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2865 基于ANSYS的汽车传动轴有限元分析与优化设计 基于 ANSYS 汽车 传动轴 有限元分析 优化 设计

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第三届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 485 汽车变速器二轴有限元分析 鲁守卫 业红玲 (安徽农业大学工学院 合肥 230036) 摘要摘要摘要摘要： 在 Unigraphics 软件中建立二轴三维模型，通过接口程序将模型导入 ANSYS 环境中，建立二轴有限元模型。运用有限元理论对二轴进行了弯曲和扭转工况的计算，获得对应工况下的应力、应变、扭矩情况。对二轴进行了模态分析，得出基本振型和相关频率。探讨了其受力特性和动态性能，为结构优化和改进设计提供了理论依据。 关键词关键词关键词关键词：二轴 有限元 模态分析 Finite Element Analysis of Vehicle Transmission Output Shaft Lu Shou-Wei , Ye Hong-Lin Engineering College of Anhui Agricultural University Hefei 230036 China, Abstract:Out Shaft three-dimensional mode is built by software Unigraphics. The software Ansys is used to build the finite element mode of the output shaft. Calculations have been done in regard to plane bending and utmost torsion of output shaft based on the finite element method. Modal analysis is researched. The mode shapes and frequency of the output shaft are obtained as well as the distribution of stress, strain, torsion moment. The dynamic characteristics and the static characteristics are discussed after calculations. Reliably theoretical basis for the improvement of design is provided and proposal for optimization is offered. Key words: Output Shaft Finite Element Method Modal Analysis 1 前言前言前言前言 变速箱是用来改变发动机传递到驱动轮上转矩和转速的，目的是使汽车在不同的行驶工况下获得不同的牵引力和速度。二轴是汽车变速箱中传递扭矩的关键零件，其结构刚度直接影响变速器正常工作，导致齿轮磨损和工作噪声变大。因此对二轴进行结构刚度特性分析十分必要。结构刚度特性分为静态特性和动态特性，静态特性是指固定不变的载荷作用下结构的效应，即由于稳态外载引起的系统或部件的位移、应力、应变和力。动态特性是指随时间变化的载荷对结构或部件的影响，主要用模态频率来衡量。利用有限元分析方法可以充分解析二轴的结构刚度特性。其分析结果对二轴结构和尺寸的优化，以及使其具备良好的动静态特性有着重要的意义。 2 二轴有限元模型建立二轴有限元模型建立二轴有限元模型建立二轴有限元模型建立 在对汽车变速器二轴进行有限元分析时,首先要建立准确的实体模型。 按照变速器二轴的二维图尺寸，用Unigraphics软件进行三维实体建模。 实体三维图如图1所示。 在建立有限元模型前要对计算模型进行合理简化，一些微小的细节可以忽略，这对分析精度的影响不大。这样既可以节省时间又保证了精度。然后将建立好的模型导入ANSYS中。根据表1所示的材料参数选用单元类型为六面体20节点的Solid186单元。进行有限元网格划分（如图2所示），单元总数25285，节点总数37628。 图1 二轴三维实体图 第三届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 486 表1 二轴材料参数 图2 有限元模型 3 3 3 3 计算工况选择计算工况选择计算工况选择计算工况选择 31 静态载荷工况分析静态载荷工况分析静态载荷工况分析静态载荷工况分析 汽车在行驶过程中，由于各个档位上的齿轮要受圆周力、径向力和轴向力作用，则二轴既要承受转矩又要承受弯矩，产生弯曲变形和扭转变形。如果二轴刚度不够，就会影响正常工作并产生不良后果。在计算前，要进行工况分析和载荷与约束的施加。 311 弯曲工况弯曲工况弯曲工况弯曲工况 二轴为齿轮轴，其弯曲工况发生在工作时二轴的垂直振动和由齿轮传递的径向力作用在轴上时。计算弯曲刚度时，采用约束和载荷为：在两端轴颈处约束6个方向的自由度，在载荷施加处约束除Z向外的所有5个方向的自由度。载荷施加位置为轴的中心处。 312 扭转工况扭转工况扭转工况扭转工况 扭转工况发生在汽车行驶过程中，驾驶员根据路况不同反复换档时。计算扭转刚度时，采用约束和载荷为：在Z正向的轴颈处约束6个方向的自由度，在Z负向的轴颈处约束除X向转动外的其它自由度。载荷施加在轴头齿轮上和花键联接处。 32 动态载荷工况动态载荷工况动态载荷工况动态载荷工况分析分析分析分析 动态分析即进行模态分析，主要用于确定结构或机器部件的振动特性，模态分析方法就是将线性定常系统振动微分方程中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组用模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。模态分析主要包括四个步骤（1）建立模型；（2）加载并求解；（3）扩展模态；（4）观察结果。 多自由度系统的一般方程为： MxCxKxf+=& （1） 式中 xq=， 、 q分别为模态矩阵和模态坐标，上式可变换为模态解耦方程： 200200Tnnqqqf+=OO&OO （2） 其中，第r阶模态方程为： 材料 20CrMnTi 弹性模量 3206 10 Mpa 泊松比 03 密度 337.8 10 kg m 屈服极限 840Mpa 刚度极限 1080Mpa 第三届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 487 ()2rrrrrKMj CqF+= （3） 式中 TrrFf=，rM，rK，rC分别为模态质量、刚度和阻尼。由（3）式得： ()2rrrrrFqKMj C=+ （4） 则结构上某点的响应为： ( )1nllrrrxq= （5） 4 静态静态静态静态刚度刚度刚度刚度与模态分析结果及评价与模态分析结果及评价与模态分析结果及评价与模态分析结果及评价 41 弯曲工况结果分析弯曲工况结果分析弯曲工况结果分析弯曲工况结果分析 最大应力发生在直径变化处（如图3） ，是由于轴径变化较大造成的，最大应力为138.27MPa，20CrMnTi材料的屈服强度为840MPa，则安全系数为6.07S，S为复合安全系数，S1.51.8，则满足刚度的需求。最大垂直位移发生在花键B处，最大水平位移在齿轮后端（如图4 ） ，最大位移为0.0122mm，变形量小于许用绕度y=(0.010.03)m，m齿轮模数，m=2.25。符合弯曲刚度要求。 图3 二轴弯曲工况应力云图 图4 二轴弯曲工况变形图 42 扭转工况结果扭转工况结果扭转工况结果扭转工况结果分析分析分析分析 扭转工况下，高应力区域出现在轴头与花键轴过渡处以及轴径变化处(如图5)，最大应力在轴颈与齿轮结合部位。由于齿轮与轴颈过渡直径相差过大造成。变形图（如图6所示） ，最大扭转在齿轮后端的轴身处。变形量为0.00102mm。符合扭转刚度要求。 图3 二轴扭转工况应力云图 图4 二轴扭转工况变形图 第三届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 488 43 模态分析及结果模态分析及结果模态分析及结果模态分析及结果 按上述建立的有限元模型对二轴进行了动态特性分析， 分析频率为 02000Hz。 利用 Block Lanczos 方法提取 10 阶模态，表 1 为二轴的计算固有频率。 由计算结果可以看出，200Hz 以下有 2 表 1 二轴的计算固有频率 阶模态，2001000Hz 有 4 阶模态，1000 1500Hz 有 1 阶模态，15002000Hz 有 2 阶 模态。在 2001000Hz 间有 4 阶模态，较为 密集。由于较低阶的振型对结构振动的影响 程度要高于高阶振型，因此低阶模态决定了结构的动态特性。第 1 阶和第 2 阶振型频率间隔较小，易引起振动叠加。而 2001000Hz 间模态密集，极其容易与其它零部件作用引起共振。这些都严重影响变速器的工作。严重时会导致二轴的断裂，在二轴设计时应尽量避免这些情况的发生。 5 结束语结束语结束语结束语 （1）针对汽车变速器二轴进行力有限元静态刚度和动态特性分析，其分析结果为结构改进和优化提供理论参考。需要进一步进行试验来验证理论分析的结果。 （2）二轴的刚度符合要求，甚至还有一些刚度富余，因此在轻量化设计上有很大的潜力和空间。从工况分析的结果来看，轴的设计和载荷的布置方面还有待改进。 （3）通过模态分析得出二轴的固有频率，避免与其它零部件或车身发生共振耦合。 参考文献参考文献参考文献参考文献: 1 徐灏主编. 机械设计手册(二版, 第4卷) M . 北京:机械工业出版社, 2000, 6 2 谢逸泉. 利用有限元分析软件ANSYS计算轴的刚度J. 现代机械,2005,(1): 5556 3 易日编著. 使用ANSYS6. 1进行结构力学分析M. 北京:北京大学出版社, 2002, 11 4 韦德骏. 材料力学M. 北京:机械工业出版社, 1996, 5 作者作者作者作者简介简介简介简介： 姓名：鲁守卫 单位：中国汽车技术研究中心 电话：022-84771717（办公室）13662142845（手机） 电子邮箱： 地址：天津市59号信箱中国汽车技术研究中心科研处王务林转鲁守卫 阶次 频率（HZ） 1 166.4 2 188.3 3 417.5 4 574.3 5 709.4 6 936.4 7 1004.3 8 1436.8 9 1887.5 10 1926.6 分 类 号 密 级 宁XXXX学院毕业设计(论文)基于ANSYS的汽车传动轴有限元分析与优化设计所在学院专 业班 级姓 名XXXX学 号指导老师 年 月 日诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文基于ANSYS的汽车传动轴有限元分析与优化设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）：XXXX 年 月 日摘 要ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。传动轴是最常件的零件，该零件结构较为简单，操作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。目前很多传动轴都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。本设计是基于ANSYS软件来汽车传动轴行分析。与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。对零件的设计和优化有很大的参考作用。正是因为上述优点，我在本设计中运用UG来建立三维模型。再将此模型导入ANSYS软件来对其进行分析。关键词：传动轴，三维建模，ANSYS，动静态分析AbstractANSYS (finite element) package is a multi-purpose finite element method for computer design program that can be used to solve the structure, fluid, electricity, electromagnetic fields and collision problems. So it can be applied to the following industries: aerospace, automotive, biomedical, bridges, construction, electronics, heavy machinery, micro-electromechanical systems, sports equipment and so on. Transmission shaft is the most common a regular part, the part structure is simple, convenient operation, high precision, low prices, it has been widely used. At present, many have made the appropriate Transmission shaft improvements, it has been greatly enhanced applicability. The design is based on ANSYS software to Transmission shaft by the line of spindle. Compared with the traditional calculation, computer-based finite element analysis method can be faster and more accurate results. Set the correct model, dividing the right grid, and set a reasonable solution process, analytical model can accurately access the various parts of the stress and deformation results. On the part of the design and optimization has great reference. It is because of these advantages, the use of this design in my UG to create three-dimensional model Transmission shaft. Then this model was introduced by the ANSYS software to its line of analysis. Key Words: Transmission shaft，three-dimensional modeling ，ANSYS， dynamic and static analysis 目 录摘 要IIIAbstractIV目 录V第1章 绪论11.1 选题的目的和意义11.2选题的研究现状及发展趋势11.3 传动轴知识21.4 传动轴的结构特点21.5传动轴重要部件31.6 传动轴常用类型4第2章 本课题任务和研究方法52.1 课题任务52.2分析方法53.3 本课题的研究方法63.4 有限元方法介绍63.4.1概述63.4.2 基本思想63.4.3特点73.5 ANSYS软件简介8第4章 确定汽车传动轴研究对象和UG建模84.1确定汽车传动轴研究对象概述84.2 汽车传动轴（变速箱第二轴）的3D建模设计114.2.1 进入UG的操作界面11第5章 汽车传动轴的有限元分析195.1有限元分析的基本步骤195.2 有限元分析过程与步骤195.2.1 转换模型格式19第六章 总结和传动轴的优化设计分析37结论- 38 -参考文献- 39 -致 谢- 40 - 第1章 绪论1.1 选题的目的和意义 随着计算机技术的日益普及和FEA技术的蓬勃发展，人们已经广泛采用计算机有限元仿真分析来作为传动轴强度校核的方法。而传动轴向重载、高速、低噪、高可靠性方向发展，现代传动轴设计对传动系统的静、动态特性提出了更高的要求。传动轴设计的主要内容之一是传动轴。因此，建立比较精确的分析模型，准确的掌握轮齿应力的分布特点和变化规律具有重要的意义。本文采用在UG等CAD软件中建立模型,然后导入到ANAYS中进行分析相比，既省时省力，又克服了模型转换过程中容易出现的一些问题。根据有限元分析结果，与赫兹公式计算结果进行对比，验证了分析结果的可靠性，在保证结构安全可靠运行的条件下，提高设计制造的效率，降低设计研制成本。 本课题从弹性力学的基本理论出发，以传动轴的有限元分析为重点，ANSYS10.0 为软件平台，借助计算机对传动轴进行迅速、高效地强度设计分析，正应了当今市场的需求。1.2选题的研究现状及发展趋势 近年来，随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析方法在工程设计和分析中，已成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径。有限元作为CAE技术中的一种关键计算方法，自20世纪中叶产生以来，以其独有的魅力得到了越来越广泛的发展和应用。目前，已出现了不同形态的有限元方法，并由此产生了一批非常成熟的通用和专业的有限元商业软件。 ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的融合结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析与一体的大型通用有限元分析(FEA)软件。其用户涵盖了核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、电子、造船、汽车交通、国防军工、土木工程地矿、水利、日用家电和教学科研等众多领域。该软件可在大多数计算机和操作系统上运行，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。其基于Motif的菜单系统，让用户能够方便地通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择。另外，ANSYS能与多数CAD软件结合使用，实现数据的共享和交换，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。在相继收购了ICEM、CFX、CENTURY DYNAMICS、AAVID THERMAL、FLUENT等世界著名有限元分析程序制造公司并将其产品和ANSYS整合之后，ANSYS实际上已成为世界上最通用和有效的商业有限元软件。在我国，ANSYS软件经过多年的经营，商业版用户已达数百家，遍及各个领域，与此同时，70%以上的理工大学均用ANSYS进行科学研究及教学。1.3 传动轴知识传动轴是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。对前置引擎后轮驱动的车来说是把变速器的转动传到主减速器的轴，它可以是好几节由万向节连接。1.4 传动轴的结构特点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、伸缩套和万向节组成。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。一般万向节十字轴、十字轴承和凸缘叉等组成。斯太尔系列重型汽车使用的传动轴万向节采用滚柱十字轴轴承，配合以短而粗的十字轴，可传递较大的转距。在轴承端面设有蝶形弹簧，以压紧滚柱。十字轴的端面增加了具有螺旋槽的强化尼龙垫片，可防止大夹角或大转距传递动力时烧结。 传统结构的传动轴伸缩套是将花键套与凸缘叉焊接在一起，将花键轴焊在传动轴管上。而GWB公司的传动轴一改传统结构，将花键套与传动轴管焊接成一体，将花键轴与凸缘叉制成一体。并将矩形齿花键改成大压力角渐开线短齿花键，这样既增加了强度又便于挤压成形，适应大转矩工况的需要。在伸缩套管和花键轴的牙齿表面，整体涂浸了一层尼龙材料，不仅增加了耐磨性和自润滑性，而且减少了冲击负荷对传动轴的损害，提高了缓冲能力。 该型传动轴在凸缘花键轴外增加了一个管形密封保护套，在该保护套端部设置了两道聚氨酯橡胶油封，使伸缩套内形成厂一个完全密封的空间，使伸缩花键轴不受外界沙尘的侵蚀，不仅防尘而且防锈。因此在装配时在花键轴与套内一次性涂抹润滑脂，就完全可以 满足使用要求，不需要装油嘴润滑，减少了保养内容。1.5传动轴重要部件万向节是汽车传动轴上的关键部件。在前置发动机后轮驱动的车辆上，万向节传动轴安装在变速在发动机前置后轮驱动（或全轮驱动）的汽车上，由于汽车在运动过程中悬架变 形，驱动轴主减速器输入轴与变速器（或分动箱）输出轴间经常有相对运动，此外，为有效避开某些机构或装置（无法实现直线传递），必须有一种装置来实现动力 的正常传递，于是就出现了万向节传动。万向节传动必须具备以下特点：a 、保证所连接两轴的相对位置在预计范围内变动时，能可靠地传递动力；b 、保证所连接两轴能均匀运转。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；c 、传动效率要高，使用寿命长， 结构简单，制造方便，维修容易。对汽车而言，由于一个十字轴万向节的输出轴相对于输入轴（有一定的夹角）是不等速旋转的，为此必须采用双万向节（或多万向 节）传动，并把同传动轴相连的两个万向节叉布置在同一平面，且使两万向节的夹角相等。这一点是十分重要的。在设计时应尽量减小万向节的夹角。1.6 传动轴常用类型十字轴式刚性万向节传动轴在汽车传动系中用得最广泛，历史也最悠久。平时所说的传动轴一般指的就是十字轴式刚性万向节传动轴。十字轴式刚性万向节主要用于传递角度的变化，一般由突缘叉、十字轴带滚针轴承总成、万向节叉或滑动叉、中间连接叉或花键轴叉、滚针轴承的轴向固定件等组成。突缘叉一般与变速箱、驱动桥或别的传动轴等连接。突缘叉是一个带法兰的叉形零件，一般采用中碳钢或中碳合金钢的锻造件，也有采用球墨铸铁的砂型铸造件和中碳钢或中碳优质合金钢的精密铸造件。突缘叉一般带一个平法兰，也有带一个端面梯形齿法兰的。十字轴带滚针轴承总成一般包括四个滚针轴承、一个十字轴、一个滑脂嘴。滚针轴承一般由若干个滚针、一个轴承碗、一个多刃口橡胶油封（部分带骨架）组成。在某些滚针轴承中，还有一个带油槽的圆形垫片，有尼龙的，也有采用铜片或其他材料的，主要用于减小万向节轴向间隙，提高传动轴动平衡品质。万向节叉是一个叉形零件，一般采用中碳钢或中碳合金钢的锻造件，也有采用中碳钢的精密铸造件。滚针轴承的轴向固定件一般是孔（或轴）用弹性挡圈（内外卡式），或轴承压板、锁片、螺栓等。第2章 本课题任务和研究方法2.1 课题任务利用有限元软件ANSYS10.0的结构分析模块对汽车传动轴进行有限元分析。通过建立汽车传动轴的几何模型、有限元模型，对分析模型进行结构应力分析，学会对有限元分析结果进行分析和优化。2.2分析方法选择网格类型、划分网格定义边界条件、加载创建模型定义材料属性、单元类型做结构静态分析获取应力分布拾取应变值仿真分析结束仿真结束改变实体参数依照图示的此种方法对钢板弹簧的接触应力和钢板弹簧应力进行仿真分析。在分析钢板弹簧的应力是需要注意的是右图在划分网格类型和定义边界条件中间所应夹一接触对的建立的方框，对于应力仿真分析大致与右图的分析方法一致。3.3 本课题的研究方法由于ANSYS自身的建模比较繁琐，采用借助第三方3D设计软件建立模型，然后导入到ANSYS分析，也是目前比较公认的快捷方法。本课题借助UG设计3D模型。3.4 有限元方法介绍3.4.1概述 在科学技术领域内，对于许多力学问题和物理问题，人们已经得到了它们遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相应的定解条件，但能用解析法得出精确解的只是少数方程性质比较简单，且几何形状相对规则的问题，而对于大多数问题，由于方程的某些非线性性质的特征或求解区域几何形状的复杂，不能得到解析结果。部分问题可以通过简化得到简化状态下的解答，但过多的简化会导致解答误差很大甚至完全错误。因此，人们经过多年来的寻找，建立和发展了另一种求解途径和方法数值解法。有限单元法就是其中得以广泛应用的一种。有限单元法是用于求解各类工程实际问题的方法。应力分析中的稳态、瞬态、线性、非线性的问题以及热力学、流体力学、电磁学和高速冲击动力学问题都可以通过有限元方法得到解决。自从20世纪60年代Clough第一次提出“有限单元法（或称有限元法）”这个名称以来，经过40多年的发展，它如今已经成为工程分析中应用最广泛的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视，伴随着计算机科学和技术的飞速发展，有限单元法现已成为计算机辅助设计和计算机辅助制造的重要组成部分。3.4.2 基本思想 数值分析的任务，就是从无限维空间转化到有限维空间，把连续系统转变为离散系统的结构。有限元法是利用场函数分片多项式逼近模式来实现离散化过程的，也就是说，有限元法依赖于这样的有限维子空间，它的基函数系是具有微小支集的函数系，这样的函数系与大范围分析相结合，反映了场内任何两个局部地点场变量的相互依赖关系。任何一个局部地点，它的影响函数和影响区域，正是基函数本身和它的支集。在线性力学范畴里，场内处于不同位置的力相互作用产生的能量可用双线性泛函B(i, j)来表示，其中i, j正是相应的点的基函数。B(i, j)的大小与i, j支集的交集大小有关，如果两个支集的测度为零，则B(i, j)=0，因此，离散化所得到的方程的系数矩阵是稀疏的。若区域分割得愈细，则支集不相交的基函数对愈多，矩阵也就愈稀疏，这给数值解法带来了极大的方便。3.4.3特点（1）物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称为单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来，单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况下，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量也就越大。）所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构体，而是由新材料的众多单元以一定方式连接成的离散物体。因此，用有限元分析计算所获得的结果只是近似值，但划分单元数目非常多且合理，则所获得的结果就与实际情况基本相符。（2）单元特性分析(a) 选择位移模式 在有限元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体和结构体在离散化之后，就可以把单元中的一些物理量，如位移、应变和应力等用节点位移来表示，这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法就将位移表示为坐标变量的简单函数，这种函数称为位移模式或位移函数。(b) 分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。(c) 计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元，但是对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效地移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。(3) 单元组集利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程：K*q=f 其中：K是整体结构的刚度矩阵；q是节点位移列阵；f是载荷列阵。(4) 求解未知节点位移求解有限元方程式可以得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。通过上述分析可以看出，有限元的基本思想是“一分一合”，分是为了进行单元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析。3.5 ANSYS软件简介ANSYS软件是融合结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析与一体的大型通用有限元分析(FEA)软件。它是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发的，并能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS、AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会ASME、美国核安全局NQA及近20种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内，它第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院17个部委推广使用。ANSYS软件主要包括三部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块Preprocessor、分析计算模块Solution、后处理模块Postprocessor。前处理模块Preprocessor提供了一个强大的实体建模和网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块Solution包括结构分析、流体力学分析、电磁场分析、声场分析。压电分析及多物理场的耦合分析，可模拟多重物理介质的相互作用，具有灵敏度分析和优化分析能力；后处理模块Postprocessor可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来。第4章 确定汽车传动轴研究对象和UG建模4.1确定汽车传动轴研究对象概述本设计是根据东方之子1.8L手动豪华车型而开展的，设计中所采用的相关参数均来源于此种车型：主减速比：4.782最高时速：190km/h轮胎型号：205/65R15发动机型号：SQR481FC最大扭矩：170Nm/4500最大功率：95kw/5750最高转速：6000r/min 奇瑞东方之子1.8L豪华型某些轿车和货车的变速器，采用仅在好路和空载行驶时才使用的超速档。采用传动比小于1（0.70.8）的超速档，可以更充分地利用发动机功率，降低单位行驶里程的发动机曲轴总转数，因而会减少发动机的磨损，降低燃料消耗。但与传动比为1的直接档比较，采用超速档会降低传动效率。有级变速器的传动效率与所选用的传动方案有关，包括传递动力的齿轮副数目、转速、传递的功率、润滑系统的有效性、齿轮及轴以及壳体等零件的制造精度、刚度等。三轴式和两轴式变速器得到的最广泛的应用。三轴式变速器如图1-1所示，其第一轴的常啮合齿轮与第二轴的各档齿轮分别与中间轴的相应齿轮相啮合，且第一、第二轴同心。将第一、第二轴直接连接起来传递扭矩则称为直接档。此时，齿轮、轴承及中间轴均不承载，而第一、第二轴也传递转矩。因此，直接档的传递效率高，磨损及噪音也最小，这是三轴式变速器的主要优点。其他前进档需依次经过两对齿轮传递转矩。因此。在齿轮中心距（影响变速器尺寸的重要参数）较小的情况下仍然可以获得大的一档传动比，这是三轴式变速器的另一优点。其缺点是：处直接档外其他各档的传动效率有所下降。 图1-1 轿车中间轴式四档变速器1 第一轴；2第二轴；3中间轴两轴式变速器如图1-2所示。与三轴式变速器相比，其结构简单、紧凑且除最到档外其他各档的传动效率高、噪声低。轿车多采用前置发动机前轮驱动的布置，因为这种布置使汽车的动力-传动系统紧凑、操纵性好且可使汽车质量降低6%10%。两轴式变速器则方便于这种布置且传动系的结构简单。如图所示，两轴式变速器的第二轴（即输出轴）与主减速器主动齿轮做成一体，当发动机纵置时，主减速器可用螺旋锥齿轮或双面齿轮；当发动机横置时则可用圆柱齿轮，从而简化了制造工艺，降低了成本。除倒档常用滑动齿轮（直齿圆柱齿轮）外，其他档均采用常啮合斜齿轮传动；个档的同步器多装在第二轴上，这是因为一档的主动齿轮尺寸小，装同步器有困难；而高档的同步器也可以装在第一轴的后端，如图示。两轴式变速器没有直接档，因此在高档工作时，齿轮和轴承均承载，因而噪声比较大，也增加了磨损，这是它的缺点。另外，低档传动比取值的上限（ig=4.04.5）也受到较大限制,但这一缺点可通过减小各档传动比同时增大主减速比来取消。 图1-2 两轴式变速器1 第一轴；2第二轴；3同步器有级变速器结构的发展趋势是增多常啮合齿轮副的数目，从而可采用斜齿轮。后者比直齿轮有更长的寿命、更低的噪声，虽然其制造稍复杂些且在工作中有轴向力。因此，在变速器中，除低档及倒档外，直齿圆柱齿轮已经被斜齿圆柱齿轮所代替。但是在本设计中，由于倒档齿轮采用的是常啮式，因此也采用斜齿轮。由于所设计的汽车是发动机前置，后轮驱动，因此采用中间轴式变速器。变速箱第二轴图纸4.2 汽车传动轴（变速箱第二轴）的3D建模设计4.2.1 进入UG的操作界面1 选择桌面上的UG NX5.0 2 新建空白文件，输入文件名3、进入建模环境4、进入草图环境5、绘制汽车传动轴第二轴的草图6、旋转生成3D实体7、倒角8、建立键槽基准面9、草绘键槽10、切除键槽11、倒角12、生成完整的3D模型13、导出*.X_T文件建模结束。37第5章 汽车传动轴的有限元分析5.1有限元分析的基本步骤预处理阶段：（1）建立求解域并将之离散化成有限元，即将问题分解成节点和单元。（2）假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数。（3）对单元建立方程。（4）将单元组合成总体的问题，构造总体刚度矩阵。（5）应用边界条件、初值条件和负荷。解决阶段：（6）求解线性或非线性的微分方程组，以得到节点的值。后处理阶段：（7）得到其他重要的信息。5.2 有限元分析过程与步骤5.2.1 转换模型格式需要把UG的模型转化为ANSYS可以读取的方式。选择保存方式为*.x_t格式的文件。1、从程序中启动ANSYS10.0的界面。2、打开ANSYS窗口。3、ANSYS分析目录一旦设定好，以后ANSYS软件操作所产生的所有文件都将存放在此目录下，建议对不同的分析用不同的工作目录，这样可确保每次分析所产生的文件不会覆盖的危险。如果没有指定工作目录，默认的工作目录为系统所在盘的根目录。工作目录设置方式有两种：l 在进入ANSYS软件之前通过入口选项所进行的设置；l 进入ANSYS软件后，可通过如下方法实现： 命令方式：在命令输入窗口中输入/CWD, DIRPATH（重新指定的工作目录）； GUI方式：Utility MenuChange Directory，在弹出的对话框中填入指定的工作目录，单击【确定】按钮。如图所示。4、调入我们刚才保存的*.x_t文件。5、建立结构分析模式。命令方式：/KEYW（重新指定的分析标题）；GUI方式：Main MenuPreference，在弹出的如图2.14所示的对话框中框中选取某个选项使以后出现的图形界面中过滤掉与选定分析选项无关模块的内容，本书主要讲述结构分析，因此选取Structural(结构)6、选取和定义单元.下面将给出添加单元类型具体的GUI操作路径，对于单元的选项，由于和具体的单元类型有关，在这里将不做具体的介绍。此处以添加PLANE42单元作为例子来介绍添加单元的操作步骤。具体操作步骤如下：依次选择Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，弹出Element Types(单元类型)对话框，如图所示。如果想改变单元的其他输入选项（即上文提及的KEYOPTs）单击【Options】按钮。出现如图所示的element type options（单元类型选项）对话框。确定后单击【OK】按钮，如有需要了解各设置的具体说明，可查看ANSYS帮助文件。返回到如图所示的对话框后单击【Close】按钮，结束单元类型的添加。7、定义材料属性 单击MainPreprocessorMaterial PropsMaterial Models弹出定义材料属性对话框如图所示，填入EX： 2.06e5、PRXY：0.3，在Structural下单击Friction Coefficient弹出如图所示对话框，填入Mu：0.3.，至此材料属性定义完成，下一步进入网格划分。8、网格划分实体建模的最终目的划分网格以生成节点和单元，生成节点和单元的网格划分过程分为两个步骤：（1）定义单元属性；（2）定义网格生成控制并生成网格。 9、求解与加载固定约束类型