基于有限元分析的汽车万向传动装置设计

摘 要万向传动装置是汽车传动系中的重要总成，它直接与变速器和驱动桥相联系，用来实现对传动系的动力传递。课题研究对象是后轮驱动广泛应用的十字轴式万向传动装置，主要零件包括传动轴、万向节、支撑装置等，这些关键零部件的设计对整个万向传动装置性能具有很大的影响。本文主要是对汽车的十字轴式万向传动装置进行设计。根据车辆使用条件和车辆参数，按照传动系统的设计步骤和要求，主要进行了以下工作：选择相关设计参数主要为：十字轴、万向节、传动轴、中间支承的参数确定，并进行了总成设计主要为：十字轴的设计，万向节的设计、传动轴的设计以及中间支承的设计等。并通过有限元据分析结果对万向传动装置进行改进优化设计并得出合理的设计方案。在传动轴的设计中采用有限元技术研究这些关键零部件的静力学特性，对其结构进行优化设计，可以大大缩短万向传动装置总成开发周期、降低开发费用，提高设计质量，保证其设计的精确性。关键词：万向传动装置；十字轴；万向节；传动轴；有限元分析；优化设计is in to to of is in of a on is on to to to on on as as so to on to to of in on of to 摘要.第1章绪论.课题研究的目的意义.课题的国内外研究现状.设计的主要内容与技术路线.设计已知参数.万向传动的运动和受力分析.结构方案的确定.缩花键及中间支承结构方案分析.本章小结.万向节传动的计算载荷. 万向传动轴的计算载荷. 滚针轴承设计. 万向节叉设计和校核. 传动轴的设计计算. 花键轴的设计计算. 中间支承的结构分析和设计. 本章小结. 基于.进行三维建模.基于.与.万向传动装置静载和约束的施加与结果分析.本章小结.优化设计概述.基于有限元的十字轴优化设计.万向节叉的结构优化.传动轴管的优化.万向传动装置优化后尺寸的确定.进行整机装配与校核.实体建模后的整体装配图.本章小结.文文献原文.文文献中文翻译.题研究的目的意义万向传动装置是汽车传动系中的重要总成，它直接与变速器和驱动桥相联系，用来实现对传动系的动力传递。课题研究对象是后轮驱动广泛应用的十字轴式万向传动装置，主要零件包括传动轴、万向节、支撑装置等，这些关键零部件的设计对整个万向传动装置性能具有很大的影响。万向节传动应适应所联两轴的夹角及相对位置在一定范围内的不断变化且能可靠而稳定地传递动力，保证所联两轴能等速旋转，且由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动及噪声应在允许范围内，在使用车速范围内不应产生共振现象。此外，万向节传动还要求传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易。传统的分析方法，一般都是首先通过轴传递的最大转矩，计算出轴的最小直径；然后通过计算作用在轴上的载荷、不同断面上的转矩、轴向力和弯矩，利用解析法或图解法确定轴不同位置的支反力，最后利用传统的计算公式进行强度校核，确定安全系数。如果安全系数小于许用安全系数，还要进行疲劳强度计算。此过程计算繁杂，反复性强，而且可靠性差，很可能因为计算误差，造成由于传动轴强度不够而引发的轴裂、轴断事故。因此，研究一种新的准确、快捷的强度分析方法迫在眉睫。用有限元法对结构进行静力学、动力学、热力学和电磁学等多种分析。通过以大大缩短轴类零件的设计周期，从而减少设计成本，并有利于多种型号产品的开发。题的国内研究现状万向传动装置最早出现于1352年，在663年来被人们叫做虎克万向节，也就是十字轴万向节。紧接着在1683年研制出的双联式虎克万向节，消除了单个虎克万向节传递的不等速性，并于1901用于汽车转向轮。在上世纪初，虎克万向节和传动轴，以及后来的等速万向节和传动轴在机械工程和汽车工业的发展中起到了极其重要的作用。现在，根据在扭转方向上是否有明显的弹性，万向节可分为刚性万向节和挠性万向节。刚性万向节是靠零件的铰链式传递动力，又分为不等速万向节、准等速万向节和等速万向节；挠性万向节是靠弹性零件传递动力的，具有缓冲减震作用1。现在汽车万向传动装置一般是由万向节、传动轴和中间支撑组成。主要用于工作过程中相对位置不断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输入轴两轴线夹角的变化，并实现两轴的等角速传动。一般万向节由十字轴、十字轴承、凸缘叉及轴向定位件和橡胶密封件等组成。在1950年后,传动轴的产量达到数以万计。1984年主要由于汽车工业的增长，生产了三千五百万套虎克万向节传动轴，一亿二千万套等速万向节传动轴，一亿三枢轴式万向节传动轴。在国内，近年来随着我国汽车业的高速发展，带动我国汽车传动轴需求持续大幅增长。2007年中国汽车传动轴的需求已经突破992万根，产值达到45亿。2008年汽车销量达到938万两，而作为汽车零部件的汽车传动轴需求量也接近1900万套，产值达到50亿元。倒2010年我国汽车传动轴总销售额达到87亿之多，因次国内也出现一批传动轴制造的厂家。但产品的性能与国外相比仍有相当大的差距，具体表现在两个方面：绝大多数轿车厂家对等速万向节产品没有制定出相应的技术规范，而国外公司对驱动轴和传动轴的技术规定达67款之多，其中严格规定驱动半轴总成和传动轴总成的振动频率，目的是避免和发动机、轮胎以及其他传动系部件发生共振，从而更加全面合理地设计汽车底盘；零件供应商，易随意组合中心固定型等速万向节和伸缩型等速万向节，从而造成总成的失衡，使汽车产生异常振动，出现异响2。对于创立自主知识产权的汽车厂家来说，造出一流汽车仍有很长的路要走。车万向传动装置设计主要内容与设计思路课题研究对象是后轮驱动广泛应用的十字轴式万向传动装置，主要零件包括传动轴、万向节、支撑装置等，这些关键零部件的设计对整个万向传动装置性能具有很大的影响。采用有限元技术研究这些关键零部件的静力学特性，对其结构进行优化设计，是非常重要和必须的。在此基础上，再进行万向传动装置设计不但可以获得最佳的万向传动装置基本参数，还可以大大缩短万向传动装置总成开发周期、降低开发费用，提高设计质量，保证其设计的精确性。1. 设计的主要内容本设计选择万向传动轴的优化，设计基本要求如下：（1）保证所连接的两轴的夹角及相对位置在一定范围内变化时，能可靠而稳定的传递动力；（2）保证所连接的两轴尽可能等速运转；（3）使用有限元分析软件成万向传动装置主要部件的优化设计从而解决工艺合理、成本低、可靠性高的设计要求；（4）在. 计技术路线图调研并查阅相关资料确定汽车万向传动装置主要参数主要零部件的建模 主要零部件的静态分析 主要零部件的优化设计万向传动装置的主要零部件的设计优化后尺寸确定用计基本参数发动机转矩30Nm/1500r/495500十字轴万向节传动当十字轴万向节的主动轴与从动轴存在一定夹角及时，主动轴的角速度 1w 之间存在如下关系 12212 中， 1 为主动轴转角，定义为万向节主动叉所在平面与万向节主、从动轴所在平面的夹角由于 1是周期为 的周期函数，所以 2w 11 为0、时， 2 达最大值 为 1w 当 1 为 2 、 23 时， 2w 有最小值 为 因此，当主动轴以等角速度转动时，从动轴时快时慢，此即为普通十字轴万向节传动的不等性3。十字轴万向节传动的不等速性可用转速不均匀系数 w 不计万向节的摩擦损失，主动轴转矩 1T 与各自相应的角速度有关系式 2211 ，这样有 11222 T （然，当2w 1动轴上的转矩为最大 T ；当 2w 1动轴上的转矩为最小 T 。当 1定时， 2T 在其最大值与最小值之间每一转变化两次。具有夹角的十字轴万向节，仅在主动轴驱动转矩和从动轴反转矩的作用下是不能平衡的。这是因为这两个转矩作用在不同的平面内，在不计万向节惯性力矩时，它们的矢量互成一角度而不能自行封闭，此时在万向节上必然还作用有另外的力偶矩。从万向节叉与十字轴之间的约束关系分析可知，主动叉对十字轴的作用力偶矩，除主动轴驱动转矩 1有作用在主动叉平面的弯曲力偶矩 1T。同理，从动叉对十字轴也作用有从动轴反转矩和作用在从动叉平面的弯曲力偶矩2T。在这四个力矩作用下，使十字轴万向节得以平衡。下面仅讨论主动叉在两特殊位置时，附加弯曲力偶矩的大小及变化特点。当主动叉处于0和位置时(由于 11T必为零；而2T的作用平面与十字轴不共平面， 2T必有存在，且矢量 2T垂直于矢量 2T ；合矢量 2T+ 2T 指向十字轴平面的法线方向，与 1向相反。这样，从动叉上的附加弯矩 2T= 1T 当主动叉 1 处于 2 和 23 位置时(同理可知 2T=0，主动叉上的附加弯矩 1T= 1T 分析可知，附加弯矩的大小是在零与上述两最大值之间变化，其变化周期为，即每一转变化两次。附加弯矩可引起与万向节相连零部件的弯曲振动，可在万向节主、从动轴支承上引起周期性变化的径向载荷，从而激起支承处的振动。a) 1 =O， 1 = b) 1 = 2 ， 1 = 23字轴万向节的力偶矩因此，为了控制附加弯矩，应避免两轴之间的夹角过大。十字轴万向节传动当输入轴与输出轴之间存在夹角时，单个十字轴万向节的输出轴相对于输入轴是不等速旋转的。为使处于同一平面的输出轴与输人轴等速旋转，可采用双万向节传动，但必须保证同传动轴相连的两万向节叉应布置在同一平面内，且使两万向节夹角 1 与 2 相等(在双万向节传动中，直接与输入轴和输出轴相连的万向节叉所受的附加弯矩分别由相应轴的支承反力平衡。当输人轴与输出轴平行时(直接连接传动轴的两万向节叉所受的附加弯矩彼此平衡，而引起传动轴的弯曲振动。当输入轴与输出轴相交时(传动轴两端万向节叉上所受的附加弯矩方向相同，不能彼此平衡，而对两端的十字轴产生大小相等、方向相反的径向力。此径向力作用在滚针轴承碗的底部，并在输入轴与输出轴的支承上引起反力4。十字轴万向节传动多万向节传动的从动叉相对主动叉的转角差 的计算公式与单万向节相似，可写成 )(22 e (中， e 为多万向节传动的当量夹角；为主动叉的初相位角； 1 为主动轴转角。式(明，多万向节传动输出轴与输入轴的运动关系，如同具有夹角 e 而主动叉具有初相位的单万向节传动。假如多万向节传动的各轴轴线均在同一平面，且各传动轴两端万向节叉平面之间的夹角为0或 2 ，则当量夹角 e 为e = 322212 (中， 1 、 2 、 3 为各万向节的夹角。式中的正负号这样确定：当第一万向节的主动叉处在各轴轴线所在的平面内，在其余的万向节中，如果其主动叉平面与此平面重合定义为正，与此平面垂直定义为负。为使多万向节传动的输出轴与输人轴等速旋转，应使 e =0。万向节传动输出轴与输入轴的转角差会引起动力总成支承和悬架弹性元件的振动，还能引起与输出轴相连齿轮的冲击和噪声及驾驶室内的谐振噪声。因此，在设计多万向节传动时，总是希望其当量夹角 e 尽可能小，一般设计时应使空载和满载两种工况下的 e 不大于3。另外，对多万向节传动输出轴的角加速度幅值 21w ；加以限制。对于轿车， 21w 350s 2 ；对于货车，21w 6002 5。由万向节、轴管及其伸缩花键等组成如图2.3(b),对于长轴距汽车的分段传动轴，还需有中间支承，如图2.3(a)。缩花键及中间支承结构方案分析传动轴管由壁厚均匀易平衡、壁薄(管径较大、扭转强度高、弯曲刚度大、适于高速旋转的低碳钢板卷制的电焊钢管制成。(a)带有中间支承并有两根轴管的分段传动轴；(b)具有一根轴管的传动轴1万向节；2传动轴管；3平衡片；4伸缩轴管；5防尘罩；6十字轴；7车传动轴的结构图伸缩花键具有矩形或渐开线齿形，用于补偿由于汽车运动时传动轴两端万向节之间的长度变化。当承受转矩的花键在伸缩时，产生轴向摩擦力为 式中：传动轴所传递的转矩；R 花键齿侧工作表面的中径；f 摩擦系数。由于花键齿侧工作表面面积较小，在大的轴向摩擦力作用下将加速伸缩花键的磨损，引起不平衡及振动。应提高键齿表面硬度及光洁度，进行磷化处理、喷涂尼龙，改善润滑。可减小摩擦阻力及磨损。键应有可靠的润滑及防尘措施，间隙不宜过大，以免引起传动轴振动。内、外花键应对中，为减小键齿摩擦表面间的压力及磨损应使键齿长 其最大直径 比不小于2。花键齿与键槽应按对应标记装配，以免破坏传动轴总成的动平衡。动平衡的不平衡度由点焊在轴管外表面上的平衡片补偿。装车时传动轴的仲缩花键一端不应靠近后驱动桥，而应靠近变速器或中间支承，以减小其轴向摩擦力及磨损。中间支承用于长轴距汽车的分段传动轴，以提高传动轴的临界转速，避免共1滚柱；2带有滚柱内滚道的传动轴管；3有滚柱的汽车传动轴振，减小噪声6。它安装在车架横梁或车身底架上，应能补偿传动轴的安装误差及适应行驶中由于弹性悬置的发动机的窜动和车架变形引起的位移，而其轴承应不受或少受由此产生的附加载荷。以前中间支承多采用自位轴承，胶弹性元件能吸收传动轴的振动，降低噪声，承受径向力，但不能承受轴向力。设计时应合理选择支承刚度，避免在传动轴常用转速内产生共振。摆臂式中间支承的摆臂用于适应中间传动轴轴线在纵向平面内的位置变化。66越野汽车传动轴的中间支承常安装在中驱动桥壳上,多采用两个圆锥滚子轴承，油封；2弹性挡圈；3臂式中间支承(a)传动轴及其中间支承；(b)-(e)中间支承方案1一挠性万向节；2、4一前、后传动轴；3一弹性中间支承；5一平衡片；6一橡胶套；性的、等速的和不等速的几种。汽车除转向驱动桥及带有摆动半轴的驱动桥的分段式半轴多采用等速万向节外，一般驱动桥传动轴均采用一对十字轴万向节，如图2.3(b)。1、两个万向节叉及联接它们的十字轴、滚针轴承及讷封等组成。其结构简单，传动效率高。十字轴万向节的损坏形式主要是十字轴轴颈和滚针轴承的磨损，以及十字轴轴颈和滚针轴承碗工作表面的压痕和剥落。通常认为当磨损或压痕超过025字轴万向节就应报废。为了提高其使用寿命。出现了各种有效的组合式润向节滑密封装置，以润滑和保护十字轴轴颈与 1一轴承盖；2、6一万向节一油嘴；车和轻型客、货车常于4一十字轴；5一安全阀；7一油封；装配时封入润滑脂润滑以减少车辆的 8 一滚针；9 一轴承碗润滑点，这时应采用密封效果较好的双刃口或 通十字轴万向节多刃口橡胶油封。当需定期加注润滑脂时，则会加重载荷在滚针间的分配不均匀性。滚针轴承的径向间隙过大会使受载的滚针数减少及引起滚针歪斜，间隙过小则可能受热卡住，型汽车有时采用较粗的滚针并分成两段以提高其寿命，也有以滚柱代替滚针的结构。为防止十字轴轴向窜动及避免摩擦发热，有的在十字轴轴端和轴承碗之间加装端面滚针轴承7。1一防尘罩；2一油封座圈；3一止推环；4一滚针；间隙；字轴的润滑与密封单个十字轴万向节不是等速万向节，其特点是当主动轴与从动轴之间有夹角时，不能等速传递而有转角差(使主、从动轴的角速度周期性地不相等。采用两个十字轴万向节并把与传动轴相连的两个万向节叉布置在同一平面内，且使万向节的夹角 21 (则可使处于同一平面内的输出轴与输入轴等角速旋转。角差 与)( 21 的关系 十字轴万向节的等速传动条件十字轴万向节两轴的夹角。不宜过大当由 4 增至 16 时，滚针轴承寿命将下降至原寿命的14。2、挠性万向节利用橡胶盘、块、环及橡胶一金属套筒等橡胶弹性元件在夹角不大于 5 的两轴间传递转矩。其结构简单、不需润滑，能减小传动系的扭振、动载荷及噪声。有的结构还允许一定的轴向变形当这种轴向变形量能满足使用要求时，可省去伸缩花键。常用作轿车三万向节传动中的靠近变速器的第一万向节或用在重型车的离台器与变速器，变速器与分动器之间。考虑到用到这些地方的挠性万向节常要在挂直接档时的高转速下工作，为保证传动轴总成的平衡精度，则必须使万向节两侧的轴线对中。中图(a)、图(b)分别为具有球面对中机构的环形和六角形挠性万向节：图(c)为橡胶金属套筒结构的挠性万向节；图(d)、图(e)分别为组合型和盘形橡胶元件。金属套筒结构的橡胶应具有的物理机械特性为：抗拉强度不小于15对拉伸率不小于350；肖氏硬度6575；切弹性模量G=作温度范围为80。3、等速万向节主、从动轴的角速度在两轴之间的夹角变动时仍然相等的万向节，称为等角速万向节或等速万向节。等速万向节的“等角速”工作原理，可以一对大小相同的圆锥齿轮传动为例来说明。a) 球面对中机构的环形挠性万向节；(b)六角形挠性万向节；(c)橡胶金属套筒结构的挠性万向节；(d) 组合型橡胶元件；(e)性万向节及其橡胶元件的典型结构示，两齿轮的轴线交角为，这两个齿轮轮齿的接触点点而两齿轮的角速度相等。多数等速万向节工作时的特点也都在于：它们所有的传力点总是位于两轴夹角的等分平面上，这样，被万向节所联接的两轴的角速度就永远相等。速万向节的工作原理在转向驱动桥、断开式驱动桥和泛地采用各种型式的等速万向节和近似等速的万向节。其常见的结构型式有球笼式、球叉式、双联式、凸块式和三销式等。综上所述，确定传动轴的基本方案。本设计所选车型为前置后驱，根据经验采用十字轴万向节；并且两万向节中心距为21861500需采用中间支撑。故最终决定采用带中间支撑的两轴三万向节传动方案。章小结本章介绍了万向传动轴的结构类型及各自特点