化的同时传递动力。若车辆采用的是独立悬架则在两侧的驱动桥的半轴上都需要万向节。反之，则仅需在转向轴上连接一个万向节。万向传动装置在转向系中也有很广泛的应用。在某些汽车中，设计师为了方便驾驶室的整体布置，便在转向盘和转向器之间添加了万向传动装置，这样就能够在转向盘与转向器不在同一轴线时也能够实现动力传递。同时方便了转向系的布置。1.3课题研究方法1.首先分析万向传动装置在汽车上的应用和其工作原理。结合所学汽车构造、理论力学、材料力学、机械设计原理等内容设计出万向传动装置的各个零件尺寸，并进行理论上的强度校核。2.结合三维建模软件对设计出的零件进行三维建模，并进行装配。3.利用有限元分析软件对装置的主要部位进行分析，得到零件的应力分布和频率分析。然后可以对零件的设计进行优化，有效提高零件的使用性能。152 万向传动装置结构方案的确定2.1参考车辆的主要数据表2.1 汽车规格配置表长度（mm）4856发动机最大功率（kW/rpm）160/5500宽度（mm）1820发动机最大扭矩（Nm/rpm）330高度（mm）1475传动轴支承长度（mm）880轴距（mm）2800主减速器传动比3.7轮距（前）（mm）1600最高转速（rpm）7000轮距（后）（mm）1600接近角（）27轮胎型号（前/后）265/65R17离去角（）22整车整备质量（kg）2300后轴轴承品质（kg）1280总排量（L）1965驱动方式前置四驱2.2万向传动装置设计步骤规划1.确定设计方向，结合车辆的实际情况并对比各种设计方案选择合适的万向传动轴和万向节类型。定出万向传动装置的主要组成部件。2.零件尺寸设计和力学分析，根据已确定的万向传动装置的类型再结合图2.1汽车规格配置表设计出零件的尺寸，并进行校核。通过分析弯矩扭矩剪应力，对设计的尺寸、材料、工艺方面进行优化。3.根据设计出的零件尺寸，用三维建模软件PROE、CATIA等对万向传动装置的主要零部件进行三维建模，之后还需进行装配，形成完整的万向传动装置。4.仿真分析，用ANSYS或CATIA等有限元分析软件，对万向传动装置的主要零件进行应力大小及分布和动力学分析。最终优化设计方案。2.3万向传动轴类型选择传动系统不仅类型多种多样，包括机械式、液力式、电力式等，而且本身结构复杂，发动机输出的动力需要经过离合器、变速器、主减速器和差速器才能传递至驱动桥的半轴，整个传动系统无法布置在同一轴线上。所以为了动力传递必须增加万向传动装置。同时，考虑到传动系统有不同的布置方案，万向传动装置的布置和零件设计方案也需要调整。当传动系统的布置方式为发动机前置前驱、发动机后置后驱或者发动机中置时，变速器的输出轴与驱动桥的输入轴之间的距离较短。通常采取的布置方案是两个万向节和一根可伸缩的万向传动轴进行动力传递。这样不仅能够最大程度上简化传动系统，而且能够解决由于在行驶过程中万向传动装置连接的两轴之间相对位置不断变化所产生的负面作用。万向传动轴中的滑动花键副是最重要的组成部分之一，在滑动花键副的最大伸缩量下，滑动花键通过与伸缩套管的配合能够消除两轴之间轴线距离的变化，从而保证动力传递。花键上可以使用耐磨涂层以增加使用寿命。当传动系统的在布置方式为前置后驱或者全轮驱动时，由于变速器与后驱动轮的车桥之间的相对距离很大，为了减小传动轴受弯扭矩的影响和零件的生产及制作工艺，通常我们会将传动轴分成了两段，前后两段传动轴之间用支承固定并增加万向节。本次设计的车辆为全轮驱动的万向传动装置，由于车辆在行驶过程中连接车架和驱动桥的减震器会发生弹性形变，所以驱动桥和减速器输出轴之间的相对位置不断变化，所以我们选用带滑动花键副的万向传动轴。这种传动轴在满足使用要求的前提下，能够很大程度上降低成本，简单的结构也降低了对生产工艺的要求。结合我在材料力学中学习到的知识，本次设计的万向传动轴主要用来传递扭矩，而在转轴传递扭矩时，从径向截面来看，越外的地方传递有效力矩的作用越大。在转轴需要传递较大力矩时，就需要较粗的轴径。而由于在轴心部位传递力矩的作用较小，所以一般采用空心的，能用最少的材料达到最高的使用性能。所以本次设计的万向传动轴也采用空心轴。关于它的结构可以参考下图2.1万向传动轴示意图图2.1万向传动轴示意图1-封闭环 2-盖板 3-盖垫 5-万向节叉 6-伸缩套7-滑动花键槽 8-油封 9-油箱盖 10-传动轴管2.4万向节类型选择万向节的类型有很多，而它们的适用情况也不尽相同。根据不同的使用要求，我们需要选择不同的万向节类型。来达到最佳的传动效率，同时也要考虑最佳的性价比。十字联轴器是在结构方面最为简单的一种万向传动装置。如下图2.2所示，十字联轴器的关键部位就是中间的十字轴，每个轴头上都装有滚针轴承和套筒，十字轴的两边连着两个万向节叉。其余还有一些固定和连接元件。十字轴也被设计为中空结构，轴上也设计了注油嘴、润滑油道。这些设计能够有效降低装置的重量，降低磨损。 十字轴式万向节拆分图 十字轴剖面图图2.2 十字联轴器 1-轴承盖 2-万向节叉 3-润滑脂嘴 4-十字轴 5-溢流阀 6-万向节叉 7-油封 8-滚针 9-套筒 10-油封挡盘 11-橡胶油封 12-油封座 13-注油嘴双联式万向节，它是由一个双联叉和连接它的两根轴组成。双联式万向节在传递动力时需要保证输入轴与输出轴的角速度近似相等。所以，一般这类万向传动装置都需要装有角度均分机构，只要输人轴与输出轴之间形成角度，角度均分机构就会介入，使得输入轴与双联叉形成的夹角近似于输出轴于双联叉形成的夹角。这种双联式万向节常常运用在前驱动桥的轴向节主销处，有些轻型越野车的分动器与前传动轴之间也采用这种万向节。它的特点是保证两轴角速度接近相等。当输入轴与输出轴之间存在较大夹角时，会采用双联式万向传动装置。图2.3双联式万向节1，2-轴 3-双联叉球叉式万向节，它传递动力所允许的两轴夹角范围不超过32，介于十字万向节和双联式万向节之间，结构也较为简单。但这类万向节的核心，即传动钢球需要承受较大的压力，所以磨损较快，相对来说对零件材料性能和制作工艺的要求也会高很多。具体结构可以参见下图2.4 球叉式万向节。图2.4球叉式万向节1-从动叉 2-锁止销 3-定位销 4-传动钢球 5-主动叉 6-定位钢球综合考虑，我选择十字轴式刚性万向节作为本次万向节的设计方案。主要由于本设计的两轴之间夹角不大，而且十字轴式刚性万向节结构简单，在满足使用要求的情况下，能够很大程度上降低成本，同时它对制作工艺的要求也是所有方案中最低的。2.5主要零件材料和工艺的选择1.轴类零件，这类零件的轴向尺寸远远大于它的径向尺寸。 本次设计的万向传动轴主要用来传递扭矩。选用的材料可以选择中碳合金钢，例如40Cr或者40CrNi，并进行调质处理。2.万向节作为装置中关键的传动零件，在使用过程中需要承受包括接触啊压应力、摩擦力、弯曲应力还有可能承受冲击力。所以它对强度、韧性、硬度以及耐磨性都有相对较高的要求。3.其他零件，相对力学性能要求不高。可以根据实际需求选择3050中碳钢或者灰铸铁、球墨铸铁等。3万向传动装置设计3.1万向传动轴载荷计算表3.1 传动比与转速选择车型高档传动比ifg 与抵挡传动比ifd关系ifn44ifg ifd/2ifg 1ifg 变换特性圆形阵列，对生成的凸台1、2执行该操作。然后再对其进行开油孔以及油槽、镜像等操作后得到完整十字轴万向模型，如下图。图4.8完整十字轴模型4.3万向节叉的三维建模打开CATIA制图软件，点击顶部菜单栏“开始”，然后选择列表中“机械设计”字样，再从下一级选项中单击“零件设计”，输入文件名称“wanxiangjiecha”，选中“启用混合设计”，单击“确定”按钮，进入设计零件的界面。单击右侧凸台按钮，界面会弹出一个名为“定义凸台”对话框，然后单击会话框中的草绘图标并选择xy平面为草绘平面进行草绘，画一个直径100mm的圆，如图所示。图4.9万向节叉草绘接下来定义凸台，定义旋转体，经过在凸台1上面的定义凹槽、选定凹槽进行阵列、对整个零件进行倒圆角操作后得到最终的万向节叉的三维模型。万向节叉的三维模型如图所示。图4.10万向节叉4.4传动轴的三维建模打开三维制图软件CATIA，单击顶部菜单栏中“开始”按钮并在下拉菜单中单击“机械设计”模块，接着单击伸出项中“零件设计”按钮，保存文件名输入“chuandongzhou”，选择混合设计，进入零件设计界面。然后选择工作栏中的“旋转体”按钮，会弹出名为“旋转体定义”的对话框，然后单击对话框中的草绘按钮，接着选择左上角的“xy平面”单击，进入“xy”草绘平面，根据第四章已经设计出来的传动轴的尺寸绘制出平面图，如图图4.11平面图完成草图单击退出草绘平面，退出工作台，在名为“旋转体”对话框的下方单击“确定”按钮，生成完整的传动轴的三维模型视图，如下图图4.12定义旋转体因为传动轴是中空设计，参考之前步骤定义凹槽。如图图4.13定义凹槽定义凸台并添加花键，参考之前阵列过程。结果如图。图4.14伸缩花键添加约束并焊接万向节叉。结果如图。图4.15完整传动轴4.5万向传动装置的装配打开CATIA软件，单击开始按钮，在下拉菜单中选择机械设计，再在下一级菜单中选择装配设计，然后进入操作界面。图4.16装配图315万向传动轴有限元分析打开Ansysworkbench15.0，选择Analysis Systems栏下的Static Structural，双击进入右边Project Schematic编辑器如下图点击A2栏Engineering Data，进入材料编辑，因为选择的是20号钢，Ansysworkbench自带的材料库里面没有，需要自己编辑点击A*栏输入20，再双击左侧Toolbox栏下的Physical Properties 栏下的Density和Linear Elastic栏下的Isotropic Elasticty，并在右侧Properties of Outline Row中B2栏输入78500，在B5栏输入2060000000000，在B6栏输入0.3，形式如下图所示然后回到Project项目，右击右侧A3栏，在Browse中选择传动轴并导入，再双击进入DM界面，点击Generate生成零件如图所示回到Workbench界面，双击A4栏进入Mechanical界面进行传动轴的静力学分析。在左侧Project模型树下进入Part1，在Details of “Part1“表格里点击Assignment选择材料20，如图示所示在模型树下点击Mesh，在工具栏上找到Mesh点击并选择Generate Mesh，如图所示在模型树下选择Static Structural，在上方工具栏Environment中选择Support，选择fixed support并选择传动轴的左端面，再在左侧Details表格中选择apply，如图所示再在Environment中选择loads中的Moment，选择材料右侧圆柱面，再在左侧Details表格中选择apply，并选择Define By，选择Components，在X Component后输入1590000，如图所示在模型树下选择Solution，在上方工具栏中选择Deformation中的Total，Strain中的Equivalent，Stress中的Equivalent。右击左侧模型树下的Solution，选择Solve，等待一段处理分析，结果便出来了如图。分别对应总变形图、应力分布图和应变分布图。分析所得的表格数据如下Object NameTotal DeformationEquivalent Elastic StrainEquivalent StressStateSolvedScopeScoping MethodGeometry SelectionGeometryAll BodiesDefinitionTypeTotal DeformationEquivalent Elastic StrainEquivalent (von-Mises) StressByTimeDisplay TimeLastCalculate Time HistoryYesIdentifierSuppressedNoResultsMinimum0. m4.0315e-010 m/m70.976 PaMaximum5.2365e-004 m4.858e-003 m/m9.9919e+008 PaMinimum Value Over TimeMinimum0. m4.0315e-010 m/m70.976 PaMaximum0. m4.0315e-010 m/m70.976 PaMaximum Value Over TimeMinimum5.2365e-004 m4.858e-003 m/m9.9919e+008 PaMaximum5.2365e-004 m4.858e-003 m/m9.9919e+008 PaInformationTime1. sLoad Step1Substep1Iteration Number1Integration Point ResultsDisplay OptionAveragedAverage Across BodiesNo经过ANSYS的有限元分析，我们可以看出传动轴的应力分布在部分位置出现明显的集中情况，所以设计方案还可以进行优化，在传动轴与花键轴之间可以倒圆角或者在接触部分焊接加固。（其余分析数据以及分析程序参见附录）结论1.本文针对万向传动装置，首先探讨了设计的目的和意义，主要介绍了万向传动装置的原理和在汽车上的应用，然后结合所学知识对本次研究的方法做了初步的定位。2.根据研究方法设计出万向传动轴主要零件的尺寸、选定使用材料并进行强度校核，根据校核结果调整设计方案。最终确定所有零件的尺寸数据。3.利用三维建模软件对万向传动装置主要零件进行三维建模，并装配。然后使用有限元分析软件对其主要部件进行分析，得出应力大小和分布情况，最后分析方案的可行性。4.万向传动装置是汽车中相当重要的组成部分，设计和制作过程中还有许多需要考虑的问题。本文也仅仅是对该装置做了一个简单的设计和分析。5.未来万向节和传动轴的发展趋势：(1)寿命越来越长、材质种
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号