【正文】 6010 50 80 16 1 56 74 1 7000 9000 中間支承的固有頻率可按下式計(jì)算 0 12 RCf m?? 式中， 0f 為中間支承的固有頻率（ Hz）； RC 為中間支承橡膠彈性元件的徑向剛度（ N/mm）； m 為中間支承懸置質(zhì)量（ kg），它等于傳動(dòng)軸落在中間支承上的一部分質(zhì)量與中間支承及 其軸承座所承受的質(zhì)量之和。主要部件包括十字軸、萬向節(jié)叉、傳動(dòng)軸和中間支承等。另外，借助于 Pro/ ENGINEER 的系統(tǒng)參數(shù)，用戶還可以隨時(shí)計(jì)算出產(chǎn)品體積、重心、重量、模型大小，極大的方便了設(shè)計(jì)人員。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)人員提供了前所未有的簡(jiǎn)易和靈活。 拉伸 放置 進(jìn)入草繪 草繪二維模型，確定所繪圖形準(zhǔn)確無誤后，點(diǎn)擊確定 ，如圖 所示 。 圖 中間傳動(dòng)軸花鍵軸 三維效 果圖 圖 法蘭盤 三維效果圖 基于 ANSYS 的有限元模型生成 ANSYS 有限元分析軟件的簡(jiǎn)介 ANSYS 是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元工程的分析軟件。 ANSYS 是一個(gè)通用的有限元分析軟件，它具有多種多樣的分析能力，從簡(jiǎn)單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非 線性動(dòng)態(tài)分析。 結(jié)構(gòu)非線性分析 33 結(jié)構(gòu)非線性問題包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。 聲場(chǎng)分析 聲場(chǎng)分析主要用來研究主流體 (氣體、液體等 )介質(zhì)中的傳播問題以及在流體介質(zhì)中的固態(tài)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。 34 圖 設(shè)置 ANSYS 連接過程 完成后 ANSYS 提示已在自己的安裝目錄中成功生成 文件 ,如下圖 所示 ,記完下 的路徑。單擊【定制層 ...】按鈕設(shè)置各層的輸出特性。該選項(xiàng)支持所有層次。所以利用有限元進(jìn)行分析時(shí)，主要分析 十字軸、萬向節(jié)和傳動(dòng)軸 即可。 這次 定義屬性只用到其中的幾項(xiàng)。雙擊 Isotropic 將彈出 所示的對(duì)話框。加載步驟如下 : （ 1） Solution/Analysis Type/New Analysis/Static； （ 2） Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Areas； 選擇軸的兩個(gè)端面進(jìn)行約束，這里有 ALL DOF(全約束 )、 UX（ X 方向位移）、。由于 材料是各向同性的線彈性材料 ， 其 材 料 參 數(shù) 的 定 義 步 驟 為 選 擇 Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Models 命令，彈出 Define Material Model Behavior 對(duì)話框，如圖 所示。 37 典型的實(shí)常數(shù)包括：厚度、橫截面面積、高度、梁的慣性矩等。點(diǎn)擊【 OK】按鈕彈出文件路徑選擇對(duì)話框 ,在文件路徑選擇對(duì)話框中選擇好所需精度 , 輸入IGES 文件路徑后 , 點(diǎn)擊【 OK】按鈕完成 IGES 文件導(dǎo)入 [18]。所有級(jí)別 : 輸出一個(gè)組件的 IGES 文件。輸出的圖元類型有 : 線框邊、曲面、實(shí)體、殼、基準(zhǔn)曲線和點(diǎn) , 缺省輸出圖元是曲面 , 缺省是輸出所有面組 , 點(diǎn)擊【面組 ...】選擇特定面組輸出。 Pro/E 與 ANSYS 接口的創(chuàng)建 利用 ANSYS 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時(shí)，通常需要將 Pro/E 建立的三維模型，導(dǎo)入 ANSYS 中進(jìn)行分析。熱分析還可以進(jìn)行模擬材料固化和熔解過程分 析，以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的耦合問題的分析。與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。 ANSYS 軟件的最初版本與今天的版本相比有很大不同，最初版本僅僅提供了熱分析及線性結(jié)構(gòu)分析功能； 20 世紀(jì) 70 年代末，圖形技術(shù)和交互操作方式應(yīng)用到了 ANSYS 中，使得 ANSYS 的使用進(jìn)入了一個(gè)全新的階段。 31 圖 萬向節(jié)叉三維效果圖 圖 十字軸 三維效果圖 主傳動(dòng)軸 和中間傳動(dòng)軸花鍵套筒軸 的創(chuàng)建 三維模型如圖 和 所示 。 十字軸的創(chuàng)建 一般零件可以使用拉伸或旋轉(zhuǎn)創(chuàng)建，本設(shè)計(jì)使用拉伸創(chuàng)建。在設(shè) 計(jì)過程中，采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型。鈑金設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、逆向工程、自動(dòng)測(cè)量、機(jī)構(gòu)仿真、應(yīng)力分析、電路布線、裝配管路設(shè)計(jì)等功能模塊和專有模塊于一體，可以實(shí)現(xiàn)DFM (面向制造設(shè)計(jì) )、 DFA（面向裝配設(shè)計(jì)）、 ID（逆向設(shè)計(jì)）、 CE（并行工程）等先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法的特性 。符合設(shè)計(jì)推薦值。 圖 橡膠彈性中間支承 擺臂式中間支承 如圖 ，它 的擺臂機(jī)構(gòu)能適應(yīng)中間傳動(dòng)軸軸線在縱向平面的位置變化，改善了軸承的受力情況，橡膠村套能適應(yīng)傳動(dòng)軸軸線在橫向平面內(nèi)少量的位置變化。 傳動(dòng)軸的校核 花鍵齒的許用 應(yīng)力 01)2)(4( nLdDdDKThhhhhy ?? ??? K? —— 為花鍵轉(zhuǎn)矩分布不均勻系數(shù)，取 hD —— 花鍵外徑 hd —— 花鍵內(nèi)徑 hL —— 為花鍵有效工作長度 0n —— 為花鍵齒數(shù) 當(dāng)花鍵 材 料為 40CrNi， 齒面 的 硬 度為 35HRC 時(shí) ，許 用擠 壓應(yīng) 力 為? ? M P ay 50~25?? 。 傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度為： ? ? ? ? M P aM P adD TD ccc cc )( 16 44 344 1 ???? ?????? ???? 傳動(dòng)軸材料為 40CrNi，許用應(yīng)力為 300MPa ， 因此本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的要求。表 給出外徑 95~60?cD毫米的 標(biāo)準(zhǔn)資料，以供設(shè)計(jì)時(shí)參考。的某一截面 處 ， 萬向節(jié)叉承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，其彎曲應(yīng)力 w? 和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 b? 應(yīng)滿足 ? ?wwFeW????? ? ?bbtFaW????? 式中， W 、 tW 分別為截面 B— B處的抗彎截面系數(shù)和抗扭截面系數(shù) 。 滾針軸承設(shè)計(jì) 滾針軸承初選尺寸 根據(jù)萬向傳動(dòng)軸已知參數(shù)、設(shè)計(jì)要 求和十字軸尺寸，參考專業(yè)廠的系列產(chǎn)品初步選取滾針軸承尺寸（如表 ） 初選尺寸： 滾針數(shù) 1 滾針直徑 3 工作長度 18 每列滾針數(shù) 35 滾針軸承的接觸應(yīng)力 滾針軸承中的滾針直徑一般不小于 ，以免壓碎，而且差別要小，否則 20 會(huì)加重載荷在滾針間分配的不均勻性，一般控制在 。 根據(jù)汽車的噸位查 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 初步選定十字軸總成尺寸 如表 [11]。22 ??? ????? mm rss ii rmGT ?? mN? 對(duì)萬向傳動(dòng)軸進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，計(jì)算載荷取兩者之間的最小值，所以取n kiTkT edse η1m a x? = 綜上所述，確定傳動(dòng)軸的基本方案。金屬套筒結(jié)構(gòu)的橡膠應(yīng)具有的物理機(jī)械特性為：抗拉強(qiáng)度不小于 1 5 MPa ；相對(duì)拉伸率不小于 350％；肖氏硬度 65～ 75；最大擠壓應(yīng)力為 ～8 MPa ；剪切彈性模量 G = ；工作溫度范圍為 45℃ ～ 80℃ 。 圖 轉(zhuǎn)角差 ??? 與)( 21 ? 的關(guān)系 圖 雙十字軸萬向節(jié)的等速傳動(dòng)條件 十字軸萬向節(jié)兩軸的夾角。當(dāng)需定期加注潤滑脂時(shí)，應(yīng)如圖 所示將油封反裝以利在加注潤滑脂時(shí)能將陳油和磨損產(chǎn)物排出。 汽車除轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋及帶有擺動(dòng)半軸的驅(qū)動(dòng)橋的分段 式半軸多采用等 速 萬向節(jié)外，一般驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)軸均采用一對(duì)十字軸萬向節(jié)，如圖 (b)。中間支承用于長軸距汽車的分段傳動(dòng)軸，以提高傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速，避免共 1— 滾柱； 2— 帶有滾柱內(nèi)滾道的傳動(dòng)軸管； 3— 帶有滾柱外滾道的軸管 圖 帶有滾柱的汽車傳動(dòng)軸 振，減小噪聲 [6]。應(yīng)提高鍵齒表面硬度及光潔度，進(jìn)行磷化處理、噴涂尼龍，改善潤滑。 。此徑向力作用在滾針軸承碗的底部，并在輸入軸與輸出軸的 支承上引起反力 [4]。 分析可知，附加彎矩的大小是在零與上述兩最大值之間變化，其變化周期為? ，即每一 轉(zhuǎn)變化兩次。這是因?yàn)檫@兩個(gè)轉(zhuǎn)矩作用在不同的平面內(nèi)，在不計(jì)萬向節(jié)慣性力矩時(shí)，它們的矢量互成一角度而不能自行封閉，此時(shí)在萬向節(jié)上必然還作用有另外的力偶矩。 1. 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)選擇萬向傳動(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。 20xx 年中國汽車傳動(dòng)軸的需求已經(jīng)突破 992萬根，產(chǎn)值達(dá)到 45 億。 現(xiàn)在汽車萬向傳動(dòng)裝置一般是由萬向節(jié)、 傳動(dòng)軸和中間支撐組成。 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。 Optimization Design 1 第 1 章 緒 論 課題研究的目的意義 萬向傳動(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，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)系的動(dòng)力傳遞。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。 本文主要是對(duì) 汽車 的 十字軸式萬向傳動(dòng)裝置 進(jìn)行設(shè)計(jì)。 Finite Element Analysis。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。剛性萬向節(jié)是靠零件的鉸鏈?zhǔn)絺鬟f動(dòng)力，又分為不等速萬向節(jié)、準(zhǔn)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(dòng)力的， 2 具有緩沖減震作用 [1]。在國內(nèi)，近年來隨著我國汽車業(yè)的高速發(fā)展，帶動(dòng)我國汽車傳動(dòng)軸需求 持續(xù)大幅增長。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行萬向傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)不但可以獲得最佳的萬向傳動(dòng)裝置基本參數(shù)，還可以大大縮短萬向傳動(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。 具有夾角 ? 的十字軸萬向節(jié)，僅在主動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和從動(dòng)軸反轉(zhuǎn)矩的作用下是不能平 衡的。當(dāng)主動(dòng)叉 1? 處 于 2? 和 23? 位置時(shí) (圖 )，同理可知 2T? =0， 主動(dòng)叉上的附加彎矩 1T? = 1T ?tan 。當(dāng)輸入軸與輸出軸相交時(shí) (圖)，傳動(dòng)軸兩端萬向節(jié)叉上所受的 附加彎矩方向相同，不能彼此平衡，傳動(dòng)軸發(fā)生如圖 中雙點(diǎn)劃線所示的彈性彎曲， 從而對(duì)兩端的十字軸產(chǎn)生大小相等、方向相反的徑向力。因此，在設(shè)計(jì)多萬向節(jié)傳動(dòng)時(shí)，總是希望其當(dāng)量夾角 e? 盡可能小，一般設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使空載和滿載兩種工況下的 e? 不大于 3176。 由于花鍵齒側(cè)工作表面面積較小，在大的軸向摩擦力作用下將加速伸縮花鍵的磨損，引起不平衡及振動(dòng)。裝車時(shí)傳動(dòng)軸的仲縮花鍵一端不應(yīng)靠近后驅(qū)動(dòng)橋，而應(yīng)靠近變速器或中間支承，以減小其軸向摩擦力及磨損。 1— 油封； 2— 彈性擋圈； 3— 軸承 圖 擺臂式中間支承 10 (a)傳動(dòng)軸及其中間支承； (b)(e)中間 支承方案 1 一撓性萬向節(jié)； 4 一前、后傳動(dòng)軸； 3 一彈性中間支承； 5 一平衡片； 6 一橡膠套； 7 一橫梁 圖 汽車傳動(dòng)軸的中間支承 圈 越野汽車傳動(dòng)軸的中間支承 萬向節(jié)類型分析 汽車用萬向節(jié)分為剛性的、撓性的、等速的和不等速的幾種。 轎車和輕型客、貨車常于 4 一 十字軸； 5 一 安全閥； 7 一 油封；裝配 時(shí)封入潤滑脂潤滑以減少車輛的 8 一 滾針； 9 一 軸承碗 潤滑點(diǎn)， 這時(shí) 應(yīng)采 用密封效果較好的雙刃口或 圖 普通十字軸萬 向節(jié) 多刃口橡膠油 封。采用兩個(gè)十字軸萬向節(jié)并把與傳動(dòng)軸相連的兩個(gè)萬向節(jié)叉布置在同一平面內(nèi)，且使萬向節(jié)的夾角 21 ??? (圖 )，則可使處于同一平面內(nèi)的輸出軸與輸入軸等角 12 速旋轉(zhuǎn)。圖 給出了汽車撓性萬向節(jié)及其橡膠彈性元件的典型結(jié)構(gòu)圖，其中圖 (a)、圖 (b)分別為具有球面對(duì)中機(jī)構(gòu)的環(huán)形和六角形撓性萬向節(jié)：圖 (c)為橡膠 — 金屬套筒結(jié)構(gòu)的撓性萬向節(jié)；圖 (d)、圖 (e)分別為組合型和盤形橡膠元件。其常見的結(jié)構(gòu)型式 有球籠式、球叉式、雙聯(lián)式、凸塊式和三銷式等。22= 其中 ： G2 為滿載狀態(tài)下一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋上的靜載荷 2G = ?? =35035N ； 2m? 為汽車最大加速度時(shí)的后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù) ，貨車： 2m? =~,取 16 2m? =； ? 為輪胎與路面間的附著系數(shù)，對(duì)于安裝一般輪胎的公路用汽車，在良好的混凝土