某型SUV传动轴设计与计算

1、河北工业大学2014届本科毕业论文河 北 工 业 大 学毕 业 论 文作 者： 原囡囡 学 号： 100280 学 院： 机械工程学院 系(专业)： 车辆工程 题 目： 某型SUV传动轴设计与计算 指导者： 刘璇 讲师 评阅者： 2014年 6月 7日毕业设计（论文）中文摘要题 目 某型SUV传动轴设计与计算摘要：随着人类科学水平越来越好，人们的生活质量水平越来越高，汽车的使用也日益频繁。作为汽车传动系中非常重要的一部分，传动轴对于前置后驱的汽车而言，其重要性更为突出，其主要作用是将变速器输出的旋转运动的扭矩和功率传递到汽车后桥，起到了连接变速箱与后桥，是汽车传动系的一条大动脉。传动轴由轴管，

2、万向节，伸缩花键及中间支撑等组成。本文将在给定的参数下，计算设计出轴管与十字轴万向节的尺寸并计算校核其强度基本满足要求。运用UG建立三维模型，运用AutoCAD建立二维模型，使用UG中的Nastran模块对其进行有限元分析。目的是通过分析结果来了解传动轴的工作情况，探求各参数对其性能的影响，从而设计出更好的传动轴。关键词： 传动轴 计算校核 有限元分析 强度 31河北工业大学2014届本科毕业论文毕业设计（论文）外文摘要Title A certain type of SUV shaft design and calculationAbstractWith the improvement of

3、human science, people's quality of life is getting better and better, the use of cars are increasingly frequent. The shaft is an integral part of automobile driving part, is mainly used to transmit the torque and power of the rotary motion. For front engine rear drive car, drive shaft is particu

4、larly important, he has been connected to the transmission and driving axle, motor drive train is a great artery.By universal joint drive shaft, spline with escalation, the shaft tube, intermediate support, etc. This article will under given parameters, the calculation design the axial tube and the

5、size of the cross shaft universal joint and calculated the strength of basic meet the requirements. Using UG to establish three-dimensional model, using AutoCAD 2d model is set up, using Nastran module of UG to finite element analysis. Purpose is through the analysis to understand the performance of

6、 the drive shaft, to explore the effects of various parameters on its performance, so as to design better drive shaft.Keywords： Drive shaft; Calculated and check; Strength; The finite element analysis;目 录1 绪论51.1 课题背景51.2 国内外研究现状51.3 常见的万向节及其工作原理61.4 课题内容92 万向传动轴的设计与计算92.1 传动轴设计校核计算过程92.2 传动轴的主要结构参数

7、及校核计算102.3 计算机辅助绘图153 建立万向传动轴模型193.1 软件介绍193.2 实体建模203.3 本章小结214 万向传动轴的仿真分析224.1 Nastran软件介绍224.2 有限元分析过程及结果224.3 分析所设计的结构的不足与改进方法274.4 模态分析27结 论28参 考 文 献29致 谢301 绪论1.1 课题背景随着人类社会的发展越来越好，人民生活水平的质量越来越高，汽车的使用也越来越频繁。作为汽车传动系统的重要组成部分，在前置引擎后轮驱动的汽车中，传动轴重要性更为突出，其主要功能是将变速器的输出转矩和功率传输到后轴的旋转运动，起到了连接变速箱与后桥，是汽车传动

8、系的一条大动脉。汽车所安装的万向传动轴大部分由传动轴、万向节和中间支撑等构成。不同的行驶情况下传动轴所受力矩由汽车驱动轮（后轮）载荷决定。汽车在加速、爬坡或满载时传动轴所受力矩较大。汽车行驶时，由于后轴的跳动，变速器和后驱动桥的相对位置也会不断的发生变化，使传动轴与变速器之间产生轴向位移，伸缩花键可以很好的解决这个问题。根据汽车的工作情况来设计汽车的传动轴，使其能够承受传动载荷，结构尽可能简单，便于拆装，寿命足够长。从而使汽车减少材料使用，减轻质量，降低油耗，使产品拥有更强的竞争力。如果按照传统的设计方法来设计传动轴然后检验其性能耗时长，效率低，成本高且检验性能的过程也比较复杂。现如今，我们可

9、以利用计算机软件来建模然后分析，利用cad制出二维图纸，利用UG制出三维模型并且可以利用UG中的Nastran模块来对设计出的模型进行模拟分析从而优化设计。这样不仅提高了工作效率，更节约了设计成本。1.2 国内外研究现状作为汽车的最为重要的传动部件，传动轴所连接的两轴一般不在同一轴心，甚至在工作时还有可能不断发生相对位置的变化，这就要求传动轴材料性能必须很好，因此一般用金属材料来制造汽车传动轴。包括传动轴轴管、滑动花键副、万向节和中间支承结构。传动轴使用金属材料，那么在使用过程中为了对传动轴进行保养，要定期向其中注入润滑油，注润滑油的过程又累又脏，不仅增加了驾驶人员的负担还浪费时间。另外传动轴

10、用金属材料，在使用过程中容易产生磨损，使传动轴产生噪音、降低传动效率、使用寿命缩短。为了减少磨损，省去润滑的过程，美国最先开始研究传动轴涂覆层技术，并于1966年申请专利成功。此工艺将尼龙1010、尼龙12、尼龙11材料粉末加上粘结剂涂在金属传动轴的表面上。这种方法一定程度上改善了传动轴的性能和应用，但是并未对部件进行简化，其性能强度也并无大的改善。随后出现了纤维增强树脂复合材料传动轴，此技术逐渐解决了传统的金属传动轴的缺点，而且随着此技术的发展，传动轴的性能也日臻完善。传动轴涂层尼龙技术在我国已经发展的很成熟了，河南许昌传动轴总厂每年生产的尼龙涂敷汽车传动轴达到总成900000套，其中轻型汽

11、车传动轴280000套,中型汽车传动轴340000套，重型汽车传动轴280000套。在全世界购买汽车零部件的情况下，我国自立的零部件出产企业面临着低端产品劳动力本钱太高没利润，高端产品又无充足的竞争力的两重压力，未来那些技术上和规模上占据优势的，拥有较大的发展空间的是那些具有良好品牌形象的企业。国际汽车零部件行业格局呈现以零件供应商为底座，以模块供应商为塔身，以系统供应商为塔尖的金字塔形，相应利润分配也是零件供应商最低，模块供应商中间，系统供应商最高。而我国的汽车零部件行业总体正处于利润率低，存活都有困难的塔底位置。于是，那些踊跃拓展上端进行业务，致力迈向模块供应商或系统供应商的零部件企业，或

12、者专心于达成技术晋级或建设品牌的零部件范畴的厂商将在这场竞赛中锋芒毕露。最先生产的碳纤维复合材料汽车传动轴的是生产碳纤维复合材料的公司：美国摩里逊公司。通用汽车公司载重汽车应用该公司生产的传动轴。采用的碳纤维复合材料可以使如今的一件代替原来的两件，其质量相比钢材传动轴可以减轻60%，每个传动轴可以减轻9Kg。1984年，福特公司大胆的在汽车领域使用玻璃纤维复合材料传动轴。传统金属材料的抗扭曲强度连这种材料的一半都不及，这种材料的扭矩力测试结果为17793N远大于设计安全值10000N，玻璃纤维在作为受力材料时还要逊色于碳纤维复合材料。碳纤维复合材料的比强度、比模量都很高，可以有效的降低汽车总质

13、量，从而降低油耗节约能源。资料表明：使用碳纤维复合材料传动轴可以至少比传统金属传动轴减轻40%的质量，传动轴两端的金属链接部件也可以使用碳纤维复合材料来减轻质量。汽车运动部件如传动轴等的质量每减轻百分之一，可以节油百分之二，而其他普通部件质量每减轻百分之一，只能节油百分之一。纤维增强树脂复合材料传动轴在汽车领域已经被广泛应用，并且相对于传统金属传动轴的汽车，NVH性能得到了大幅提升，使汽车驾驶者所处的环境变的安静怡人。 目前由几家大型外资企业控制着国内的传动轴市场，中国对于碳纤维传动轴的研究和生产迫切需要提高。由于碳纤维成本较高，碳纤维传动轴的大规模的产业化较为困难，美国碳纤维在汽车

14、工业中的使用作了研究调查, 结论是只有碳纤维的价格降低至16.5美元以下时，碳纤维与钢材才有竞争的可能。但其性能的优秀及使汽车轻量化的作用仍使得制造商对其有很大兴趣。1.3 常见的万向节及其工作原理万向节按其在扭转方向上是否有明显的弹性可分为挠性万向节和刚性万向节。刚性万向节又可分为不等速万向节（如常用的十字轴式万向节），准等速万向节（如双联式万向节、三销轴式万向节等）和等速万向节（球叉式万向节、球笼式万向节等）。传动轴在底盘的布置如图1-1图1-1 传动轴结构示意图1 十字轴式刚性万向节1-套筒；2-十字轴；3-传动轴叉；4-卡环；5-轴承外圈；6-套筒叉图1-2 十字轴式刚性万向

15、节结构示意图汽车上使用最多的不等速万向节就是十字轴式刚性万向节，十字轴式万向节相邻两轴的最大交角可以达到15°20°。图1-2中所示的十字轴式万向节由两个万向节叉，四个滚针轴承和一个十字轴等组成。十字轴2的两对轴颈分别放入两万向节叉上的孔中。这样在主动轴转动的过程中，从动轴在绕十字轴中心做任意方向的摆动的同时又不影响其随主动轴转动，从而达到了万向传动的目的。滚针轴承5装在十字轴的轴颈和万向节叉上的孔之间，滚针轴承外圈使用卡环进行轴向定位。十字轴上一般留有注油嘴并有油路通向轴颈以润滑轴承，润滑油可以从注油嘴通过油路到达十字轴轴颈的滚针轴承处。 十字轴式刚性万向节传动效率高，结

16、构简单。但是当两轴之间有夹角时不能做到等角速度传动，因此会产生振动。2 双联式万向节1、4-万向节叉；2-十字轴；3-油封；5-弹簧；6-球碗；7-双联叉；8-球头图1-3 双联式万向节结构示意图双联式万向节实际上是一套将传动轴长度缩小到极限的双十字轴式万向节等速传动装置，也是最为常见的准等速万向节，双联叉7相当于传动轴及两端处在同一平面上的万向节叉。3 球笼式万向节1-主动轴；2、5-钢带箍；3-外罩；4-保持架（球笼）；6-钢球；7-星形套（内滚道）；8-球形壳（外滚道）；9-卡环图1-4 球笼式万向节结构示意图O-万向节中心；A-外滚道中心；B-内滚道中心；C-钢球中心；-两轴交角（钝角

17、）图1-5 球笼式万向节工作原理图球笼式万向节在工作时，外滚道的中心A与内滚道的中心B分别位于万向节中心O的两边，且与O等距，即AO=BO。两个三角形COA与COB全等，故AOC=BOC。此时钢球求新C到主动轴的距离a和到从动轴的距离b相等，从而保证了从动轴与主动轴以相等的角速度旋转。 由于球笼式等速万向节里的六个钢球全部受力，承载能力强，甚至可以在两轴交角达到42°情况下传递扭矩，并且其结构紧凑，拆装方便，因而得到了广泛的应用。1.4 课题内容本课题的目标是首先设计计算校核传动轴各部件强度是否达标，然后利用UG软件建立模型并利用Nastran对其进行有限元分析，从而进一步验证其强度

18、是否达标，并通过修改参数，最终设计出合理的传动轴。首先计算出传动轴各部件的尺寸，并通过计算对其强度进行校核。然后利用AutoCAD绘制二维图纸。根据所绘制的二维图纸和计算参数使用UG软件建立三维模型并将其装配成一体。利用UG里的Nastran模块对模型进行有限元分析并根据分析结果调整参数，最终设计出合理的传动轴。2 万向传动轴的设计与计算2.1 传动轴设计校核计算过程 传动轴设计校核计算流程如图2-1：图2-1 传动轴计算流程图2.2 传动轴的主要结构参数及校核计算1 轴管直径的设计计算与校核考虑到实心的传动轴其传动临界速度比空心的心要小，且使用材料多，质量大，所以一般都做成空心的。根据传动轴

19、的工作状况，参照有关标准，参考其他suv车型参数选取：。D，d轴管外径与内径。第一段传动轴长度。第二段传动轴长度。两端自由支撑、壁厚均匀的等截面传动轴的计算临界转速()为：其中：D,d轴管的外径与内径（mm）。 L传动轴的支撑长度，取两万向节的中心距（mm）。第一段传动轴长度，第二段传动轴长度。将两段传动轴长度分别代入得： 。传动轴转速n与发动机额定转速的关系： 其中i为变速器传动比。任务书中给出： 发动机额定转速：，变速器各档速比：一档4.325；二档2.385；三档1.533；四档1.000 ；五档0.834；倒档4.138。 所以传动轴最大转速 其中=0.834。由于传动轴动平衡的误差的

20、影响，实际临界转速要低于计算的值。取安全系数，将两传动轴的临界转速分别代入得：=3.70，=2.44。两者皆大于2.0，所以轴管内外径符合要求。2 轴管的扭转应力的校核校核扭转应力： 其中为许用应力，取=359高合金钢（40Cr、40MnB等）、中频淬火抗拉应力980 ，工程应用中扭转应力为抗拉应力的0.50.6，取该系数为0.55，由此可取扭转应力为539 ，参考GB 3077-88式中：传动轴计算转矩（），（）。发动机最大转矩（），变速器一档的传动比，动载系数 对于性能适中的SUV，选=1.5。D,d传动轴外径与内径（mm）。任务书给出发动机最大转矩：=193

21、000，=4.325，代入得：=1252087.5 D=59.5mm d=56.5mm 代入得：=162MPa<=359MPa所以符合要求。3 花键齿侧挤压应力的校核传动轴花键齿侧挤压应力的校核： ；式中：传动轴计算转矩（），花键的外径与内径（mm）， Z花键齿数，L花键有效长度。 许用挤压应力，花键取=192。（详见汽车设计390页）各数据为=1252087.5，参考其他同类车型，取传动轴的花键=28mm，=25mm；传动轴的花键Z21，L75mm。代入得传动轴的动力端花键齿挤压应力=40MPa<=192MPa。所以符合要求。4 十字轴万向节连接支承匹配与校核 十字轴及万向节叉计

22、算如下图a：十字轴 b：万向节叉图2-2 十字轴及万向节叉校核计算用图（1）设作用于十字轴轴颈重点的力为F，则：式中，万向传动轴的计算转矩（）；主、从动叉轴的最大夹角； R合力F作用线到十字轴中心之间的距离（mm）。其中=1252087.5，=4°，R=35mm代入得F=17930.6N（2） 十字轴轴颈根部的弯曲应力和切应力应满足： 式中十字轴轴颈直径（mm）；十字轴油道孔直径（mm）；s合力F作用线到轴颈根部的距离（mm）；许用弯曲应力，为250360MPa；切应力许用值，为80120MPa。取=18.2mm，=2mm，s=11.8mm，代入得=357.55MPa =69.77M

23、Pa两者皆符合要求（3） 十字轴滚针轴承的接触应力应满足：式中：滚针直径（mm）；滚针的工作长度（mm），L为滚针总长度（mm）；合力F作用下一个滚针所受的最大载荷（N），i滚针列数，Z每列中的滚针数。取=4mm，=14mm，i=1，Z=44代入得=1738.1MPa。当滚针和十字轴轴颈表面硬度在58HRC以上时，许用接触应力为30003200MPa，所以符合要求。（4） 万向节叉与十字轴组成连接支承，在力F作用下产生支承反力，在与十字轴轴孔中心线成45°的B-B截面处，万向节叉承受弯曲和扭转载荷，起弯曲应力和扭应力应满足：式中：W，截面B-B处的抗弯截面系数和抗扭截面系数，矩形截面

24、：，；椭圆形截面：，；h，b矩形截面的高和宽或椭圆形截面的长轴和短轴；k与h/b有关的系数；弯曲应力许用值，为5080MPa，扭应力的许用值，为80160MPa。取a=16mm，e=35mm，b=12mm，h=64mm，得知k=0.282，矩形截面代入得：=76.6MPa，=110.4MPa，符合要求。表2-1 系数k的选取h/b1.01.51.752.02.53.04.010k0.2080.2310.2390.2460.2580.2670.2820.312（5）影响十字轴万向节的传动效率有输出端与输入端的轴间夹角，装配和加工精度等各条件因素有关，当25°时，可按下式计算（取=4&#

25、176;）式中，0为传动效率，f为万向节叉与轴颈的摩擦因数，d1为十字轴轴颈直径，R为合力的作用线到十字轴中心之间的距离。本课题所采用滚针轴承，取f=0.08，代入数值得：0=99.8% 故十字轴万向节符合传动效率要求。2.3 计算机辅助绘图传统的设计方法通常在纸上用手绘草图开始设计，从手绘草图变为手绘工作图的工作繁重并且不易于修改，效率低下。如今运用AutoCAD软件来绘图可以将繁重的工作交由计算机快速完成，并且能够快速的对图形进行检查及修正，利用计算机还可以对图形进行处理工作，如：缩小、放大、旋转、平移和编辑等，方便实用。绘图步骤： （1）设置图层，设置线型、颜色及线宽。图中画法按照GB/

26、T4457.4-2002选取制图，标准规定的粗细线线宽比例为2：1并且应当优先选取0.5或0.7mm为粗线线宽，本课题选用0.5mm的粗线线宽，其余线宽为0.25mm。（2）按照标准绘制出A0，A1，A2，A3，A4图纸的模板，标准如表2-2：表2-2 各图纸模板参数幅面代号A0A1A2A3A4B×L841×1189594×841420×594297×420210×297a25c105（3）根据要求，选择A0图纸绘制总装图,绘制传动轴一使用A1图纸，绘制传动轴二用A1图纸，绘制滑动节叉与固定节叉用A3图纸，绘制十字轴用A4图纸。总装图

27、使用1:2缩小，其余1:1绘图。绘制图形时应严格按照按GB/T14690-1993标准。（4）绘制好图形后，根据GB/T4458.4-2003标准对图形进行标注和说明。无论绘制图形时的比例尺是多少，标注时候均标注其实际尺寸。（5）填写标题栏信息及技术说明，所有文字格式均严格按照GB/T14691-1993标准来填写。（6）完成二维图纸的绘制。图2-3 装配图俯视图图2-4 装配图正视图图2-5 传动轴一的二维图图2-6 传动轴二的二维图图2-7 滑动节叉的二维图3 建立万向传动轴模型3.1 软件介绍 集CAD/CAM/CAE于一体的3D参数化软件UG，是当今世界上计算机辅助设计、分析和制造软件

28、中最先进的之一，它涵盖了产品设计以及工程和制造中的全套的开发流程，为用户提供了全面的产品全生命周期解决方案，是当今最先进的产品全生命周期管理软件之一。 （1）产品设计：利用零件建模模块可以建立各种复杂结构的三维参数化实体、利用产品装配模块可以将各部件装配起来形成装配模型，利用工程图模块可以绘制部件详细模型，能够自动生成工作图纸；多个设计人员之间可以同时进行设计然后相互协助；可以用UG来设计各种类型的产品，并支持设计产品的外观以及虚拟的装配产品并进行各种分析，省去了传统设计中制造样品的过程。 （2）产品分析：利用有限元分析模块，可以分析产品模型的受力、受热，还可以进行模态分析，从分析结果的云图颜

29、色上可以直观的看出产品各部件受力或者变形等情况。利用结构分析模块，可以分析产品实际运动时的状况、是否产生干涉等，并且可以分析产品运动的速度。 （3）产品加工：加工模块可以根据产品的模型模拟出生产时刀具的路径，自动生成数控机床能够接受的数控加工指令代码，省去了数控机床的编程过程。（4） 产品宣传：UG的可视化渲染功能可以生成逼真的艺术照片以及动画，企业可以直接将产品模型发布到网上进行宣传。UG6.0的特点有：（1）具有统一的主模型数据库，真正实现了CAD/CAM/CAE等各模块之间的无数据交换的自由切换，从而实现并行工程。 （2）采用复合建模技术，能够将曲面建模、实体建模、显示几何建模、线框建模

30、与参数化建模融为一体。 （3）实体造型时的基础是基于特征(如立方体、球、圆柱、圆锥、倒角等)的建模和编辑方法，形象直观，类似于工程师传统的设计方法，并能用参数驱动。 （4）曲面设计采用非均匀有理B样条作为基础，可以用多种方法生成复杂的曲面，特别适合于汽车外形设计、汽轮机叶片设计等复杂曲面造型。 （5）具有友好的用户界面，绝大多数功能都可以通过图标实现。进行对象操作时，具有自动推理功能，在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，以便于用户做出正确的选择。3.2 实体建模 打开UG，新建模型进行建模。根据计算所得参数，利用草图，拉伸，布尔运算等功能来建立各部件模型。图3-1 传动轴一的三维模型图3-2

31、 带花键的滑动节叉模型 建立完各部件立体模型后运用UG软件对各部件进行装配，添加适当的约束，生成装配图。图3-3 装配图3.3 本章小结 运用UG软件的强大功能，建立草图并进行约束之后对草图进行拉伸回转等操作来建立三维模型。用同样方法建立完所有部件的三维模型后，通过UG的装配功能，对零件添加适当的约束，将各部件模型装配到一起成为装配体，用来进行下一步的有限元分析。4 万向传动轴的仿真分析4.1 Nastran软件介绍 Nastran，即 NASA Structural Analysis System，是 1966 年美国国家航空航天局 (NASA) 为满足当时航空航天工业对结构分析的迫切需求，

32、主持开发大型应用有限元程序。它支持大量通用工程仿真：线性静态结构分析、非线性分析、模态分析、结构屈曲分析、稳态和瞬态热传递、复合材料和焊接分析。全球主要制造商都采用该工具来满足关键的工程计算需求，以越来越短的设计周期时间创建安全、可靠和优化的设计。在过去三十年间，Nastran几乎成了每个主要行业的首选分析解决方案，这些行业包括航空航天、国防、汽车、造船、重型机械、医疗和消费品。成为应力、振动、结构失效/耐久性、热传递、噪音/声学和颤动/气动弹性计算机辅助分析的行业标准。4.2 有限元分析过程及结果 使用UG打开已装配好的装配图，点击开始-高级仿真，在仿真导航器中选择装配体右键-新建fem，在

33、新建部件文件中选择NX Nastran模板并确定完成fem文件的创建。图4-1 新建fem文件指派材料为Steel。创建物理属性选择材料为Steel。创建网格收集器。图4-2 指派材料，物理属性，创建网格收集器网格收集器创建好后就可以开始绘制网格了。图4-3 对各部件绘制网格绘制好网格后在仿真导航器中右击fem文件名，选择新建仿真，选择NX Nastran模板并确定来建立sim文件。在弹出的新建仿真对话框里点击确定后会弹出解算方案对话框。由于本课题传动轴前端接变速箱，后端接后桥，且中间有中间支撑。所以解算方案类型选择NLSTATIC 106-多约束。图4-4 解算方案的选择 选择好解算方案类型

34、后点击确定。开始对模型添加约束和载荷。图4-5 添加载荷图4-6 添加约束载荷为作用在滑动节叉的节叉轴上的来自于变速箱的扭矩。约束有三处：滑动节叉节叉轴的转动副，中间支撑的转动副，这两处使用圆柱形约束。固定节叉处有四个销钉形成随动关系，使用四个销钉约束。十字轴与节叉之间为滑动副，应对其面对面粘合，如下图：图4-7 面对面粘合添加完载荷与约束后开始求解：在仿真导航器中选择Solution右击选择求解，点击确定后开始求解。经过一段时间的等待后求解结束，在后处理导航器中选中Solution 1右键加载，加载完成后就可以查看仿真结果了。图4-8 位移图4-9 应力图4-10 非线性应变图4-11 非线

35、性应力4.3 分析所设计的结构的不足与改进方法 由仿真结果可知本次设计的传动轴能够承受额定的载荷，但是在十字轴处仍然有应力集中比较危险，可以通过改变十字轴结构或者采用强度更高的材料来改善。4.4 模态分析模态分析过程与有限元分析基本相同，只是在新建sim文件时解算方案类型选择SEMODES 103-响应仿真。仿真结果如图4-12至图4-14图4-12 模式8图4-13 模式9图4-14模式10结 论本课题为某型SUV传动轴的设计与计算，对传动轴进行了设计计算校核。使用AutoCAD绘制了二维图纸，使用UG建立了三维模型，并且为了进一步校核其强度又使用NX Nastran软件对其进行了有限元分析。通过此次设计，我得知：传动轴虽然结构较为简单，可是设计起来也是颇为复杂，所以我们面临看似简单的问题也要认真去做。目前国内传动轴还有很多不足，例如精度过低、结构笨重等问题还颇为严重。未来的传动轴将更多的使用碳纤维之