HGC1050万向传动轴结构设计毕业设计

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 二一一年六月 The Graduation Design for Bachelors Degree HGC1050 Universal Shafts Structure Design Heilongjiang Institute of Technology 2011-06Harbin 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 I 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:Crossaxle,universaljoint,driveshaft,middlesupportingparameter 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:Keywords:Universal Transmission Device; Cross Axle; Universal Joint; Transmission shaft; Finite Element Analysis II 目录 摘要I Abstract II 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 III 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 ProENGINEER 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 附录 A 外文文献 46 附录 B 外文文献翻译 49 IV 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 3 5。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 1.5m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15 20， 对于短轴距的 44 越野汽车， 最大可达30。 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 42达32。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 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 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。 2 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 3 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 图 1.2变速器与驱动桥之间的万向传动装置 4 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 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 5 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。 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 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 7 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 Fa 。 F a = f T j R (2.1) 式中： T j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。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 ld 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j与其最大直径j之比 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 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。 8 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 图 2.4 摆臂式中间支承 9 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 0.25mm时，十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 0.003mm以内， 否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，合 适的间隙为 0.0090.095mm。滚针的用向总间隙取 0.080.30mm为宜。重型汽车 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。 10 图 2.6 普通十字轴万向节 11 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250 350MPa；剪切应力应不大于80 120MPa，由 钢20Cr或 20CrMnTi20CrMnTi，12CrNi3A等低碳合金钢制造，经渗碳淬火处理，表 面硬度HRC58 65。 将已知数据代入（3.22） 、 （3.23）得： w = 32d 1Qmax s =294.47MPa w =250 350MPa 44(d 1 -d 2 ) = 4Q max=83.65MPa =80 120MPa 2(d 1 -d2) 2 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 1.6mm， 以免压碎， 而且尺寸差别要小， 否则会加重载荷在滚针间分配的不均匀性，公差带控制在0.003mm以内。滚针轴承径 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0.009 0.095mm，滚针轴承的周向 总间隙以0.08 0.30mm为好。滚针的长度一般不超过轴颈的长度，这可使其既具有较 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0.2 0.4mm。 十字轴滚针轴承的接触应力为 1 1 F n j 2 7 2 d d l （3.24） 1 12 F n 为合力作用下一个滚针所受到的最大载荷，有下式确定 4.6Q max=5440.15N（3.25） iZ 式中：d滚针直径，d 3mm； F n = l滚针的工作长度，l 18mm； d 1十字轴轴颈直径。 因此 j =272 ( 11F n+)=2910.29M p a j =3 0 0 03 2 0M 0p a d 1 d 2 l 滚针轴承的许用载荷检验按下式进行： Q m a x =79 式中：Z滚针数，Z 26； d,l滚针的直径和工作长度，mm； 3 Zdl （3.26） n t t a n i g1 r /min；n t 发动机在最大转矩下的转速，n t 2000 i g1 自发动机至万向节间的变速机构的低档传动比，i g1 =5.3； 。万向节工作夹角， =4 Q max =30748.7N Q max =79 3 Zdl =37255.89N n t tan i g1 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Q max 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 曲应力 w 和扭转应力 t 分别为 w Q m a x e W（3.27） t Q m a x a W t （3.28） 式中：W,W t 抗弯截面系数和抗扭截面系数，对于矩形截面：W =bh2/6,W t =khb2； 对于椭圆形截面：W =bh2/10,W t =hb2/16 hb2/5； 13 h,b矩形截面的高及宽或椭圆形截面的长、短轴； k与h/b有关的系数，见表 3.3。 表 3.3h/b的关系 h/b1.01.51.752.02.5 k0.2080.2310.2390.2460.258 e,a见图 3.5(b)。 3.0 0.267 4.0 0.282 10 0.312 万向节叉由中碳钢 35，40，45 或中碳合金钢40CrNiMoA制造，其弯曲应力 w 不 应大于 5080MPa，扭转应力 t 不应大于 80160MPa。合应力为 w 4 t （3.29） ,a =15mm,e =20mm取b =30mm,h =45mm,k =0.231 22 根据截面关系知； W =bh2/6 =30452/6 =10125m3（3.30） W t =khb2=0.23145302=9355.5m3（3.31） 由式（3.27） 、 （3.28） 、 （3.30） 、 （3.31）得： w =Q max e W =60.74M P a w =50 80M P a t =Q maxa Wt =49.3 t =80 160MPa 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。 14 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。 15 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 mmns 进入零件模式。 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 16 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 17 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 18 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。 5.2Pro/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 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 5.5PRO/E 导入 ANSYS 通道 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 21 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/E lastic/Isotropic/输入 EX(弹性模量)值，输入 PRXY(泊松比)值。 十字轴的材料选用40CrNiMoA，材料的属性如表 5.1 所示。 表 5.140CrNiMoA的材料属性 弹性模量（GPa） 200 泊松比 0.3 抗拉强度（MPa） 800 密度（g/cm） 7.8 2、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