【正文】 本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于有限元分析的 汽車 萬(wàn)向傳動(dòng)裝置 設(shè)計(jì) 院系 名稱： 汽車 與交通 工程 學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 車輛工程 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 副教授 The Graduation Design for Bachelor39。s Degree The Design of Automobile Universal Transmission Device Based on Finite Element Analysis Candidate: Specialty： Vehicle Engineering Class： B071 Supervisor： Associate Prof. Heilongjiang Institute of Technology I 摘 要 萬(wàn)向傳動(dòng)裝置是汽車傳動(dòng)系中的重要總成，它直接與變速器和驅(qū)動(dòng)橋相聯(lián)系，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)系的動(dòng)力傳遞。課題研究對(duì)象是后輪驅(qū)動(dòng)廣泛應(yīng)用的十字軸式萬(wàn)向傳動(dòng)裝 置，主要零件包括傳動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)、支撐裝置等，這些關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)萬(wàn)向傳動(dòng)裝置性能具有很大的影響。 本文主要是對(duì) 汽車 的 十字軸式萬(wàn)向傳動(dòng)裝置 進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)車輛使用條件和車輛參數(shù)，按照 傳動(dòng) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和要求，主要進(jìn)行了以下工作： 選擇相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)主要為： 十字軸、萬(wàn)向節(jié)、傳動(dòng)軸、中間支承 的 參數(shù) 確定，并進(jìn)行了總成設(shè)計(jì)主要為：十字軸 的設(shè)計(jì)， 萬(wàn)向節(jié)的 設(shè)計(jì) 、傳動(dòng)軸的 設(shè)計(jì)以及 中間支承的設(shè)計(jì) 等。并通過(guò)有限元ANSYS 軟件對(duì)設(shè)計(jì) 萬(wàn)向傳動(dòng)裝置 進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì) 萬(wàn)向傳動(dòng)裝置 進(jìn)行改進(jìn) 優(yōu)化 設(shè)計(jì) 并 得出合理的設(shè)計(jì)方案。 在傳動(dòng) 軸的設(shè)計(jì)中采用有限元技術(shù)研究這些關(guān)鍵零部件的靜力學(xué)特性，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以大大縮短萬(wàn)向傳動(dòng)裝置總成開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證其設(shè)計(jì)的精確性。 全套圖紙，加 153893706 關(guān)鍵詞 ： 萬(wàn)向傳動(dòng)裝置 ； 十字軸 ； 萬(wàn)向節(jié) ； 傳動(dòng)軸； 有限元分析； 優(yōu)化 設(shè)計(jì) II ABSTRACT Universal transmission is important in automobile transmission assembly, which directly linked to transmission and drive axle, used to achieve the transfer of the power transmission system. Research object is widely used in rearwheel drive transmission cross shaft universal, the main parts including drive shafts, universal joints, support devices, the design of these key ponents for the universal transmission has a great influence on the performance . 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 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. The propeller shaft of the design used in technical research on these crucial ponent element of statics. in its structural design and optimize can greatly shorten the automobile universal transmission device always into the development cycle and reduce the development costs and improve the quality of design to ensure the accuracy of its design. Key word: Universal Transmission Device。 Cross Axle。 Universal Joint。 Drive Shaft。 Finite Element Analysis。 Optimization Design 1 第 1 章 緒 論 課題研究的目的意義 萬(wàn)向傳動(dòng)裝置是汽車傳動(dòng)系中的重要總成，它直接與變速器和驅(qū)動(dòng)橋相聯(lián)系，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)系的動(dòng)力傳遞。課題研究對(duì)象是后輪驅(qū)動(dòng)廣泛應(yīng)用的十字軸式萬(wàn)向傳動(dòng)裝置，主要零件包括傳動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)、支撐裝置等，這些關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)萬(wàn)向傳動(dòng)裝置性能具有很大的影響。 萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)應(yīng)適應(yīng)所聯(lián)兩軸的夾角及相對(duì)位置在一定范圍內(nèi)的不斷變化且能可靠 而穩(wěn)定地傳遞動(dòng)力，保證所聯(lián)兩軸能等速旋轉(zhuǎn)，且由于萬(wàn)向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動(dòng)及噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi)，在使用車速范圍內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。此外，萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)還要求傳動(dòng)效率高，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，維修容易。 傳統(tǒng)的分析方法，一般都是首先通過(guò)軸傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出軸的最小直徑；然后通過(guò)計(jì)算作用在軸上的載荷、不同斷面上的轉(zhuǎn)矩、軸向力和彎矩，利用解析法或圖解法確定軸不同位置的支反力，最后利用傳統(tǒng)的計(jì)算公式進(jìn)行強(qiáng)度校核，確定安全系數(shù)。如果安全系數(shù)小于許用安全系數(shù)，還要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。此過(guò)程計(jì)算繁雜，反復(fù)性強(qiáng) ，而且可靠性差，很可能因?yàn)橛?jì)算誤差，造成由于傳動(dòng)軸強(qiáng)度不夠而引發(fā)的軸裂、軸斷事故。因此，研究一種新的準(zhǔn)確、快捷的強(qiáng)度分析方法迫在眉睫。 ANSYS 軟件作為一種廣泛應(yīng)用 CAE 軟件，應(yīng)用有限元法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)和電磁學(xué)等多種分析。通過(guò) ANSYS 軟件的應(yīng)用，可以大大縮短軸類零件的設(shè)計(jì)周期，從而減少設(shè)計(jì)成本，并有利于多種型號(hào)產(chǎn)品的開發(fā)。 課題的 國(guó)內(nèi) 研究 現(xiàn)狀 萬(wàn)向傳動(dòng)裝置最早出現(xiàn)于 1352 年，在 Strasbourg 大教堂時(shí)鐘機(jī)構(gòu)中的萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸。 1663 年 Robert Hook 萬(wàn)向節(jié)誕生，后來(lái)被 人們叫做虎克萬(wàn)向節(jié)，也就是十字軸萬(wàn)向節(jié)。緊接著在 1683 年研制出的雙聯(lián)式虎克萬(wàn)向節(jié)，消除了單個(gè)虎克萬(wàn)向節(jié)傳遞的不等速性，并于 1901 用于汽車轉(zhuǎn)向輪。在上世紀(jì)初，虎克萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)軸，以及后來(lái)的等速萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)軸在機(jī)械工程和汽車工業(yè)的發(fā)展中起到了極其重要的作用?，F(xiàn)在，根據(jù)在扭轉(zhuǎn)方向上是否有明顯的彈性，萬(wàn)向節(jié)可分為剛性萬(wàn)向節(jié)和撓性萬(wàn)向節(jié)。剛性萬(wàn)向節(jié)是靠零件的鉸鏈?zhǔn)絺鬟f動(dòng)力，又分為不等速萬(wàn)向節(jié)、準(zhǔn)等速萬(wàn)向節(jié)和等速萬(wàn)向節(jié)；撓性萬(wàn)向節(jié)是靠彈性零件傳遞動(dòng)力的， 2 具有緩沖減震作用 [1]。 現(xiàn)在汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置一般是由萬(wàn)向節(jié)、 傳動(dòng)軸和中間支撐組成。主要用于工作過(guò)程中相對(duì)位置不斷改變的兩根軸間傳遞轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伸縮套能自動(dòng)調(diào)節(jié)變速器與驅(qū)動(dòng)橋之間距離的變化。萬(wàn)向節(jié)是保證變速器輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋輸入軸兩軸線夾角的變化，并實(shí)現(xiàn)兩軸的等角速傳動(dòng)。一般萬(wàn)向節(jié)由十字軸、十字軸承、凸緣叉及軸向定位件和橡膠密封件等組成。 在 1950 年后 ,傳動(dòng)軸的產(chǎn)量達(dá)到數(shù)以萬(wàn)計(jì)。 1984 年主要由于汽車工業(yè)的增長(zhǎng)，生產(chǎn)了三千五百萬(wàn)套虎克萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸，一億二千萬(wàn)套等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸，一億三樞軸式萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸。在國(guó)內(nèi)，近年來(lái)隨著我國(guó)汽車業(yè)的高速發(fā)展，帶動(dòng)我國(guó)汽車傳動(dòng)軸需求 持續(xù)大幅增長(zhǎng)。 20xx 年中國(guó)汽車傳動(dòng)軸的需求已經(jīng)突破 992萬(wàn)根，產(chǎn)值達(dá)到 45 億。 20xx 年汽車銷量達(dá)到 938 萬(wàn)兩，而作為汽車零部件的汽車傳動(dòng)軸需求量也接近 1900 萬(wàn)套，產(chǎn)值達(dá)到 50 億元。倒 20xx 年我國(guó)汽車傳動(dòng)軸總銷售額達(dá)到 87 億之多，因次國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)一批傳動(dòng)軸制造的廠家。但產(chǎn)品的性能與國(guó)外相比仍有相當(dāng)大的差距，具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面：絕大多數(shù)轎車廠家對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)產(chǎn)品沒(méi)有制定出相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，而國(guó)外公司對(duì)驅(qū)動(dòng)軸和傳動(dòng)軸的技術(shù)規(guī)定達(dá) 67 款之多，其中嚴(yán)格規(guī)定驅(qū)動(dòng)半軸總成和傳動(dòng)軸總成的振動(dòng)頻率，目的是避免和發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎 以及其他傳動(dòng)系部件發(fā)生共振，從而更加全面合理地設(shè)計(jì)汽車底盤；零件供應(yīng)商，易隨意組合 中心固定型等速萬(wàn)向節(jié)和伸縮型等速萬(wàn)向節(jié)，從而造成總成的失衡，使汽車產(chǎn)生異常振動(dòng)，出現(xiàn)異響 [2]。對(duì)于創(chuàng)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的汽車廠家來(lái)說(shuō)，造出一流汽 車仍有很長(zhǎng)的路要走。 汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 主要內(nèi)容與設(shè)計(jì)思路 課題研究對(duì)象是后輪驅(qū)動(dòng)廣泛應(yīng)用的十字軸式萬(wàn)向傳動(dòng)裝置，主要零件包括傳動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)、支撐裝置等，這些關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)萬(wàn)向傳動(dòng)裝置性能具有很大的影響。采用有限元技術(shù)研究這些關(guān)鍵零部件的靜力學(xué)特性，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) ，是非常重要和必須的。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行萬(wàn)向傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)不但可以獲得最佳的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置基本參數(shù)，還可以大大縮短萬(wàn)向傳動(dòng)裝置總成開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證其設(shè)計(jì)的精確性。 1. 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)選擇萬(wàn)向傳動(dòng)軸的優(yōu)化，設(shè)計(jì) 基本要求如下 ： （ 1） 保證所連接的兩軸的夾角及相對(duì)位置在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，能可靠而穩(wěn)定的傳遞動(dòng)力 ； （ 2） 保證所連接的兩軸 盡 可能等速運(yùn)轉(zhuǎn) ； 3 （ 3） 使用有限元分析軟件 ANSYS 對(duì)萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)零部件進(jìn)行靜態(tài)分析，完成萬(wàn)向傳動(dòng)裝置主要部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)從而解決工藝合理、成本低 、可靠性高的設(shè)計(jì)要求； （ 4）在 CAE 分析的基礎(chǔ)上完成設(shè)計(jì)圖紙。 2. 設(shè)計(jì)的基本 技術(shù)路線 設(shè)計(jì)的技術(shù)路線如圖 所示 。 圖 設(shè)計(jì)技術(shù)路線圖調(diào)研并查閱相關(guān)資料 確定汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置主要參數(shù) 主要零部件的建模 主要零部件的靜態(tài)分析 主要零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì) 萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的主要零部件的設(shè)計(jì) 優(yōu)化后尺寸確定 用 Pro/E 完成零部件裝配 完成設(shè)計(jì)圖紙 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 4 第 2 章 萬(wàn)向傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)方案確定 設(shè)計(jì)已知參數(shù) 本設(shè)計(jì)的已知參數(shù)如表 所示 表 設(shè)計(jì)基本參數(shù) 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩 Temax 430N?? m/1500r/min 變速器一擋傳動(dòng)比 i1 整車總質(zhì)量 8495Kg 驅(qū)動(dòng)橋滿 載載荷 5500Kg 主減速器傳動(dòng)比 i0 輪胎規(guī)格 萬(wàn)向傳動(dòng)裝置最左與最右兩萬(wàn)向節(jié)中心之間的距離 L 2186m 萬(wàn)向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析 單十字軸萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng) 當(dāng)十字軸萬(wàn)向節(jié)的主動(dòng)軸與從動(dòng)軸存在一定夾角及時(shí)，主動(dòng)軸的角速度 1w與從動(dòng)軸的 角速度 2w 之間存在如下關(guān)系 12212 c o ss in1 c o s ?? ???ww () 式中， 1? 為主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角，定義為萬(wàn)