【正文】 本設(shè)計(jì) 使用的是自由網(wǎng)格， 采用實(shí)體塊單元（ SOLID45），進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，即網(wǎng)格劃分。 依次展開 Main MeunPreprocessorElement TypesAdd/Edit/Delete 命令，出現(xiàn)如圖 所示的Element Types 的對(duì)話框。 這兩對(duì)力偶矢量處于主動(dòng)軸與被動(dòng)軸所決定的平面內(nèi)，如不計(jì)兩軸傾角 (很小，可忽略 )，則構(gòu)成兩力偶的力均處于 十字軸軸線平面內(nèi)。ANSYS 導(dǎo)入 IGES( *.igs) 文件的方法有兩種 : 一種是通過(guò) ANSYS 軟件的用戶界面操作導(dǎo)入 。導(dǎo)入到另一個(gè)系統(tǒng)時(shí) , 該組件就擔(dān)當(dāng)一個(gè)零件的角色。 圖 Pro/E 的起始安裝路徑 點(diǎn)擊確定完成配置 ,運(yùn)行 Pro /E,工具菜單后面出現(xiàn)了 ,說(shuō)明連接成功了。 流體動(dòng)態(tài)分析 ANSYS 中的流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)態(tài)分析，分析類型可以為瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)。 ANSYS 中的穩(wěn)定性分析主要分為線性分析和非線性分析兩種。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)影響不顯著的問(wèn)題。 ANSYS 軟件含有多種分析能力，包括簡(jiǎn)單的靜態(tài)分析和復(fù)雜的非線性的模態(tài)分析，可用來(lái)求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題的解答。 圖 十字 軸 塊 的草繪圖形 圖 拉伸后的效果圖 第 三步：用拉伸和鏡像 命令實(shí)現(xiàn)十字軸軸徑的創(chuàng)建。參數(shù)化設(shè)計(jì)還使得設(shè)計(jì)人員可以利用強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算方式，建立各尺寸的關(guān)系式，使得零件的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)捷 [16]。這種特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)制造的結(jié)合，使得整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制 造嚴(yán)謹(jǐn)、有序，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，優(yōu)化了整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。 29 第 4 章 萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的有限元靜力學(xué)分析 基于 Pro/ENGINEER 軟件 的三維建模 Pro/ENGINEER 軟件 簡(jiǎn)介 Pro/ENGINEER 是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（ PTC） 1988 年首家推出的使用參數(shù)化的特征造型技術(shù)的大型 CAD/CAE/CAM 集成軟件。 F時(shí)為 84? 2%，主減速比為 ，輪胎規(guī)格采用 。應(yīng) 26 用較廣泛的有橡膠彈性中間支承和擺臂式中間支撐等。目前國(guó)產(chǎn)汽車的傳動(dòng)軸花鍵一般為矩形齒，它以內(nèi)徑或側(cè)面定心，保證傳動(dòng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠。傳動(dòng)軸的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 ? (MPa)可按下式計(jì)算： rdge WkiT /1m a x?? 式中 ： maxeT — 發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩， mmN? ； 1gi — 變速器的一檔傳動(dòng)比； dk — 動(dòng)載系數(shù)； rW — 抗扭截面系數(shù)。 傳動(dòng)軸經(jīng)常處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，所以軸的材料查機(jī)械零件手冊(cè)選取40CrNi，適用于很重要的軸，具有較高的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。 ? ? M P aM P alFdd jnj 3 2 0 0~3 0 0 6 2 718 8 2 12 7 2112 7 21????????? ?????????? ?? ?? 滾針軸承的 材料 為軸 承鋼，許用應(yīng)力 ? ? M Paj 3200~3000?? ，所以設(shè)計(jì)的滾針軸承符合要求 。 則 ： s2 cosTF r ?? 式中， TS為萬(wàn)向傳動(dòng)的計(jì)算轉(zhuǎn)矩， TS = min[Tse， Tss]min； r為合力 F作用線到十字軸中心之間的距離； α為萬(wàn)向傳動(dòng)的最大夾角 ，取 04 ， 0cos4 =。 即 ? ? mNTTT SSse ??? ,m in1 。 本次設(shè)計(jì)為貨車傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)，多數(shù)選用機(jī)械變速器，所以設(shè)計(jì)中不考慮液力變矩器的變扭比，則計(jì)算載荷如下： 按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和一檔傳動(dòng)比來(lái)計(jì)算 n kiTkT edse η1m a x? 其中 ： maxeT 為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩 430N多數(shù)等速 萬(wàn) 向節(jié)工作時(shí)的特點(diǎn)也都在于：它們所有的傳力點(diǎn) 總 是位于兩軸夾角的等分平面上，這樣，被萬(wàn)向節(jié) 所聯(lián) 接的兩軸的角速度就永遠(yuǎn)相等。常用作轎車三萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)中的靠近變速器的第一萬(wàn)向節(jié)或用在重型車的離臺(tái)器與變速器，變速器與分動(dòng)器之間。為防止十字軸軸向竄動(dòng)及避免摩擦發(fā)熱，有的在十字軸軸端和軸承碗之間加裝端面滾針軸承 [7]。為了 提高其使用壽命。擺臂式中間支承的擺臂用于適應(yīng)中間傳動(dòng)軸軸線在縱向平面內(nèi)的位置變化?；ㄦI齒與鍵槽應(yīng)按對(duì)應(yīng)標(biāo) 記裝配，以免破壞傳動(dòng)軸總成的動(dòng)平衡。 (a)帶有中間支承并有兩根軸管的分段傳動(dòng)軸 ； (b)具有一根軸管的傳動(dòng)軸 1— 萬(wàn)向節(jié)； 2— 傳動(dòng)軸管； 3— 平衡片； 4— 伸縮軸管； 5— 防塵罩； 6— 十字軸； 7— 中間支承 圖 汽車傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)圖 伸縮花鍵具有矩形或漸開線齒形，用于補(bǔ)償由于汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)傳動(dòng)軸兩端萬(wàn)向節(jié)之間的長(zhǎng)度變化。 為使多萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)的輸出軸與輸人軸等速旋轉(zhuǎn)，應(yīng)使 e? =0。 在雙萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)中，直接與輸入軸和輸出軸相連的萬(wàn)向節(jié)叉所受的附加彎矩分別由相應(yīng) 軸的支承反力平衡。當(dāng) 主動(dòng)叉 處于 0 和 ? 位置時(shí) (圖 )，由于 1T 作用在十字軸平面， 1T? 必為零； 而2T? 的作用平面與 十字軸不共平面， 2T? 必有存在，且矢量 2T? 垂直于矢量 2T ；合矢量 2T? + 2T 指向十字軸平面的法線方向，與 1T 大小相等、方向相反。 十字軸萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)的不等速性可用轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù) k 來(lái)表示 ?? t a ns in1 m in2m a x2 ??? w wwk （ ） 如不計(jì)萬(wàn)向節(jié)的摩擦損失，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩 1T 和從動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩 2T 與各自相應(yīng)的角速度有關(guān) 系式 2211 wTwT ? ，這樣有 11222 co s co ss in1 TT ? ???? （ ） 顯然，當(dāng) 2w ／ 1w 最小時(shí)，從動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩為最 大 ?co s/1m ax2 TT ? ； 當(dāng) 2w ／ 1w 最大時(shí)， 從動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩為最小 ?co s/1m ax2 TT ? 。 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。 在 1950 年后 ,傳動(dòng)軸的產(chǎn)量達(dá)到數(shù)以萬(wàn)計(jì)。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。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。 Universal Joint。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。 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。 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。 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。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。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。 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)向節(jié)主動(dòng)叉所在平面與萬(wàn)向節(jié) 主、從動(dòng)軸所在平面的夾角 由于 1cos? 是周期為 的周期函數(shù)，所以 2w ／ 1w 也為同周期的周期函數(shù)。同理，從動(dòng)叉對(duì)十字軸 也作用有從動(dòng)軸反轉(zhuǎn)矩 和作用在從動(dòng)叉平面的彎曲力偶矩 2T? 。 6 a) 1? =O， 1? =? b) 1? = 2? ， 1? = 23? 圖 十 字 軸 萬(wàn) 向節(jié)的力偶矩 因此，為了控制附加彎矩，應(yīng)避免兩軸之間的夾角過(guò)大。 式 ()表明，多萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)輸出軸與輸入軸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，如同具有夾角 e? 而主動(dòng) 叉具有初相位 ? 的單萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)。對(duì)于轎車， e2? 21w ≤350rad／ s 2 ；對(duì)于貨車，e2? 21w ≤600rad／ S2[5]。也有用滾珠或滾柱的滾動(dòng)摩擦代替 9 花鍵齒間的滑動(dòng)摩擦的結(jié)構(gòu)如圖 。以前中間支承多采用自位軸承，目前則廣泛采用坐于橡膠彈性元件上的單列球軸承 如 圖 ，圖 。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高。滾針軸承的徑向間隙過(guò)大會(huì)使受載的滾針數(shù)減少及引起滾針歪斜，間隙過(guò)小則可能受熱卡住，合適的間隙為 ～ 。 撓性萬(wàn)向節(jié) 利用橡膠盤、塊、環(huán)及橡膠一金屬套筒等橡膠彈 性元件在夾角不大于 ?5 的兩軸間傳遞轉(zhuǎn)矩。 等速萬(wàn)向節(jié)的 “ 等角速 ” 工作原理，可以一對(duì)大小相同的圓錐齒輪傳動(dòng)為例來(lái)說(shuō)明。故最終決定采用帶中間支撐的兩軸三萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)方案。 17 (a) 初始位置 ??? 021 ?? 時(shí)； (b) 主動(dòng)叉軸轉(zhuǎn)角 ??901? 時(shí) 圖 作用在萬(wàn)向節(jié)叉及十字軸上的力 在十字軸軸線所在的平面內(nèi)并作用于十字軸的切向力與軸向力的合力為 ?? 2121 t a ns in12 ?? RTQ 圖 （ a）為主動(dòng)叉軸位于初始位置的受力狀況。一般情況下，當(dāng)磨損或壓痕超過(guò) 0． 15mm時(shí)，十字軸萬(wàn)向節(jié)便應(yīng)報(bào)廢。滾針的長(zhǎng)度一般不超過(guò)軸頸的長(zhǎng)度，使其既有較高的承載能力，又不致因滾針過(guò)長(zhǎng)發(fā)生歪斜而造成應(yīng)力集中。 圖 萬(wàn)向節(jié)受力簡(jiǎn)圖 截面 B— B處為矩形，所以 322 4 136/68206/ mmbhW ???? 322 2 6 220682 6 mmk h bW t ????? ? ? M P aM P aWeF ww 80~ 5 4 1 6 0 5 ??????? ?? ? ? M P aM P aWaF ttt 1 6 0~ 2 6 2/ 6 0 5 ??????? ?? 因此，萬(wàn)向節(jié)叉的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。所謂臨界轉(zhuǎn)速，就是當(dāng)傳動(dòng)軸的工作轉(zhuǎn)速接近于其彎曲固有振動(dòng)頻率時(shí)，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以致振幅急劇增加而引起傳動(dòng)軸折斷時(shí)的轉(zhuǎn)速?；ㄦI軸頭應(yīng)壓入管口進(jìn)行焊接。 中間支承的結(jié)構(gòu)分析 和設(shè)計(jì) 由于軸距較長(zhǎng)，為了提高傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速，避免共振以及整車總布置上的需要，將傳動(dòng)軸分段。 中間支承的軸承選用深溝球軸承，型號(hào)為 6010， 其基本尺寸如 表 27 表 深溝球基本尺寸 軸承代號(hào) 基本尺寸 /mm 安裝尺寸 /mm 基本額定動(dòng)載荷 rC 基本額定靜載荷orC 極限轉(zhuǎn)速 /（ r/mm） d D B sr Min ad Min aD Max asr Max /kN 脂潤(rùn)滑 油潤(rùn)滑