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HGC1050万向传动轴结构设计【汽车类】【6张CAD图纸+ANSYS有限元分析文件】【优秀】

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HGC1050万向传动轴结构设计【汽车类】【6张CAD图纸+ANSYS有限元分析文件】【优秀】.rar

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关键词：: HGC1050 万向传动轴结构设计汽车 cad图纸 ansys 有限元分析

资源描述：

HGC1050万向传动轴结构设计

50页 20000字数+说明书+任务书+开题报告+ANSYS文件+6张CAD图纸

ANSYS文件

HGC1050万向传动轴结构设计开题报告.doc

HGC1050万向传动轴结构设计说明书.doc

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万向节叉.dwg

中间支撑.dwg

任务书.doc

凸缘叉.dwg

十字轴.dwg

答辩相关材料.doc

装配图.dwg

轴承叉.dwg

摘要

万向传动装置是汽车传动系统中的重要组成部分，万向传动装置位于变速箱和驱动桥之间，一般由万向节、传动轴和中间支承组成。万向节能实现变角度动力传递；传动轴把变速器的转矩传递到驱动桥上；中间支承能补偿传动轴轴向和角度方向的安装误差和车辆行驶过程中由于发动机窜动或车架等变形所引起的位移。万向传动装置的功用是在汽车行驶过程中，在轴间夹角及相互位置经常发生变化的两个转轴之间传递动力。

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Pro/E建模和有限元ANSYS软件对设计万向传动装置进行结构分析，根据分析结果对万向传动装置进行改进设计得出合理的设计方案。

关键词：万向传动装置；十字轴；万向节；传动轴；有限元分析

Abstract

The automobile universal transmission device is in the automobile transmission system important constituent,is located between the gear box and the driving axle . Generally by the universal joint, the drive shaft and the middle supporting is composed. The universal joint energy conservation realization changes the angle power transmission;Transmit the torque of the gear box to the transaxle with drive shaft;The middle supporting can compensate the drive shaft axial and the angle direction in the wiring error and the vehicles travel process because the engine flees moves the displacement which or distortions and so on frame causes. The rotary transmission device function is in the automobile travel process, the included angle and the mutual position changes between the revolution axis in the axis between to transmit the power frequently.

This article mainly is carries on the design to the automobile cross shaft type rotary transmission device. According to vehicles exploitation conditions and vehicles parameter, according to transmission system design procedure and request, Mainly has carried on following work: Mainly has carried on following work choice correlation design variable mainly is: Cross axle, universal joint, drive shaft, middle supporting parameter determination, and has carried on the unit design mainly is: Cross axle design, universal joint design, drive shaft design as well as middle supporting design and so on. And to designs the rotary transmission device through the finite element Pro/E and ANSYS software to carry on the structure analysis, Carries on the improvement design according to the analysis result to the rotary transmission device to obtain the reasonable design proposal.

Keywords: Universal Transmission Device; Cross Axle; Universal Joint; Transmission shaft; Finite Element Analysis

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1 概述1

1.2汽车传动轴的国内外研究现状2

1.3研究汽车万向传动轴的目的和意义3

1.3.1研究汽车万向传动轴的目的3

1.3.2研究汽车传动轴的意义3

1.4 万向传动轴的结构特点及基本要求4

1.5本课题研究的主要内容5

第2章汽车传动轴的结构方案分析与选择7

2.1汽车传动轴的结构方案概述7

2.1.1万向节与传动轴的结构型式7

2.1.2传动轴管、伸缩花键及中间支承结构型式7

2.1.3万向节类型10

2.2传动轴设计方案12

2.3本章小结13

第3章万向传动轴的设计14

3.1HGC1050汽车的主要技术参数14

3.2传动轴总成设计计算及校核15

3.2.1传动轴计算载荷的确定15

3.2.2传动轴轴管的选择及校核16

3.2.3中间支承的结构设计21

3.3十字轴总成的设计计算及校核24

3.3.1万向节的受力分析24

3.3.2十字轴万向节的设计及校核26

3.3.3十字轴滚针轴承的校核27

3.3.4万向节叉的设计及校核28

第4章传动轴总成建模与装配30

4.1 Pro/ENGINEER软件简介30

4.2利用Pro／ENGINEER软件进行三维实体建模31

4.2.1十字轴的创建31

4.2.2凸缘叉的创建31

4.2.3轴承差的创建32

4.2.4传动轴管的创建32

4.2.5带花键的传动轴管的创建33

第5章万向传动装置的有限元静力学分析34

5.1 ANSYS软件简介34

5.2Pro/E与ANSYS接口的创建34

5.3利用ANSYS对望向传动装置进行有限元受力分析36

5.3.1十字轴有限元受力分析36

5.3.2凸缘叉有限元受力分析40

5.3.3传动轴有限元受力分析41

5.4本章小结42

结论43

参考文献44

致谢45

第3章万向传动轴的设计

3.1HGC1050汽车的主要技术参数

根据任务书所提供的设计参数如表3.1所示。

表3.1 设计基本参数

乘员数3

重量参数

载重2165

自重3095

总重5455

空载轴荷（前/后）1657/1438

满载轴荷（前/后）2200/3255

尺寸参数

货箱尺寸5110×2100×450,550

轴距3800

轮距（前/后）1670/1602

前悬/后悬1070/2060

性能参数

最大爬坡度%28

最高车速90

最小转弯直径15.2

制动距离≤36.7m

最小离地间隙190

接近角/离去角22/15

油箱容积120

最大续驶里程800

发动机

排量3.168

额定功率/转数88/3200

最大扭距/转数300/1900-2100

排放标准欧II

3.2传动轴总成设计计算及校核

3.2.1传动轴计算载荷的确定

HGC1050所采用的驱动形式为FR（前置后驱），即传动轴位于变速器与驱动桥之间，因此传动轴计算载荷计算方法如下：

1.计算载荷按发动机最大扭矩和一档传动比来确定：

（3.1）

2.计算载荷按驱动轮打滑来确定：

（3.2）

式中，—为发动机的最大转矩（）；

—为计算驱动桥数；

—为变速器一档传动比；

—为发动机到万向传动轴之间的传动效率；

—为液力变矩器变矩系数；

—为猛接离合器所产生的动载系数；

—为满载状态下一个驱动桥上的静载荷（）；

—为汽车最大加速度时的后轴负荷转移系数；

—为轮胎与路面间的附着系数；

—为车轮滚动半径（）；

—为主减速器传动比；

—为主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比；

—为主减速器主动齿轮到车轮之间的传动效率。

发动机最大转矩，，=5.3，，=1，==32075.4，=1.2，=0.80，=0.371，=5.24，=1，=95%。

1.1 概述

万向节传动用于在不同轴心的两轴间甚至在工作过程中相对位置不断变化的两轴间传递动力。例如，在某些重型汽车和越野汽车上，根据总布置的要求需将离合器与变速器、变速器与分动器之间拉开一定距离时，考虑到在它们之间很难保证轴与轴能同心以及安装基体即车架也可能发生变形，因此在这些总成之间就应采用万向节传动。此时常采用普通十字轴万向节，也有采用挠性万向节的，其工作夹角一般不大于。前置发动机后轮驱动的汽车在行驶过程中，由于悬架的不断变形，变速器与驱动桥的相对位置(高度和距离)也在不断变化，因此它们之间需要用可伸缩的万向传动轴联接。这时当联接的距离较近时，常采用两个万向节和一根可伸缩的传动轴；当距离较远而使传动轴的长度超过1.5时，常将传动轴分成两根或三根，用三个或四个万向节，且后面一根传动轴可伸缩，中间传动轴应有支承，万向节所联的两轴之间的夹角，对一般载货汽车不应超过，对于短轴距的4×4越野汽车，最大可达。对于又要转向又要驱动的转向驱动桥，左、右驱动车轮需要随汽车行驶的轨迹而改变方向，这时多采用球笼式或球叉式等速万向节传动，其最大夹角即车轮的最大转角可达。万向节传动还用于带有摆动半轴的驱动桥、转向轴传动机构及动力输出装置等。

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[8]。

本课题使用CAD、Pro/E、ANSYS技术对万向传动装置进行设计，实现了设计与制造的一体化，具有明显的优越性。在缩短了设计周期的同时，实现了标准化，通用化，系列化，提高了加工效率及加工质量，有利于提高企业自身应变能力和市场竞争力，给企业带来综合效率。通过对HGC1050万向传动装置的设计，能够使我熟练地掌握CAD、Pro/E、ANSYS在生产实践中的应用，锻炼自己分析问题解决问题的能力。解放汽车万向传动装置正广泛应用于各种车辆上，使汽车传动性能显著提高，因此，对此课题的研究具有十分重要的意义。1.3研究汽车万向传动轴的目的和意义

1.3.1研究汽车万向传动轴的目的

中国汽车工业的迅猛发展，车型的多样化、个性化已经成为发展趋势。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。汽车传动轴市场潜在需求与潜在机会，整个产业规模具有非常大的扩展空间，单个企业规模也会越来越大。在这样的一个背景下，中国汽车传动轴发展前景一片光明。

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。而传动轴及万向节的设计装配不良将产生振动和噪声，因此该总成设计是汽车设计中重要的环节之一。本题是依据现有生产企业在生产车型的万向传动装置作为设计原型，在给定变速器输出转矩、转速及发动机和主减速器安装位置等条件下，学生独立设计出符合要求的万向传动装置，着重设计计算万向节的结构参数及对其进行了校核计算。在对各种结构件进行了分析计算后，绘制出该总成装配图及主要零件的零件图。

1.3.2研究汽车传动轴的意义

本课题使用CAD、Pro/E、ANSYS技术对万向传动装置进行设计，实现了设计与制造的一体化，具有明显的优越性。在缩短了设计周期的同时，实现了标准化，通用化，系列化，提高了加工效率及加工质量，有利于提高企业自身应变能力和市场竞争力，给企业带来综合效率。通过HGC1050万向传动装置的设计，能够使我熟练地掌握CAD、Pro/E、ANSYS在生产实践中的应用，锻炼自己分析问题解决问题的能力。汽车万向传动装置正广泛应用于各种车辆上，使汽车传动性能显著提高，因此，对此课题的研究具有十分重要的意义。

1.4万向传动轴的结构特点及基本要求

万向传动轴一般是由万向节、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。

传动轴是一个高转速、少支承的旋转体，因断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。重型载货汽车根据驱动形式的不同选择不同型式的传动轴。一般来讲4×2驱动形式的汽车仅有一根主传动轴。6×4驱动形式的汽车有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴。6×6驱动形式的汽车不仅有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴，而且还有前桥驱动传动轴。在长轴距车辆的中间传动轴一般设有传动轴中间支承．它是由支承架、轴承和橡胶支承组成。

传动轴是由轴管、伸缩套和万向此它的动平衡是至关重要的。一般传动轴在出厂前都要进行动平衡试验，并在平衡机上进行了调整。因此，一组传动轴是配套出厂的，在使用中就应特别注意。其基本结构如图1.1所示基本要求：

1.保证所连接的两根轴的夹角及相对位置在一定范围内变动时，能可靠而稳定地传递动力。

2.保证传动尽可能同步，所连接两轴尽可能等速运转。

3.由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和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。

4.传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。

万向传动装置有极其广泛的应用，发动机前置后轮或全轮驱动汽车行驶时，由于悬架不断变形，变速器或分动器的输出轴与驱动桥输入轴轴线之间的相对位置经常变化，因而普遍采用可伸缩的十字轴万向传动轴；某些汽车根据总布置要求需将离合器与变速器、变速器与分动器之间拉开一端距离，考虑到它们之间很难保证轴与轴同心及车架的变形，所以常采用十字轴万向传动轴或挠性万向传动轴；对于转向驱动桥，左、右驱动轮需要随汽车行驶轨迹变化而改变方向，这时多采用等速万向传动轴。如1.5本课题研究的主要内容

依据现有生产企业在生产车型的万向传动装置作为设计原型，在给定变速器输出转矩、转速及发动机和主减速器安装位置等条件下，独立设计出符合要求的万向传动装置，着重设计计算万向节的结构参数及对其进行了校核计算。对汽车万向传动轴的运动特性，技术难题，制造工艺，使用寿命影响因素，失效形式，进行深入系统的分析。在设计过程中避免振动，传动动轴断裂，十字轴折断，及滚针轴承过早损坏等问题。运用传统设计方法完成对传动轴的计算校核，传动轴滑动花键的设计计算。万向节叉及十字轴的计算校核。利用相关书籍资料完成对十字轴的设计及校核，传动轴滑动花键和万向节的润滑方案的选择与设计。

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内容简介：: 毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目: HGC1050万向传动轴结构设计院系名称: 汽车与交通工程学院专业班级: 车辆工程B07-2班学生姓名: 刘晓东导师姓名: 苏清源开题时间: 2011年2月28日指导委员会审查意见：签字：年月日毕业设计（论文）开题报告学生姓名刘晓东系部汽车与交通工程专业、班级车辆工程B07-2指导教师姓名苏清源职称副教授从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称HGC1050万向传动轴结构设计一、课题研究现状、选题目的和意义1、研究现状随着汽车工业的迅猛发展，车型的多样化、个性化已经成为发展趋势。万向传动轴是车辆底盘传动的主要总成之一，在工作中承受着巨大的扭矩和动负荷。经常骑使用后，级数状况会发生变化，从而将直接影响发动机动力的传递，降低传动效率，增加燃料消耗，加速轮胎磨损，同时还会影响变速器和驱动桥的正常工作。而传动轴及万向节的设计装配不良将产生振动和噪声，因此该总成设计是汽车设计中重要的环节之一。万向传动轴是汽车的关键部件之一，也是汽车国产化技术难度较大的部件之一，没有高技术的设备是很难达到要求的。它是汽车前后动力的传动装置，是汽车正常行驶不可或缺的一部分。目前，国内只有少数合资企业能够具备这样的生产能力，多数国内企业是在根据国外的样件进行开发生产，基本上没有自主的设计开发能力。综上所述，设计出工作可靠、造价低廉的传动轴，能降低整车生产成本，推动汽车经济的发展。汽车传动轴能在不同轴心的两轴间甚至在工作过程中相对位置不断变化的两轴间传递动力，连接或装配各项配件而可移动或转动的圆形物体配件，一般均使用轻而抗扭性佳的合金钢管制成。汽车传动轴的作用就是使在不同轴心的两轴间甚至在工作过程中相对位置不断变化的两轴间传递动力。万向传动装置在汽车上有很多应用，结构也稍有不同，但其功用都是一样的，即在轴线相交且相互位置经常发生变化的两转轴之间传递动力。与其它的齿轮传动、带传动、链传动机构相比，万向节传动机构有着独特的、其它机构不能代替的优点，当需要将一根轴上的扭矩或传动以较大的轴间夹角传到相距较远、且角度可能变化的另一根轴时，往往只能选择万向节传动机构来实现。其作用在航空航天、机床、机械、尤其是汽车领域非常重要。随着汽车工业100多年的发展历史，万向传动轴的设计形式也得到了很快的发展。目前，十字轴式万向节传动轴在商用车中用得最广泛。另外一个重要的组成部分是滑动花键副，由内、外花键组成，用于传递长度的变化。传动轴的万向节摆角和滑动花键副的最大伸缩量，是根据整车布置时进行的传动轴跳动校核而确定的。一般的情况下还可能有传动轴管，空心的轴管具有较小的质量但能传递较大的扭矩，并且比相同外径的实心轴具有更高的临界转速的特点。发动机前置后轮或全轮驱动汽车多采用十字轴刚性万向节传动轴。其优点是可保证在轴间交角变化时可靠地传递动力，有较高的传动效率；缺点是在传动过程中，主、从动轴的转速不相等。这种不等速性降使传动轴及相连的传动部件产生扭转振动机附加交变载荷，产生噪声，影响部件使用寿命，时常发生故障。为了实现两角间的等速传动，可采用双万向节传动，第一万向节的不等速效应就有可能被第二万向节的不等速效应相抵消，从而实现两轴间均匀运转。要达到这个目的，还必须满足两个条件，一是万向节两轴间的夹角与第二万向节两轴间的夹角相等；二是第一万向节从动叉的平面与第二万向节主动叉的平面处于同一平面内。由于变速器和主减速器是随发动机和后桥相对位置而固定的，发动机定位偏差、前后桥的弹性悬架机构的振动，造成其相对位置不断变化。为保证轴间夹角变化在正常范围内，改善传动系的等速性能，赢注重对影响传动轴定位各部件的校正。另外，万向传动装置有极其广泛的应用，发动机前置后轮或全轮驱动汽车行驶时，由于悬架在行驶过程中由于路况的不平整造成的颠簸发生不断变形，变速器或分动器的输出轴与驱动桥输入轴轴线之间的相对位置经常变化，因而普遍采用可伸缩的十字轴万向传动轴；某些汽车根据总布置要求需将离合器与变速器、变速器与分动器之间拉开一端距离，考虑到它们之间很难保证轴与轴同心及车架的变形，所以常采用十字轴万向传动轴或挠性万向传动轴；对于转向驱动桥，左、右驱动轮需要随汽车行驶轨迹变化而改变方向，这时多采用等速万向传动轴。2、目的、依据和意义本课题的选择充分考虑了所研究课题对汽车车辆工程专业学生学习和工作的指导作用。对本课题的研究能够使学生了解商用车万向轴设计方法，通过本课题的研究，学生可以完成理论课程的实践总结，获得一定的工程设计工作方法。综合运用这几年所学的知识去分析、解决各种相关问题，在作毕业设计的过程中，对所学知识进行整理、运用，提高自己的动手能力和培养自己的解决问题的能力。通过对万向传动轴的研究，培养了我的综合分析、解决问题的能力和独立工作的能力。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题1、研究的基本内容（1）万向传动轴的结构方案的分析；（2）万向传动轴的计算载荷；（3）万向传动轴的运动和受力分析；（4）万向传动轴的选择；（5）Pro/E建模，Ansys分析。2、拟解决的主要问题（1）传动轴的计算与强度校核；（2）传动轴扭矩强度校核；（3）传动轴滑动花键的设计计算；（4）十字轴的计算与校核；（5）轴承的计算与强度校核。三、技术路线（研究方法）调查并查阅相关资料方案分析万向节结构设计传动轴结构设计传动轴花键结构设计计十字轴参数计算轴承参数计算传动轴参数计算传动轴花键参数计算强度校核不合格合格Pro/E建模，Ansys分析完成毕业设计和说明书四、进度安排1、第12周（2月28日3月11日）调研、开题报告、文献综述 2、第3周（3月14日3月18日）传动轴的设计计算 3、第47周（3月21日4月15日）万向节的设计计算 4、第89周（4月18日4月29日）完成装配图 5、第1011周（5月2日5月13日）完成零件图 6、第12周（5月16日5月20日）完成设计说明书，并且进行有限元分析 7、第13周（5月23日5月27日）审查修改图纸、计算及设计说明书 8、第14周（5月30日6月3日）毕业设计预答辩准备及答辩9、第1516周（6月6日6月17日）毕业设计修改10、第17周（6月20日6月24日）毕业设计答辩五、参考文献 01 卢曦,周萍,孙跃东.汽车等速万向节的现状与发展J.机械设计与制造,2007,6 .02 吴修义.汽车万向节传动轴的选择和应用.J.重型汽车,2006.6.03 李科,何志兵,沈海.等速万向节总成的设计方法J.轴承,2006.9.04 任少云,朱正礼,张建武.双十字轴万向节传动力学建模与仿真J.上海交通大学学报,2008.11.05 何西冷.万向节机构的运动学分析J.起重运输机械,2009.6.06 李仕清,张波.万向节砖正确润滑J.AUTO MAINTENANCE,2007.12.07 康健.万向节运动传递非等速特性研究J.清华大学学报(自然科学版). 2008年,第39卷.08 刘惟信.汽车设计M北京：清华大学出版社.2007.09 华同曙.虎克万向节节叉轴承滚针的凸度设计J.华南理工大学学报(自然科学版).2006.7.10 肖生发.伍德荣.一种新型等速万向节的设计J.机械工程师.2008.7.11 李丽,顾力强.碳纤维复合材料传动轴临界转速分析J.汽车工程.2007.6.12 徐灏.机械设计手册M 北京:机械工业出版社会,2009.913 陈家瑞.汽车构造 M 北京机械工业出版社,2009.2.14 曹智军.十字万向节油脂泄漏高速试验台设计J.仪器仪表学报.2007.8.15王望予.汽车设计M.北京:机械工业出版社，2006.16刘惟信.机械最优化设计(第三版)M.北京:清华大学出版社，2008.17王国权,龚国庆.汽车设计课程设计指导书M.北京:机械工业出版社,2009.1118冯晋祥，陈德阳，王林超.汽车构造（下册）M.北京：人民交通出版社，2007.919Julian Happian-Smith. An Introduction to Modern Vehicle Design. Reed Educational and Professional Publishing Ltd 200720S.D.Haddad and N.Watson.DESIGN AND APPLICATIONS IN DIESEL ENGINEERING.Ellis Horwood Limited,2006六、备注指导教师意见：签字：年月日黑龙江工程学院本科生毕业设计本科学生毕业设计HGC1050 万向传动轴结构设计系部名称：汽车与交通工程学院专业班级：车辆工程 B07-2 班学生姓名：指导教师：职称：副教授黑黑龙龙江江工工程程学学院院二一一年六月黑龙江工程学院本科生毕业设计I摘摘要要万向传动装置是汽车传动系统中的重要组成部分，万向传动装置位于变速箱和驱动桥之间，一般由万向节、传动轴和中间支承组成。万向节能实现变角度动力传递；传动轴把变速器的转矩传递到驱动桥上；中间支承能补偿传动轴轴向和角度方向的安装误差和车辆行驶过程中由于发动机窜动或车架等变形所引起的位移。万向传动装置的功用是在汽车行驶过程中，在轴间夹角及相互位置经常发生变化的两个转轴之间传递动力。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 Pro/E建模和有限元 ANSYS 软件对设计万向传动装置进行结构分析，根据分析结果对万向传动装置进行改进设计得出合理的设计方案。关键词：万向传动装置；十字轴；万向节；传动轴；有限元分析黑龙江工程学院本科生毕业设计IIABSTRACTThe automobile universal transmission device is in the automobile transmission system important constituent,is located between the gear box and the driving axle . Generally by the universal joint, the drive shaft and the middle supporting is composed. The universal joint energy conservation realization changes the angle power transmission;Transmit the torque of the gear box to the transaxle with drive shaft;The middle supporting can compensate the drive shaft axial and the angle direction in the wiring error and the vehicles travel process because the engine flees moves the displacement which or distortions and so on frame causes. The rotary transmission device function is in the automobile travel process, the included angle and the mutual position changes between the revolution axis in the axis between to transmit the power frequently.This article mainly is carries on the design to the automobile cross shaft type rotary transmission device. According to vehicles exploitation conditions and vehicles parameter, according to transmission system design procedure and request, Mainly has carried on following work: Mainly has carried on following work choice correlation design variable mainly is: Cross axle, universal joint, drive shaft, middle supporting parameter determination, and has carried on the unit design mainly is: Cross axle design, universal joint design, drive shaft design as well as middle supporting design and so on. And to designs the rotary transmission device through the finite element Pro/E and ANSYS software to carry on the structure analysis, Carries on the improvement design according to the analysis result to the rotary transmission device to obtain the reasonable design proposal.Keywords: Universal Transmission Device; Cross Axle; Universal Joint; Transmission shaft; Finite Element Analysis黑龙江工程学院本科生毕业设计III目录摘要 IAbstractII第 1 章绪论11.1 概述11.2 汽车传动轴的国内外研究现状21.3 研究汽车万向传动轴的目的和意义31.3.1 研究汽车万向传动轴的目的31.3.2 研究汽车传动轴的意义31.4 万向传动轴的结构特点及基本要求41.5 本课题研究的主要内容5第 2 章汽车传动轴的结构方案分析与选择72.1 汽车传动轴的结构方案概述72.1.1 万向节与传动轴的结构型式72.1.2 传动轴管、伸缩花键及中间支承结构型式72.1.3 万向节类型102.2 传动轴设计方案122.3 本章小结13第 3 章万向传动轴的设计143.1HGC1050 汽车的主要技术参数143.2 传动轴总成设计计算及校核153.2.1 传动轴计算载荷的确定153.2.2 传动轴轴管的选择及校核163.2.3 中间支承的结构设计213.3 十字轴总成的设计计算及校核243.3.1 万向节的受力分析243.3.2 十字轴万向节的设计及校核263.3.3 十字轴滚针轴承的校核273.3.4 万向节叉的设计及校核28黑龙江工程学院本科生毕业设计IV第 4 章传动轴总成建模与装配304.1 Pro/ENGINEER 软件简介304.2 利用 ProENGINEER 软件进行三维实体建模314.2.1 十字轴的创建314.2.2 凸缘叉的创建314.2.3 轴承差的创建324.2.4 传动轴管的创建324.2.5 带花键的传动轴管的创建33第 5 章万向传动装置的有限元静力学分析345.1 ANSYS 软件简介345.2Pro/E 与 ANSYS 接口的创建 345.3 利用 ANSYS 对望向传动装置进行有限元受力分析365.3.1 十字轴有限元受力分析365.3.2 凸缘叉有限元受力分析405.3.3 传动轴有限元受力分析415.4 本章小结42结论43参考文献44致谢45黑龙江工程学院本科生毕业设计 0 第 1 章绪论1.1 概述万向节传动用于在不同轴心的两轴间甚至在工作过程中相对位置不断变化的两轴间传递动力。例如，在某些重型汽车和越野汽车上，根据总布置的要求需将离合器与变速器、变速器与分动器之间拉开一定距离时，考虑到在它们之间很难保证轴与轴能同心以及安装基体即车架也可能发生变形，因此在这些总成之间就应采用万向节传动。此时常采用普通十字轴万向节，也有采用挠性万向节的，其工作夹角一般不大于。前置发动机后轮驱动的汽车在行驶过程中，由于悬架的不断变形，变速器与53驱动桥的相对位置(高度和距离)也在不断变化，因此它们之间需要用可伸缩的万向传动轴联接。这时当联接的距离较近时，常采用两个万向节和一根可伸缩的传动轴；当距离较远而使传动轴的长度超过 1.5时，常将传动轴分成两根或三根，用三个或四m个万向节，且后面一根传动轴可伸缩，中间传动轴应有支承，万向节所联的两轴之间的夹角，对一般载货汽车不应超过，对于短轴距的 44 越野汽车，最大可达2015。对于又要转向又要驱动的转向驱动桥，左、右驱动车轮需要随汽车行驶的轨迹30而改变方向，这时多采用球笼式或球叉式等速万向节传动，其最大夹角即车轮的最大转角可达。万向节传动还用于带有摆动半轴的驱动桥、转向轴传动机构及动4232力输出装置等。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8。本课题使用 CAD、Pro/E、ANSYS 技术对万向传动装置进行设计，实现了设计与制造的一体化，具有明显的优越性。在缩短了设计周期的同时，实现了标准化，通用化，系列化，提高了加工效率及加工质量，有利于提高企业自身应变能力和市场竞争力，给企业带来综合效率。通过对 HGC1050 万向传动装置的设计，能够使我熟练地掌握 CAD、Pro/E、ANSYS 在生产实践中的应用，锻炼自己分析问题解决问题的能力。解放汽车万向传动装置正广泛应用于各种车辆上，使汽车传动性能显著提高，因此，对此课题的研究具有十分重要的意义。黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 1.2 汽车传动轴的国内外研究现状万向传动轴在汽车上的应用比较广泛。发动机前置后轮或全轮驱动汽车行驶时，由于悬架不断变形，变速器或分动器的输出轴与驱动桥输入轴轴线之间的相对位置经常变化，因而普遍采用可伸缩的十字轴万向传动轴；某些汽车根据总布置要求需要将离合器与变速器、变速器与分动器拉开一段距离，顾及到它们之间很难保证轴与轴同心及车架的变形，所以常采用十字轴万向传动轴或挠性万向传动轴；对于转向驱动桥，左、右驱动轮需要随汽车行驶轨迹变化而改变方向，多采用等速万向传动轴。依据在扭转方向上是否有明显的弹性，万向节分为刚性万向节和挠性万向节。刚性万向节又分为不等速万向节（十字轴式）、准等速万向节（双联式、凸块式、三销式、球面滚轮式）和等速万向节（球叉式、球笼式）。其中十字轴式万向节是目前在汽车上应用最广泛的；双联式万向节在越野车转向驱动桥应用增多；球笼式万向节在轿车转向驱动桥得到广泛应用。刚性万向节是靠零件的铰接式连接传递动力；挠性万向节是靠弹性零件传递动了的，具有缓冲减振作用。单十字轴万向节传动的不等速，使从动轴及其相连的部件产生扭转振动，影响部件寿命，所以常采用双十字轴万向节来实现等速传动。等速万向节是从结构上保证在其工作中，其传力点总位于两轴交角的平分面上；这也是以后的发展方向。这次课题设计中选的是目前汽车上应用广泛的十字轴万向节。传动轴高速转动时，在离心力的作用下长生剧烈振动；所以，传动轴与万向节装配后，必须满足动平衡要求。传动轴过长时，自振频率较低，易产生共振；通常将传动轴分成两段并加中间支承。蜂窝软垫式中间支承应用较广泛。有的汽车也采用摆动式中间支承。有限元方法在汽车产品开发中的应用非常广泛，主要在汽车上有以下几种应用：（1）结构静力分析这是在车辆及其发动机的各种零部件设计中最常见的问题，也是应用最为广泛的领域，即分析计算结构与时间无关的应力分布与变形情况。如齿轮轮齿、钢板弹簧、车桥、飞轮、传动轴的静力分析。（2）结构动力学分析一是求解结构或系统本身的动态特性，如固有频率、振型等，这对分析与解决振动问题是十分重要的；二是强迫响应分析，即结构在动载的作用下的响应，这较静力分析更接近于车辆及其发动机中的许多零部件的实际工作情况，但一般计算量也将增加许多倍。随着对环境问题的益重视，在车辆及发动机的设计中已普遍采用各种分析工具，采取各种有效措施，来改善和减少车辆的振动和噪声。例如车辆动力装置的动态性分析等。（3）温度场分析分析结构内部温度的分布情况以及热应力和热变形的情况，包黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 括稳态和瞬态的问题，例如可应用于发动机中的活塞、气缸盖等燃烧室附近的零部件。在进行这类零部件的强度刚度分析计算时，不仅要考虑机械负荷而且还要同时考虑热负荷。（4）流场分析是有限元方法在流体力学领域中的应用。一般流场分析是非线性问题，较为复杂。解决流体力学中的问题应用较多的是有限差分法与可以认为是介于有限差分法和有限元方法之间的有限容积法。这一类问题的应用实例有车辆外形对行驶阻力的影响的分析、对发动机冷却系统的分析等。对产品的结构、工艺参数、结构形状参数进行分析与优化，可在产品设计初期对其刚度和强度有充分的认识，使产品在设计过程就可保证使用要求，缩短设计试验周期，节省试验和生产费用。它在汽车产品开发中应用使得汽车在轻量化、舒适性、经济性与操纵稳定性等方面得到改善及提高。1.3 研究汽车万向传动轴的目的和意义1.3.1 研究汽车万向传动轴的目的中国汽车工业的迅猛发展，车型的多样化、个性化已经成为发展趋势。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。汽车传动轴市场潜在需求与潜在机会，整个产业规模具有非常大的扩展空间，单个企业规模也会越来越大。在这样的一个背景下，中国汽车传动轴发展前景一片光明。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。而传动轴及万向节的设计装配不良将产生振动和噪声，因此该总成设计是汽车设计中重要的环节之一。本题是依据现有生产企业在生产车型的万向传动装置作为设计原型，在给定变速器输出转矩、转速及发动机和主减速器安装位置等条件下，学生独立设计出符合要求的万向传动装置，着重设计计算万向节的结构参数及对其进行了校核计算。在对各种结构件进行了分析计算后，绘制出该总成装配图及主要零件的零件图。1.3.2 研究汽车传动轴的意义本课题使用CAD、Pro/E、ANSYS技术对万向传动装置进行设计，实现了设计与制造的一体化，具有明显的优越性。在缩短了设计周期的同时，实现了标准化，通用化，系列化，提高了加工效率及加工质量，有利于提高企业自身应变能力和市场竞争力，给企业带来综合效率。通过HGC1050万向传动装置的设计，能够使我熟练地掌握黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 CAD、Pro/E、ANSYS在生产实践中的应用，锻炼自己分析问题解决问题的能力。汽车万向传动装置正广泛应用于各种车辆上，使汽车传动性能显著提高，因此，对此课题的研究具有十分重要的意义。1.4 万向传动轴的结构特点及基本要求万向传动轴一般是由万向节、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。传动轴是一个高转速、少支承的旋转体，因断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。重型载货汽车根据驱动形式的不同选择不同型式的传动轴。一般来讲 42 驱动形式的汽车仅有一根主传动轴。64 驱动形式的汽车有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴。66 驱动形式的汽车不仅有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴，而且还有前桥驱动传动轴。在长轴距车辆的中间传动轴一般设有传动轴中间支承它是由支承架、轴承和橡胶支承组成。传动轴是由轴管、伸缩套和万向此它的动平衡是至关重要的。一般传动轴在出厂前都要进行动平衡试验，并在平衡机上进行了调整。因此，一组传动轴是配套出厂的，在使用中就应特别注意。其基本结构如图 1.1 所示图 1.1 万向传动装置的工作原理及功用黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 图 1.2 变速器与驱动桥之间的万向传动装置基本要求：1.保证所连接的两根轴的夹角及相对位置在一定范围内变动时，能可靠而稳定地传递动力。 2.保证传动尽可能同步，所连接两轴尽可能等速运转。3.由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和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。 4.传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。万向传动装置有极其广泛的应用，发动机前置后轮或全轮驱动汽车行驶时，由于悬架不断变形，变速器或分动器的输出轴与驱动桥输入轴轴线之间的相对位置经常变化，因而普遍采用可伸缩的十字轴万向传动轴；某些汽车根据总布置要求需将离合器与变速器、变速器与分动器之间拉开一端距离，考虑到它们之间很难保证轴与轴同心及车架的变形，所以常采用十字轴万向传动轴或挠性万向传动轴；对于转向驱动桥，左、右驱动轮需要随汽车行驶轨迹变化而改变方向，这时多采用等速万向传动轴。如图 1.3 所示图 1.3 万向节在汽车上的各种应用黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 1.5 本课题研究的主要内容依据现有生产企业在生产车型的万向传动装置作为设计原型，在给定变速器输出转矩、转速及发动机和主减速器安装位置等条件下，独立设计出符合要求的万向传动装置，着重设计计算万向节的结构参数及对其进行了校核计算。对汽车万向传动轴的运动特性，技术难题，制造工艺，使用寿命影响因素，失效形式，进行深入系统的分析。在设计过程中避免振动，传动动轴断裂，十字轴折断，及滚针轴承过早损坏等问题。运用传统设计方法完成对传动轴的计算校核，传动轴滑动花键的设计计算。万向节叉及十字轴的计算校核。利用相关书籍资料完成对十字轴的设计及校核，传动轴滑动花键和万向节的润滑方案的选择与设计。黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 第 2 章汽车传动轴的结构方案分析与选择2.1 汽车传动轴的结构方案概述2.1.1 万向节与传动轴的结构型式汽车后驱动桥的万向节传动装置通常称为汽车的万向传动轴或简称为传动轴，它由万向节、轴管及其伸缩花键等组成。对于长轴距汽车的分段传动轴，还需有中间支承。如图 2.1 所示2.1.2 传动轴管、伸缩花键及中间支承结构型式传动轴管由壁厚均匀易平衡、壁薄(1.53.0mm)、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如图 2.1 所示。图 2.1 汽车传动轴的结构图(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黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 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中间支承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。aF (2.1)RTfFja=式中：传动轴所传递的转矩；jT 花键齿侧工作表面的中径；R 摩擦系数。f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。也有用滚珠或滚柱的滚动摩擦代替花键齿间的滑动摩擦的结构如图 2.2 所示。图 2.2 带有滚柱的汽车传动轴1滚柱；2带有滚柱内滚道的传动轴管；3带有滚柱外滚道的轴管花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与其最大直径之比jljd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，避免共振，减小噪声。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，目前则广泛采用坐于橡胶弹性元件上的单列球轴承如图 2.1，图 2.3。橡胶弹性元件能吸收传动轴的振动，降低噪声，承受径向力，但黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 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如图2.4。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，轴承座应牢固地固定在中桥壳上如图 2.5 所示。图 2.3 汽车传动轴的中间支承(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；7 一横梁黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 图 2.4 摆臂式中间支承圈 2.5 越野汽车传动轴的中间支承2.1.3 万向节类型汽车用万向节分为刚性的、挠性的、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建万向节外，一般驱动桥传动轴均采用一对十字轴万向节。1、普通十字轴万向节普通十字轴万向节如图 2.6 所示，由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 0.25时，十字轴万向节就应报废。为了提高其使用寿命。mm出现了各种有效的组合式润滑密封装置，以润滑和保护十字轴轴颈与滚针轴承如图2.7。轿车和轻型客、货车常于装配时封入润滑脂润滑以减少车辆的润滑点，这时应采用密封效果较好的双刃口或多刃口橡胶油封。当需定期加注润滑脂时，应如图 2.7所示将油封反装以利在加注润滑脂时能将陈油和磨损产物排出。轴蕊中的滚针直径的差值应控制在 0.003以内，否则会加重载荷在滚针间的分配不均匀性。滚针轴承mm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，合适的间隙为 0.0090.095。滚针的用向总间隙取 0.080.30为宜。重型汽mmmm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。为防黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 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。图 2.6 普通十字轴万向节1 一轴承盖；2、6 一万向节叉；3 一油嘴；4 一十字轴；5 一安全阀；7 一油封；8 一滚针；9-轴承碗图 2.7 十字轴的润滑与密封 1 一防尘罩；2 一油封座圈；3 一止推环；4 一滚针；间隙；a 一油封压配锥面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，则可使处于同一平面内的输出轴与输入轴等角速旋转。21 =十字轴万向节两轴的夹角。不宜过大当由增至时，滚针轴承寿命将下416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的两轴间5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。图 2.8 给黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 出了汽车挠性万向节及其橡胶弹性元件的典型结构图，其中图(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。用于橡胶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1 5；相对拉伸率不小于 350；肖氏硬度 6575；最大挤压应力为 7.58MPa；剪切弹性模量=0.85；工作温度范围为-4580。MPaGMPa (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)盘形橡胶元件图 2.8 挠性万向节及其橡胶元件的典型结构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。两齿轮的轴线交角为，这两个齿轮轮齿的接触点位于轴间夹角的平分线上由点P到两轴线的垂直距离相等并等于在点处两齿轮的圆周速度是相等的，因而两齿P0rP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。在转向驱动桥、断开式驱动桥和 de Dion 式驱动桥的车轮传动装置中，广泛地采用着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。2.2 传动轴设计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；并且轴距为3800（1500一般须有中间支撑），需采用中间支撑。故最终决定采用带中间mmmm黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 支撑的两轴三万向节传动方案。方案如图 2.9 所示图 2.9 万向传动装置总体方案简图1-离合器；2-变速器；3-万向节；4-差速器；5-驱动桥；6-传动轴管；7-中间支撑 2.3 本章小结本章介绍了万向传动轴的结构类型及各自特点，对 HGC1050 的传动轴进行了初步的结构选择，根据本车的驱动型式（FR）及轴距的要求选择两轴三个万向节的结构型式。黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 第 3 章万向传动轴的设计3.1HGC1050 汽车的主要技术参数根据任务书所提供的设计参数如表 3.1 所示。表 3.1 设计基本参数乘员数3重量参数载重2165自重3095总重5455空载轴荷（前/后）1657/1438满载轴荷（前/后）2200/3255尺寸参数货箱尺寸51102100450,550轴距3800轮距（前/后）1670/1602前悬/后悬1070/2060性能参数最大爬坡度%28最高车速90最小转弯直径15.2制动距离36.7m最小离地间隙190接近角/离去角22/15油箱容积120最大续驶里程800发动机排量3.168额定功率/转数88/3200最大扭距/转数300/1900-2100排放标准欧 II黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 3.2 传动轴总成设计计算及校核3.2.1 传动轴计算载荷的确定 HGC1050所采用的驱动形式为 FR（前置后驱），即传动轴位于变速器与驱动桥之间，因此传动轴计算载荷计算方法如下：1.计算载荷按发动机最大扭矩和一档传动比来确定：（3.1）nkiTkTedse1max=2.计算载荷按驱动轮打滑来确定：（3.2）mmrssiirmGT022=式中，为发动机的最大转矩（）；maxeTmN 为计算驱动桥数；n为变速器一档传动比；1i为发动机到万向传动轴之间的传动效率；为液力变矩器变矩系数；k为猛接离合器所产生的动载系数；dk为满载状态下一个驱动桥上的静载荷（）；2GN为汽车最大加速度时的后轴负荷转移系数；2m为轮胎与路面间的附着系数；为车轮滚动半径（）；rrm为主减速器传动比；0i为主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比；mi为主减速器主动齿轮到车轮之间的传动效率。m发动机最大转矩， 1,300max=dekmNT， =5.3，=16 . 112/ ) 1-2 . 2(1)1-(0=+=+= kk1i%4.095%99%96=离变n黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 ，=32075.4，=1.2，=0.80，=0.371，=5.24，=1，2G8 . 96 . 05455N2mrrm0imi=95%。m所以计算可得：23.24231%04.953 . 56 . 167.30011max=nkiTkTedsemN 34.2432%95124. 539322. 080. 02 . 14 .32075022=mmrssiirmGTmN 3.2.2 传动轴轴管的选择及校核万向传动轴的结构与其所连接的万向节的结构有关。通常，万向传动轴由中间部分和端部组成。中间部分可为实心轴或为空心的轴管。实心轴仅用于作为与等速万向节相连的转向驱动桥的半轴或用作断开式驱动桥和de Dion桥的摆动半轴；空心的轴管具有较小的质量但能传递较大的转矩，且比实心轴具有更高的临界转速，故用作汽车传动系的万向传动轴。传动轴管由低碳钢板卷制的电焊钢管制成，轴管外径及壁厚(或内径)是根据所传最大转矩、最高转速及长度按有关标准 YB242-63 选定，并校核临界转速及扭转强度。电焊钢管参数应按冶金部标准摘自 YB242-63 选取如表 3-2 所示。表 3-2 给出外径毫米的标准资料，以供设计时参考。9560=cD表 3.2 毫米的电焊钢管(YB242-63)9560外径（）mm钢管厚度（）mm外径（）mm钢管厚度（）mm601.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5831.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、3.8、4.0、4.2、4.563.51.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5891.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、3.8、4.0、4.2、4.5、4.8701.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5951.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、3.8、4.0、4.2、4.5、4.8751.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5黑龙江工程学院本科生毕业设计 16 、3.8、4.0、4.2、4.5本设计中选取=75，钢管壁厚取 3。所以=69。cDmmmmcdmm传动轴的临界转速与其长度及断面尺寸等有关。由于沿轴管表面钢材质量分布的不均匀性以及在旋转时其本身质量产生的离心力所引起的静挠度，使轴管产生弯曲应力，后者在一定的转速下会导致轴管的断裂。所谓传动轴的临界转速是指旋转轴失去稳定性的最低转速，它决定于传动轴的尺寸、结构及其支承情况。为了确定临界转速，可研究一下两端自由地支承于刚性球铰上的轴(见图 3.1(a)。设轴的质量集中于m点，且点偏离旋转轴线的量为，当轴以角速度旋转时，产生的离心力为OOeWF (3.3)(2yemWF+=式中：轴在其离心力作用下产生的挠度。y与离心力相平衡的弹性力为p (3.4)cyp =式中：轴的侧向刚度。对于质量分布均匀且两端自由地支承于球形铰接的轴，c其侧向刚度 =(3845)()；c3/ LEJ)/)(5/384(3LEJc = 材料的弹性模量可取；EMPaE51015. 2= 轴管截面的抗弯惯性矩。J 64/)-(44dDJ=因 cyP)(2=+=yemWF故有 )-/(22mWcemWy =认为在达到临界转速的角速度时传动轴将破坏，即，则有：cWy0-2=cmWc （3.5）mcWc=对于传动轴管 LdDm)-(25. 022=式中：轴管的外径及内径,；dD,mm黑龙江工程学院本科生毕业设计 17 传动轴的支承长度，取两万向节之中心距，；Lmm 轴管材料的密度，对于钢。5108 . 0=mmkg /将上述的表达式代人式(3.5),令mjc及、30/-ccnW =则得传动轴的临界转速为min)/(rnc （3.6） 2228102 . 1LdDnc+=图 3.1 传动轴临界转速计算用简图(a)两端为刚性球铰支承；(b)前端与加长的变速器相连；(c)带有弹性中间支承的双传动轴传动黑龙江工程学院本科生毕业设计 18 因为 (3.7)05maxiinrUga= ，hkmUa/04.88max=24. 5, 1,39322. 005=iimrg所以 min/96.3111rn =当时，十字轴万向节传动效率为250 (3.8)tan2)/(-110rdf=式中：十字轴万向节的传动效率；0 轴颈与万向节叉的摩擦因数，滚针轴承f10. 005. 0=f十字轴轴颈直径，=221d1dmm代入上式求得 %98.990=初步选定 mmhmmhmmdmmH26;21;22;1001=由于传动轴动平衡的误差、伸缩花键联接的间隙以及支承的非刚性等，传动轴的实际临界转速要低于按上式计算的值。因此应引进安全系数 K，并取 0 . 22 . 1/max=nnKc式中：相应于最高车速时的传动轴最大转速，；maxnmin/r传动轴的计算临界转，。cnmin/r=12 用于精确的动平衡、高精度的伸缩花键及极微小的万向节间隙时。K=maxnmin/34.3111%98.9996.31110rn=取，则有计算临界转速为5 . 1=kcn min/01.466734.31115 . 1maxrknnc=因为 2228102 . 1cccCLdDn+=所以有 mmL618.761本设计传动轴为两段组成，长度小于 1618.76，因mmLmmL1000,110021=mm此本设计的传动轴满足临界转速的要求。黑龙江工程学院本科生毕业设计 19 万向传动轴的断面尺寸除应满足临界转速的要求外，还应保证有足够的扭转强度。传动轴的最大扭转应力()可按下式计算：Mpa (3.9)rdgeWkiT/1max=式中：发动机的最大转矩，；maxeTmmN 变速器的一档传动比；1gi 动载系数；dk 抗扭截面系数。rW对于传动轴管，上式又可表达为（3.10）)-(16441ccccdDTD=式中：传动轴的计算转矩，=2432.341T,max1ssseTTT =mmN 传动轴管的外径和内径。ccdD ,按上式计算得出的传动轴管扭转应力不应大于 300。MPa传动轴扭转强度为： MpaMpadDTDcccc300 54.103)-(16c441=因为的扭转强度符合的扭转强度许用最大值，所以本设计的传动轴满足扭转cc强度的要求。传动轴总成应进行动平衡，其不平衡度为：对轿车及轻型客、货车，在 3000 6000时不大于 12；对 5t 以上的货车，在 10004000时不大min/rmmN min/r于 10。十字轴端面磨损会使其轴向间隙及窜动增大而影响动平衡，因此应严mmN 格控制该间隙或采用弹性盖板，有的可加装端面滚针轴承。传动轴总成的径向全跳动应不大于 0.50.8。mm由于矩形花键联接传动具有接触面积大、承载能力高、定心性能和导向性能好，键槽浅、应力集中小，对轴和毂的强度削弱小，同时结构紧凑等优点，因此，常应用于传递较大的转矩和定心精度要求高的静联接和动联接。花键轴的尺寸按国家标准选取，最后进行强度校核。目前采用的传动轴花键多为矩形齿。它以内径和侧面定心。保证传动轴运转平稳可靠。黑龙江工程学院本科生毕业设计 20 对于传动轴花键，主要计算花键的挤压应力。根据设计手册 GB/T1144-2001 查得花键的规格为 GB/T1144-2001，工作长度取为 100的矩形齿花键。638328mm式 3.3 亦可用于计算万向传动的实心轴，例如传动轴一端的花键轴和转向驱动桥的半轴以及断开式驱动桥和 de Dion 桥的摆动半轴，并取上式的 d=0。对于花键轴：D 取花键的内径，且其许用应力一般按安全系数为 23 确定。计算传动轴花键的齿侧挤压应力(MPa)为j (3.11)ZLDDDTj)2D-)(4(21211+=式中：计算转矩，；1TmmN 花键的外径和内径，；21,DDmm 花键的齿数和键的有效长度，L=100mm。LZ,mm当花键的齿而硬度大于35 时，传动轴伸缩花键的许用挤压应力为 2550HRC。对于非滑动花键，许用挤压应力为 50100。MPaMPa将已知数据代入(3.11)得： =Mpaj61.38Mpaj5025=因此花键的强度满足设计的要求。3.2.3 中间支承的结构设计由式(3.6)可以确定传动轴总成的最大可能长度，如果它小于汽车总布置所要求的传动轴尺寸，则需在变速器和后驱动桥之间安置两根万向传动轴，且在它们的联接处(在前传动轴后端)需设置固定在车架或车身上的中间支承，如图 3.2 所示。在某些轿车上，为了缩短传动轴的长度而采用加长的变速器。当万向传动轴的前端与加长的变速器相联时，分析表明，这时由于传动轴前端支承系统变速器壳及其加长的后壳、离合器以及它们的支承具有明显的柔性，使传动轴的前端犹如架在弹性支承上，其计算简图如图 3.1(b)所示。当传动系的横向振动固有频率一定时，传动轴的这种支承系统会使其振动特性有明显的改变。式(3.6)是在假定传动轴两端支承于刚性球铰上的条件下求出的它也没有考虑万向节的质量。因此，这里需再分析一下传动轴前端为弹性支承、后端为刚性支承如图3.1(b)这样一个系统的情况。当万向传动轴的前端与加长的变速器相联时，分析表明，这时由于传动轴前端支承系统变速器壳及其加长的后壳、离合器以及它们的支承具有明显的柔性，使传黑龙江工程学院本科生毕业设计 21 动轴的前端犹如架在弹性支承上，其计算简图如图 3.1(b)所示。当传动系的横向振动固有频率一定时，传动轴的这种支承系统会使其振动特性有明显的改变。利用拉格朗日方程求出系统的固有角频率，则有 (3.12)0=+ipiKyEyEdtd图 3.2 汽车传动轴的中间支撑(a)传动轴及其中间支撑；(b)(e)中间支承方案1-挠性万向节；2、4-前、后传动轴；3-弹性中间支撑；5-平衡片；6-橡胶套；7-横梁利用拉格朗日方程求出系统的固有角频率，则有 (3.13)0=+ipiKyEyEdtd黑龙江工程学院本科生毕业设计 22 式中：分别为系统的动能与势能：PkEE 与 222215 . 05 . 0ymymEiK +=212221125 . 05 . 0+=yycycEP式中：前万向节及变速器加长部分的质量；1m 传动轴管的质量；2m 变速器加长部分及传动轴的刚度；21cc、相应的位移，见图 3.1。21y、y则系统质量的运动方程为（3.14）02y-21-122111.1=+ycycym （3.15）022112222=+yycym 令）得）、式（，带入式（15. 314. 3sin wtAyi=022112211211=+AAcAcwmA由以上两式可得到 22222122112212442cwmcAAcwmcAcA=+=或对后两式整理后得系统的固有角频率方程为 (3.16)0-24=+BAww式中：； 22121124mcmcmcA+=21212mmccB =由式 3.16 可解得两个固有角频率，其中一个与变速器加长部分的柔度有关。在0221122222=+AAcwmA黑龙江工程学院本科生毕业设计 23 大柔度下系统会在汽车使用车速下就产生共振引起大的噪声和剧烈的振动并破坏万向节传动的正常工作。提高变速器加长部分的刚度则可使系统避开在这一频率下的共振。对于带有橡胶弹性中间支承的万向节传动，其固有角频率可利用图 3.1(c)所示的简图来确定。该系统的动能和势能为)(2123322211+=ymymymEk+=232223112332221yycyycycEp系统质量的运动方程为0231111=+yycym 0231222yycym 022223223113333=+yycyycycym 令，代人上列力程中并按前述类似步骤可求出图 3.1（c）所示的固有角wtAyiisin频率方程为（3.17）0246CBwAww式中：第一、二传动轴的质量、刚度和挠度；212121yyccmm、中问支承和万向节的总质量；3m 中问支承的刚度及位移。33yc ，这样的系统具有三个固有角频率，传动轴的角速度与其中任何一个固有角频率相一致时，都会引起共振产生。其中一个最低的固有频率与中间支承有关。因此，现代汽车万向节传动中间支承的刚度，应选择得不会由于发动机的扰动而导致在使用车速范围内产生共振。本设计中所采用的中间支承如图 3.3 所示，其特点是，中间传动轴可以通过轴承在中间支撑中转动；支承轴四周有橡胶衬套，可以改善轴承受力。黑龙江工程学院本科生毕业设计 24 图 3.3 中间支撑3.3 十字轴总成的设计计算及校核3.3.1 万向节的受力分析由于十字轴万向节主、从动叉轴转矩的作用，在主、从动万向节叉上产生21,TT相应的切向力和轴向力，见图 3.4：21,ttFF21,aaFF （3.18）tansin1sincos)2/(tansin)2/(cos)coscos)(sin2/(2/12112111212121211+=+=RTFRTFRTFRTFaatt式中： R切向力作用线与万向节叉轴之间的距离；转向节主动叉轴之转角；1 转向节主、从动叉轴之夹角。 (a) 初始位置时；(b) 主动叉轴转角时=021=901图 3.4 作用在万向节叉及十字轴上的力在十字轴轴线所在的平面内并作用于十字轴的切向力与轴向力的合力为（3.19）tansin122121+=RTQ图 3.4（a）为主动叉轴位于初始位置的受力状况。此时达到最大值：221, 0aF黑龙江工程学院本科生毕业设计 25 （3.20）sin2/12RTFa图 3.4（b）为主动叉轴转角时的受力状况。这时均达最大值：90122atFFQ及、（3.21）tan)2/()cos2()cos2/(1max11max21maxRTFRTFRTQat=计算转矩取在发动机最大转矩下且变速器处于档是的转矩和满载是的驱动车1T轮最大附着力矩（）的换算转矩两者中的较小值。8 . 0即。而万向节工作夹角，。将这mNTTTssse23.2423;min1=4mmR39些数据代入（3.21）得 NRTFNRTQa9 .2144tan)2/(7 .30748)cos2/(1max11max=3.3.2 十字轴万向节的设计及校核对于十字轴万向传动节需要计算其十字轴、万向节叉、凸缘、十字轴轴承和紧固件。十字轴万向节的尺寸取决于十字轴的尺寸，而后者则是根据它在计算载荷作用下无残余变形的要求来确定的。设计是对万向节可根据其使用转矩、转速、夹角、车型以及使用寿命等要求向专业厂从系列产品中选购。根据HGC1050货车的载重质量为 2.16 ，因此初选滚针轴承型号为, t20/22NKI。万向节工作夹角。mmsmmdmmd10,4,2221=4计算十字轴轴颈根部见图 3.5（a）的截面处的弯曲应力和剪切应力为AAw （3.22）4241max132ddsQdw （3.23）2221max4ddQ式中：十字轴轴颈直径，mm；1d 十字轴轴颈油道孔直径，mm；2d 力的作用点到轴颈根部的距离，mm。s黑龙江工程学院本科生毕业设计 26 图 3.5 十字轴及万向节叉的计算用图(a) 十字轴；(b) 万向节叉十字轴的弯曲应力应不大于；剪切应力应不大于，由MPa350250MPa12080钢或 20CrMnTi，等低碳合金钢制造，经渗碳淬火处理，表Cr20CrMnTi20ACrNi312面硬度。6558HRC将已知数据代入（3.22）、（3.23）得： MPaMPasQdw350250 47.294)d-(d32w4241max1=MPaMPaQ12080 65.83)d-(d42221max=因此，十字轴的强度满足设计要求。3.3.3 十字轴滚针轴承的校核十字轴滚针轴承中的滚针直径通常不小于 1.6，以免压碎，而且尺寸差别要mm小，否则会加重载荷在滚针间分配的不均匀性，公差带控制在 0.003以内。滚针mm轴承径向间隙过大时，承受载荷的滚针数减少，有出现滚针卡住的可能性；间隙过小又有可能出现受热卡住或因赃物阻塞卡住。合适的间隙为，滚针轴mm095. 0009. 0承的周向总间隙以为好。滚针的长度一般不超过轴颈的长度，这可使mm30. 008. 0其既具有较高的承载能力，又不致因滚针过长发生歪斜而造成应力集中。滚针在轴向的游隙通常不应超过。mm4 . 02 . 0十字轴滚针轴承的接触应力为（3.24）lFddnj112721黑龙江工程学院本科生毕业设计 27 为合力作用下一个滚针所受到的最大载荷，有下式确定nF =5440.15N （3.25）iZQFnmax6 . 4=式中：滚针直径，；dmmd3 滚针的工作长度，；l18lmm 十字轴轴颈直径。1d因此 MpaMpalFddjnj3200300029.2910)11(27221=+=滚针轴承的许用载荷检验按下式进行：（3.26）31maxtan79gtinZdlQ=式中：滚针数，；Z26Z滚针的直径和工作长度，；ld,mm发动机在最大转矩下的转速，；tnmin/2000rnt自发动机至万向节间的变速机构的低档传动比，；1gi3 . 51=gi万向节工作夹角，。=4NinZdlNQgt89.37255tan79Q 7 .3074831maxmax=因此十字轴滚针轴承满足设计要求。3.3.4 万向节叉的设计及校核万向节叉在力作用下承受弯曲和扭转载荷，在截面 B-B 处，见图 3.5(b)的弯maxQ曲应力和扭转应力分别为wt （3.27）WeQwmax （3.28）ttWaQmax式中：抗弯截面系数和抗扭截面系数，对于矩形截面：tWW,；对于椭圆形截面：22, 6/khbWbhWt=黑龙江工程学院本科生毕业设计 28 ；5/16/,10/222hbhbWbhWt=矩形截面的高及宽或椭圆形截面的长、短轴；bh, 与有关的系数，见表 3.3。kbh/表 3.3 的关系bh/h/b1.01.51.752.02.53.04.010k0.2080.2310.2390.2460.2580.2670.2820.312见图 3.5(b)。ae,万向节叉由中碳钢 35，40，45 或中碳合金钢制造，其弯曲应力CrNiMoA40不应大于 5080，扭转应力不应大于 80160。合应力为wMPatMPa （3.29）224tw取mmemmakmmhmmb20,15,231. 0,45,30=根据截面关系知；（3.30）322101256/45306/mbhW= （3.31）3225 .93553045231. 0mkhbWt=由式（3.27）、（3.28）、（3.30）、（3.31）得： MPaMPaWeQw8050 74.60wmax=MPaWaQtt16080 3 .49tmax=因此，通过各方面的计算与校核承受弯曲和扭转载荷满足设计要就，所以本设计的万向节叉的强度满足设计要求。黑龙江工程学院本科生毕业设计 29 第 4 章传动轴总成建模与装配4.1 Pro/ENGINEER 软件简介Pro/ENGINEER 是美国参数技术公司（PTC）1988 年首家推出的使用参数化的特征造型技术的大型 CAD/CAE/CAM 集成软件。近年来在我国大型工厂、科研单位和部分大学得到了较为普遍的应用，深受广大从事三维产品设计和研究人员的喜爱。是一个全方位的三维产品开发软件，集成了零件、产品装配、模具设计、数控加工。钣金设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、电路布线、装配管路设计等功能模块和专有模块于一体，可以实现 DFM (面向制造设计)、DFA（面向装配设计）、ID（逆向设计）、CE（并行工程）等先进的设计方法的特性。Pro/ENGINEER 参数化设计的特性：3D（三维）实体模型：三维实体建模可以将用户的设计思想以最真实的三维模型在 Pro/ ENGINEER 中用户可以方便地对设计模型进行旋转、平移、缩放等操作，可以从各个不同的角度观察模型。另外，借助于 Pro/ ENGINEER 的系统参数，用户还可以随时计算出产品体积、重心、重量、模型大小，极大的方便了设计人员。单一数据库：Pro/ENGINEER 是建立在单一数据库上的。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部俩字一个库，在整个设计过程的任何一处发生变动，都会反应在整个产品设计制造过程的相关环节上，这样确保报数据的正确性、避免反复修改。这种特性的数据结构与工程设计制造的结合，使得整个产品的设计制造严谨、有序，大大缩短了产品的开发周期，优化了整个设计过程。能更快的对市场需求做出反应。基于特征：Pro/ENGINEER 是一个采用参数化设计、基于特征的实体模型系统。在设计过程中，采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型。正是因为一特征呢个需哦为设计单元，用户可以随时对这些特征作出合理的修改和调整。这一功能特性给工程设计人员提供了前所未有的简易和灵活。参数化设计：在 Pro/ENGINEER 中，配合单一数据库，所有在设计过程中所使用的尺寸都保存在数据库中，修改模型和工程图不再繁琐。设计人员只需要更改三维零件的尺寸，则二维工程图、三维装配图、模具等就会依照零件修改过的尺寸作出相应变化，避免了人为修改出现的疏漏情况。参数化设计还使得设计人员可以利用强大的数学运算方式，建立各尺寸的关系式，使得零件的设计更加简捷。黑龙江工程学院本科生毕业设计 30 4.2 利用 ProENGINEER 软件进行三维实体建模4.2.1 十字轴的实体建模一般零件可以使用拉伸或旋转创建，本设计使用拉伸创建。第一步：草绘模型新建零件输入文件名取消缺省选择进入零件模式。mmns拉伸放置进入草绘草绘二维模型，确定所绘图形准确无误后，点击确定。第二步：输入拉伸尺寸、拉伸特征，确定无误后确定拉伸。第三步：用各种命令实现十字轴轴径的创建。图 4.1 十字轴三维效果图4.2.2 凸缘叉的创建三维图如图 4.2 所示黑龙江工程学院本科生毕业设计 31 图 4.2 凸缘叉三维效果图4.2.3 轴承叉的创建三维图如图 4.3 所示图 4.3 轴承叉三维效果图4.2.4 传动轴管的创建三维图如图 4.4 所示黑龙江工程学院本科生毕业设计 32 图 4.4 传动轴管与轴承差的三维效果图4.2.5 带花键的传动轴管的创建三维图如图 4.5 所示图 4.5 带花键的传动轴管三维效果图黑龙江工程学院本科生毕业设计 33 第 5 章万向传动装置的有限元静力学分析5.1 ANSYS 软件简介ANSYS 是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件。开发初期时为了应用与电力工业，现在其功能已经广泛应用于航空、电子、汽车、土木工程等各个领域，能够满足各行业有限元分析的需要。ANSYS 有限元分析软件包括三个模块：前处理模块、分析计算模块、和后处理模块。功能完备预处理器和后处理器（又称与处理模块和后处理模块）使 ANSYS 具有多种多样的分析能力，包括简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析。可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它还包括优化、估计分析等模块将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为解决现代工程学问题必不可少的工具15。5.2 Pro/E 与 ANSYS 接口的创建利用 ANSYS 对结构进行有限元分析时，通常需要将 Pro/E 建立的三维模型，导入 ANSYS 中进行分析。所以需要将 Pro/E 三维实体模型通过专用的模型数据转换接口导入到 ANSYS 中， Pro/E 与 ANSYS 之间的接口技术常用的有以下两种：（1）Pro/E 与 ANSYS 集成接口：ANSYS 在默认的情况下是不能直接对 Pro /E中的 prt(或 asm)文件进行直接转换的,必须通过以下对 ANSYS 设置连接过程进行激活模块:鼠标点击“开始程序ANSYS8.0UtilitiesANS_ADM IN”,出现如下图5.1 的对话框,选择 configuration optionsOK,接下来的对话框顺序选取。Configuration Connection for Pro/EOK，ANSYSMultiphysics & WIN 32OK。黑龙江工程学院本科生毕业设计 34 图 5.1 设置 ANSYS 连接过程完成后 ANSYS 提示已在自己的安装目录中成功生成 config.anscon 文件,如下图 5.2 所示,记完下 config.anscon 的路径。在接下来出现的对话框中“Pro/Engireer Installation path”选项后输入 Pro/E 的起始安装路径如“C: Program Files proeWildfire3.0 ”:“Language used with Pro /Enginee 提示在 Pro /E 目录下建立了一个 protk.dat 文件。图 5.2 Pro/E 的起始安装路径点击确定完成配置,运行 Pro /E,工具菜单后面出现了 ANSYS8.0,说明连接成功了。运行 Pro/E 打开某零件三维模型图，点击 ANSYS8.0 下的 ANSYSGeom 按钮(如下图5.3 所示)，则模型自动导入到 ANSYS 中，此时 ANSYS8.0 软件自动打开，点击 Plot下的 Volume，则模型导入成功。图 5.3 导入界面（2）通过 IGES( *.igs)格式文件导入：首先, 在 Pro/E 环境下建立好零件模型或者完成零部件的装配, 然后, 选择主菜单【文件】下的【保存副本】子菜单, 弹出保存副本对话框后, 文件类型选择 IGES( *.igs) ,在【新名称】框内为模型输入新名称,点击【确定】按钮会弹出输出 IGES 对话框, 在输出 IGES 对话框中可以设置输出图元的类型、参考坐标系以及 IGES 文件结构。输出的图元类型有: 线框边、曲面、实体、壳、基准曲线和点, 缺省输出图元是曲面, 缺省是输出所有面组, 点击【面组.】选择特定面组输出。可以选择多种图元类型进行输出, 但是不能同时输出曲面和实体或者曲面和壳。单击【定制层.】按钮设置各层的输出特性。文件结构类型有: 平整、一级、所有级别、所有零件, 默认输出为平整。平整: 将组件的所有几何输出到一个 IGES 文件。导入到另一个系统时, 该组件就担当一个零件的角色。应将每一个零件分别放到一个层上, 以便在接受系统中能加以区别。一级: 输出一个组件的IGES 文件, 该文件只包含顶级几何( 如组件特征) 。所有级别: 输出一个组件的IGES 文件。用它可创建带有各自的几何和外部参照的元件零件和子组件。该选项支持所有层次。所有零件: 将一个组件作为多个文件输出到 IGES, 这些文件中包含所黑龙江工程学院本科生毕业设计 35 有元件和组件特征的几何信息。零件使用相同的参照坐标系, 使接受系统中的重新装配更加容易。本次技能训练选择实体特征，然后点击【确定】完成。ANSYS 导入IGES( *.igs) 文件的方法有两种: 一种是通过 ANSYS 软件的用户界面操作导入; 一种是通过输入命令导入。本次技能训练可采用第一种方法。通过用户界面操作导入IGES 的步骤是:选择主菜单【File】下的子菜单【Import】的次级子菜单【IGES.】, 弹出导入 IGES 属性设置对话框, 在导入 IGES 属性设置对话框中可以设置: 是否导入所有数据，是否合并图元, 是否创建实体，是否删除小面。点击【OK】按钮弹出文件路径选择对话框,在文件路径选择对话框中选择好所需精度, 输入 IGES 文件路径后, 点击【OK】按钮完成 IGES 文件导入。5.3 利用 ANSYS 对万向传动装置进行有限元受力分析由前面的分析可知，十字轴、万向节和传动轴是万向传动装置中重要的结构件，受力条件较恶劣。所以利用有限元进行分析时，主要分析十字轴、万向节和传动轴即可。5.3.1 十字轴有限元受力分析十字轴式万向节的主动轴及被动轴均向十字轴施加两对力，它们构成两对大小相等、方向相反的力偶。这两对力偶矢量处于主动轴与被动轴所决定的平面内，如不计两轴倾角(很小，可忽略)，则构成两力偶的力均处于十字轴轴线平面内。十字轴受力情况如图 5.4。图 5.4 十字轴受力图通过 PRO/E 与 ANSYS 建立的通道导入 ANSYS 进行分析如图 5.5 所示。图 5.5 PRO/E 导入 ANSYS 通道黑龙江工程学院本科生毕业设计 36 1、定义属性单元属性主要包括：单元类型、实常数、材料常数。典型的实常数包括：厚度、横截面面积、高度、梁的惯性矩等。材料属性包括：弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系数等。这次定义属性只用到其中的几项。（1）Preferences/Structural；（2）Preprocessor/Element Type/ADD Edit Delete/Library of Element Types 第一对话框选择 Structural Solid，第二对话框选择 Tet 10node 92；（3）Preprocessor/MaterialProps/MaterialModels/Structural/Linear/Elastic/Isotropic/输入 EX(弹性模量)值，输入 PRXY(泊松比)值。十字轴的材料选用，材料的属性如表 5.1 所示。CrNiMoA40表 5.1 的材料属性CrNiMoA40弹性模量（GPa）泊松比抗拉强度（MPa）密度（g/cm）2000.38007.82、网格划分 ANSYS 为用户提供了两种常用的网格划分类型：自由和映射。自由划分，体现在没有特定的准则，对单元形状无限制，生成的单元不规则，基本适用于所有的模型。自由网格生成的内部节点位置比较随意，用户无法控制。映射网格划分要求面或体形状满足一定规则，它生成的单元形状比较规则，适用于形状规则的面和体。这次主要采用自由网格划分，轴模型自由划分可采用以下两种途径，大家可以观察划分的网格有何区别。途径一：划分网格：Meshing/MeshTool 选中 Smart Size 复选框（精度从 1 到10，1 为最高，网格最细，但划分耗时长，一般设为 5），单击 Mesh/Pick All；途径二：划分网格：Meshing/Size Cntrls/ManualSize/Global/Size，密度为 20。此次分析采用途径一对十字轴进行划分，为了提高划分速度，精度取 8，划分后效果如下图 5.6 所示。黑龙江工程学院本科生毕业设计 37 图 5.6 网格划分结果3、约束、加载求解 ANSYS 中载荷(Loads)包括边界条件和模型内部或外部的作用力。在结构分析中，载荷主要有：位移、力、压力、弯矩、温度和重力。载荷主要分为六大类：DOF 约束(自由度约束)、力(集中载荷)、表面载荷、体载荷、惯性力及耦合场载荷。DOF 约束(DOF constraint)：用户指定某个自由度为已知值，在结构分析中约束是位移和对称边界条件。力(集中载荷)(Fome)：施加于模型节点的集中载荷，如结构分析中的力和力矩。表面载荷(SurfaceLoad)：作用在某个表面上的分布载荷，如结构分析中的压力。体载荷(Body loads)：作用在体积或场域内，如结构分析中的温度和重力。惯性载荷(Inertia loads)：结构质量或惯性引起的载荷，如重力加速度、角速度和角加速度，主要在结构分析中使用。耦合场载荷(Coupled-field loads)：它是一种特殊的情况，从一种分析中得到的结果用作另一种分析的载荷，如热分析中得到的节点温度可作为结构分析中的体载荷施加到每一个节点。对剪刀式举升机结构进行分析时我们进行面力分析，即加的为表面载荷。加载步骤如下:（1）Solution/Analysis Type/New Analysis/Static；（2）Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Areas；选择轴的两个端面进行约束，这里有 ALL DOF(全约束)、UX（X 方向位移）、UY（Y 方向位移）、UZ（Z 方向位移）、ROTX（X 方向旋转）、ROTY（Y 方向旋转）、ROTZ（Z 方向旋转），根据实际分析，应用 ALL DOF(全约束)；（1） Solution/Define Loads/Apply/Structural/Pressure/On areas 加载压强的大小（注意方向），受力 F 最大时产生的压强值：paSFp85.3327781321022217 .307486-=（2）约束和受载如图 5.7 所示。黑龙江工程学院本科生毕业设计 38 图 5.7 约束及加载（3）求解 Solve/CurrentLS/Ok/Close。4、查看结果及分析（1）查看变形结果： General PostProc/Plot Results/Deformed Shape/Ok;(变形结果可动画演示：PlotCtrls/Animate/ Deformed Shape/Ok,可直观观察轴的变形情况)General PostProc/Plot Results/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/DOF Solution;总变形如面分析下图。图 5.8 总变形情况变形量分析：从图中可以看出总方向最大变形为 0.112853mm，可见十字轴的变形量很小，充分满足刚度要求。（2）查看应力结果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/Stress/SX,SEQV（综合应力）；黑龙江工程学院本科生毕业设计 39 图

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