【正文】 本科學生畢業(yè)設計 基于有限元分析的 汽車 萬向傳動裝置 設計 院系 名稱： 汽車 與交通 工程 學院 專業(yè)班級： 車輛工程 學生姓名： 指導教師： 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 萬向傳動裝置是汽車傳動系中的重要總成，它直接與變速器和驅動橋相聯系，用來實現對傳動系的動力傳遞。課題研究對象是后輪驅動廣泛應用的十字軸式萬向傳動裝 置，主要零件包括傳動軸、萬向節(jié)、支撐裝置等，這些關鍵零部件的設計對整個萬向傳動裝置性能具有很大的影響。 本文主要是對 汽車 的 十字軸式萬向傳動裝置 進行設計。根據車輛使用條件和車輛參數，按照 傳動 系統(tǒng)的設計步驟和要求，主要進行了以下工作： 選擇相關設計參數主要為： 十字軸、萬向節(jié)、傳動軸、中間支承 的 參數 確定，并進行了總成設計主要為：十字軸 的設計， 萬向節(jié)的 設計 、傳動軸的 設計以及 中間支承的設計 等。并通過有限元ANSYS 軟件對設計 萬向傳動裝置 進行結構分析，根據分析結果對 萬向傳動裝置 進行改進 優(yōu)化 設計 并 得出合理的設計方案。 在傳動 軸的設計中采用有限元技術研究這些關鍵零部件的靜力學特性，對其結構進行優(yōu)化設計，可以大大縮短萬向傳動裝置總成開發(fā)周期、降低開發(fā)費用，提高設計質量，保證其設計的精確性。 全套圖紙，加 153893706 關鍵詞 ： 萬向傳動裝置 ； 十字軸 ； 萬向節(jié) ； 傳動軸； 有限元分析； 優(yōu)化 設計 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 萬向傳動裝置是汽車傳動系中的重要總成，它直接與變速器和驅動橋相聯系，用來實現對傳動系的動力傳遞。課題研究對象是后輪驅動廣泛應用的十字軸式萬向傳動裝置，主要零件包括傳動軸、萬向節(jié)、支撐裝置等，這些關鍵零部件的設計對整個萬向傳動裝置性能具有很大的影響。 萬向節(jié)傳動應適應所聯兩軸的夾角及相對位置在一定范圍內的不斷變化且能可靠 而穩(wěn)定地傳遞動力，保證所聯兩軸能等速旋轉，且由于萬向節(jié)夾角而產生的附加載荷、振動及噪聲應在允許范圍內，在使用車速范圍內不應產生共振現象。此外，萬向節(jié)傳動還要求傳動效率高，使用壽命長，結構簡單，制造方便，維修容易。 傳統(tǒng)的分析方法，一般都是首先通過軸傳遞的最大轉矩，計算出軸的最小直徑；然后通過計算作用在軸上的載荷、不同斷面上的轉矩、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)的計算公式進行強度校核，確定安全系數。如果安全系數小于許用安全系數，還要進行疲勞強度計算。此過程計算繁雜，反復性強 ，而且可靠性差，很可能因為計算誤差，造成由于傳動軸強度不夠而引發(fā)的軸裂、軸斷事故。因此，研究一種新的準確、快捷的強度分析方法迫在眉睫。 ANSYS 軟件作為一種廣泛應用 CAE 軟件，應用有限元法對結構進行靜力學、動力學、熱力學和電磁學等多種分析。通過 ANSYS 軟件的應用，可以大大縮短軸類零件的設計周期，從而減少設計成本，并有利于多種型號產品的開發(fā)。 課題的 國內 研究 現狀 萬向傳動裝置最早出現于 1352 年，在 Strasbourg 大教堂時鐘機構中的萬向節(jié)傳動軸。 1663 年 Robert Hook 萬向節(jié)誕生，后來被 人們叫做虎克萬向節(jié)，也就是十字軸萬向節(jié)。緊接著在 1683 年研制出的雙聯式虎克萬向節(jié)，消除了單個虎克萬向節(jié)傳遞的不等速性，并于 1901 用于汽車轉向輪。在上世紀初，虎克萬向節(jié)和傳動軸，以及后來的等速萬向節(jié)和傳動軸在機械工程和汽車工業(yè)的發(fā)展中起到了極其重要的作用?，F在，根據在扭轉方向上是否有明顯的彈性，萬向節(jié)可分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié)。剛性萬向節(jié)是靠零件的鉸鏈式傳遞動力，又分為不等速萬向節(jié)、準等速萬向節(jié)和等速萬向節(jié)；撓性萬向節(jié)是靠彈性零件傳遞動力的， 2 具有緩沖減震作用 [1]。 現在汽車萬向傳動裝置一般是由萬向節(jié)、 傳動軸和中間支撐組成。主要用于工作過程中相對位置不斷改變的兩根軸間傳遞轉矩和旋轉運動。伸縮套能自動調節(jié)變速器與驅動橋之間距離的變化。萬向節(jié)是保證變速器輸出軸與驅動橋輸入軸兩軸線夾角的變化，并實現兩軸的等角速傳動。一般萬向節(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 ,傳動軸的產量達到數以萬計。 1984 年主要由于汽車工業(yè)的增長，生產了三千五百萬套虎克萬向節(jié)傳動軸，一億二千萬套等速萬向節(jié)傳動軸，一億三樞軸式萬向節(jié)傳動軸。在國內，近年來隨著我國汽車業(yè)的高速發(fā)展，帶動我國汽車傳動軸需求 持續(xù)大幅增長。 20xx 年中國汽車傳動軸的需求已經突破 992萬根，產值達到 45 億。 20xx 年汽車銷量達到 938 萬兩，而作為汽車零部件的汽車傳動軸需求量也接近 1900 萬套，產值達到 50 億元。倒 20xx 年我國汽車傳動軸總銷售額達到 87 億之多，因次國內也出現一批傳動軸制造的廠家。但產品的性能與國外相比仍有相當大的差距，具體表現在兩個方面：絕大多數轎車廠家對等速萬向節(jié)產品沒有制定出相應的技術規(guī)范，而國外公司對驅動軸和傳動軸的技術規(guī)定達 67 款之多，其中嚴格規(guī)定驅動半軸總成和傳動軸總成的振動頻率，目的是避免和發(fā)動機、輪胎 以及其他傳動系部件發(fā)生共振，從而更加全面合理地設計汽車底盤；零件供應商，易隨意組合 中心固定型等速萬向節(jié)和伸縮型等速萬向節(jié)，從而造成總成的失衡，使汽車產生異常振動，出現異響 [2]。對于創(chuàng)立自主知識產權的汽車廠家來說，造出一流汽 車仍有很長的路要走。 汽車萬向傳動裝置設計 主要內容與設計思路 課題研究對象是后輪驅動廣泛應用的十字軸式萬向傳動裝置，主要零件包括傳動軸、萬向節(jié)、支撐裝置等，這些關鍵零部件的設計對整個萬向傳動裝置性能具有很大的影響。采用有限元技術研究這些關鍵零部件的靜力學特性，對其結構進行優(yōu)化設計 ，是非常重要和必須的。在此基礎上，再進行萬向傳動裝置設計不但可以獲得最佳的萬向傳動裝置基本參數，還可以大大縮短萬向傳動裝置總成開發(fā)周期、降低開發(fā)費用，提高設計質量，保證其設計的精確性。 1. 設計的主要內容 本設計選擇萬向傳動軸的優(yōu)化，設計 基本要求如下 ： （ 1） 保證所連接的兩軸的夾角及相對位置在一定范圍內變化時，能可靠而穩(wěn)定的傳遞動力 ； （ 2） 保證所連接的兩軸 盡 可能等速運轉 ； 3 （ 3） 使用有限元分析軟件 ANSYS 對萬向傳動裝置的設計零部件進行靜態(tài)分析，完成萬向傳動裝置主要部件的優(yōu)化設計從而解決工藝合理、成本低 、可靠性高的設計要求； （ 4）在 CAE 分析的基礎上完成設計圖紙。 2. 設計的基本 技術路線 設計的技術路線如圖 所示 。 圖 設計技術路線圖調研并查閱相關資料 確定汽車萬向傳動裝置主要參數 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)化設計 萬向傳動裝置的主要零部件的設計 優(yōu)化后尺寸確定 用 Pro/E 完成零部件裝配 完成設計圖紙 完成畢業(yè)設計說明書 4 第 2 章 萬向傳動裝置結構方案確定 設計已知參數 本設計的已知參數如表 所示 表 設計基本參數 發(fā)動機轉矩 Temax 430N?? m/1500r/min 變速器一擋傳動比 i1 整車總質量 8495Kg 驅動橋滿 載載荷 5500Kg 主減速器傳動比 i0 輪胎規(guī)格 萬向傳動裝置最左與最右兩萬向節(jié)中心之間的距離 L 2186m 萬向傳動的運動和受力分析 單十字軸萬向節(jié)傳動 當十字軸萬向節(jié)的主動軸與從動軸存在一定夾角及時，主動軸的角速度 1w與從動軸的 角速度 2w 之間存在如下關系 12212 c o ss in1 c o s ?? ???ww () 式中， 1? 為主動軸轉角，定義為萬