【導(dǎo)讀】來實(shí)現(xiàn)對傳動系的動力傳遞。課題研究對象是后輪驅(qū)動廣泛應(yīng)用的十字軸式萬向傳動。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(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)車輛使用條件和車輛。十字軸的設(shè)計(jì)，萬向節(jié)的設(shè)計(jì)、傳動軸的設(shè)計(jì)以及中間支承的設(shè)計(jì)等。進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)并得出合理的設(shè)計(jì)方案。在傳動軸的設(shè)計(jì)中采用有限元技術(shù)研究這些關(guān)鍵。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。萬向節(jié)傳動應(yīng)適應(yīng)所聯(lián)兩軸的。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，萬向節(jié)傳動還要求傳動效率。高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易。傳統(tǒng)的分析方法，一般都是。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)。數(shù)小于許用安全系數(shù)，還要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。此過程計(jì)算繁雜，反復(fù)性強(qiáng)，而

　　

【正文】 缺省 選擇 mmns進(jìn)入零件模式 。 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 。 第二步：輸入拉伸尺寸、拉伸特征，確定無誤后確定拉伸。效果如圖 所示 。 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。如圖 所示 。 萬向節(jié)叉的創(chuàng)建 按上述方法建 三維模型如圖 所示 。 31 圖 萬向節(jié)叉三維效果圖 圖 十字軸 三維效果圖 主傳動軸 和中間傳動軸花鍵套筒軸 的創(chuàng)建 三維模型如圖 和 所示 。 圖 主傳動軸 三維效果圖 圖 中間傳動軸套軸 三維效果圖 中間傳動軸花鍵軸 和法蘭盤 的創(chuàng)建 三維模型如圖 和 所示 。 圖 中間傳動軸花鍵軸 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介 ANSYS 是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元工程的分析軟件。功能完備的預(yù)處理器和后處理器（又稱預(yù)處理模塊和后處理模塊）使 ANSYS 易學(xué)易用，強(qiáng)大的圖 32 形處理能力以及得心應(yīng)手實(shí)用工具使得使用者輕松愉快，奇特的多平臺解決方案使用戶物盡其用，且有多種平臺支持（ Windows NT、 LINUX、 UNIX）和異種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)浮動能力，各種硬件平臺數(shù)據(jù)庫兼容，使其功能一致，界面統(tǒng)一。目前，ANSYS 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國防、軍工、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等工業(yè)及科學(xué)研究。 ANSYS 軟件含有多種分析能力，包括簡單的靜態(tài)分析和復(fù)雜的非線性的模態(tài)分析，可用來求結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題的解答。它包含了預(yù)處理、解決程序以及后處理和優(yōu)化等模塊，將有限元分析、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具。 ANSYS 公司是有美國匹茲堡大學(xué)力學(xué)系教授、有限元法的權(quán)威、著名力學(xué)專家 John Swanson 博士于 1970 年創(chuàng)建而發(fā)展起來的，其總部位于賓夕法尼亞洲的匹茲堡市，目前是世界 CAE 行業(yè)最大的公司之一。 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)入了一個全新的階段。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，如今的 ANSYS 軟件更加趨于完善，功能更強(qiáng)大，使用也更加方便。 ANSYS 是一個通用的有限元分析軟件，它具有多種多樣的分析能力，從簡單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非 線性動態(tài)分析。而且， ANSYS 還具有產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì) [17]。 ANSYS 軟件能夠提供分析類型如下： 結(jié)構(gòu)靜力分析 用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)影響不顯著的問題。 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸問題的分析。 結(jié)構(gòu)動力分析 結(jié)構(gòu)動力分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和慣性的影響。 ANSYS可進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)分析的類 型包括瞬時動力分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動響應(yīng)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。 ANSYS程序可以求解靜態(tài)和瞬態(tài)非非線性問題。 結(jié)構(gòu)屈服分析 屈服分析是用來確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的載荷大小與在特定的載荷下結(jié)構(gòu)是否失穩(wěn)的問題。 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。 熱力學(xué)分析 ANSYS 可處理熱傳遞的三種基本類型：傳到、對流和輻射。熱傳遞的三種基本類型均可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。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。 電磁場分析 主要用于電磁場問題的分析，如電感、電容、此能量密度、渦流、電場分布、磁力分分布、力、運(yùn)動效應(yīng)、電路和能量損失等。 聲場分析 聲場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)的動態(tài)響應(yīng)特性。 壓電分析 壓電分析主要可以進(jìn)行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、瞬態(tài)分析和諧波響應(yīng)分析等，可用來研究壓電材料結(jié)構(gòu)在隨時間變化的電流和機(jī)械載荷響應(yīng)特性。主要適用于諧振器、振蕩器以及其他電子材料的結(jié)構(gòu)動態(tài)分析。 流體動態(tài)分析 ANSYS 中的流體單元能進(jìn)行流體動態(tài)分析，分析類型可以為瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)。分析結(jié)果可以是每個節(jié)點(diǎn)的壓力和流過每個節(jié)點(diǎn)的流率。并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分析的圖形顯示。 Pro/E 與 ANSYS 接口的創(chuàng)建 利用 ANSYS 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析時，通常需要將 Pro/E 建立的三維模型，導(dǎo)入 ANSYS 中進(jìn)行分析。所以需要將 Pro/E 三維實(shí)體模型通過專用的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入到 ANSYS 中， Pro/E 與 ANSYS 之間的接口技術(shù)常用的有以下兩種： （ 1） Pro/E 與 ANSYS 集成接口： ANSYS 在 默認(rèn)的情況下是不能直接對Pro /E 中的 prt(或 asm)文件進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換的 ,必須通過以下對 ANSYS 設(shè)置連接過程進(jìn)行激活模塊 :鼠標(biāo)點(diǎn)擊“開始→程序→ → Utilities→ ANS_ADM IN” ,出現(xiàn)如下圖 的對話框 ,選擇 如下選項(xiàng) , 單機(jī) NEXT。 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。在接下來出現(xiàn)的對話框中“ Pro/Engireer Installation path”選項(xiàng)后輸入 Pro/E 的起始安裝路徑如“ C: \ Program Files \ ” :“ Language used with Pro /Enginee 提示 在 Pro /E 目錄下建立了一個 文件。 之后選取 EXIT 退出，在彈出的對話框選擇是。 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 ,說明連接成功了。運(yùn)行 Pro/E 打開某零件三維模型圖，點(diǎn)擊 下的 ANSYSGeom按鈕 (如下圖 所示 )，則模型自動導(dǎo)入到 ANSYS 中，此時 軟件自動打開，點(diǎn)擊 Plot 下的 Volume，則模型導(dǎo)入成功。 圖 導(dǎo)入界面 （ 2） 通過 IGES( *.igs)格式文件導(dǎo)入： 首先 , 在 Pro/E 環(huán)境下建立好零件模 35 型或者完成零部件的裝配 , 然后 , 選擇主菜單【文件】下的【保存副本】子菜單 , 彈出保存副本對話框后 , 文件類型選擇 IGES( *.igs) ,在【新名 稱】框內(nèi)為模型輸入新名稱 ,點(diǎn)擊【確定】按鈕會彈出輸出 IGES 對話框 , 在輸出 IGES 對話框中可以設(shè)置輸出圖元的類型、參考坐標(biāo)系以及 IGES 文件結(jié)構(gòu)。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?？梢赃x擇多種圖元類型進(jìn)行輸出 , 但是不能同時輸出曲面和實(shí)體或者曲面和殼。單擊【定制層 ...】按鈕設(shè)置各層的輸出特性。文件結(jié)構(gòu)類型有 : 平整、一級、所有級別、所有零件 , 默認(rèn)輸出為平整。平整 : 將組件的所有幾何輸出到一個 IGES 文件。導(dǎo)入到另一個系統(tǒng)時 , 該組件就擔(dān)當(dāng)一個零件的角色。應(yīng)將每一個零件分別放到一個層上 , 以便在接受系統(tǒng)中能加以區(qū)別。一級 : 輸出一個組件的 IGES 文件 , 該文件只包含頂級幾何 ( 如組件特征 ) 。所有級別 : 輸出一個組件的 IGES 文件。用它可創(chuàng)建帶有各自的幾何和外部參照的元件零件和子組件。該選項(xiàng)支持所有層次。所有零件 : 將一個組件作為多個文件輸出到 IGES, 這些文件中包含所有元件和組件特征的幾何信息。零件使用相同的參照坐標(biāo)系 , 使接受系統(tǒng)中的重新裝配更加容易。ANSYS 導(dǎo)入 IGES( *.igs) 文件的方法有兩種 : 一種是通過 ANSYS 軟件的用戶界面操作導(dǎo)入 。 一種是通過輸入命令導(dǎo)入。通過用戶界面操作導(dǎo)入 IGES 的步驟是 :選擇主菜單【 File】下的子菜單【 Import】的次級子菜單【 IGES...】 , 彈出導(dǎo)入 IGES 屬性設(shè)置對話框 , 在導(dǎo)入 IGES 屬性設(shè)置對話框中可以設(shè)置 : 是否導(dǎo)入所有數(shù)據(jù)，是否合并圖元 , 是否創(chuàng)建實(shí)體，是否刪除小面。點(diǎn)擊【 OK】按鈕彈出文件路徑選擇對話框 ,在文件路徑選擇對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]。 基于 ANSYS 的有限元模型生成 本次設(shè)計(jì)主要分析的模型生成的簡圖如下 ~ 所示 圖 導(dǎo)入后 十字軸 的有限元模型 圖 導(dǎo)入后 萬向軸叉 的有限元模型 36 圖 導(dǎo)入后 花鍵軸叉 的有限元模型 圖 導(dǎo)入后 花鍵套筒軸 的有限元模型 萬向傳動裝置 靜載和約束 的施加與 結(jié)果分析 由前面的分析可知， 十字軸、萬向節(jié)和傳動軸 是 萬向傳動裝置 中重要的結(jié)構(gòu)件，受力條件較惡劣。所以利用有限元進(jìn)行分析時，主要分析 十字軸、萬向節(jié)和傳動軸 即可。 所用的設(shè)計(jì)材料屬性的如下表 表 幾種材料 屬性 彈性模量（ GPa） 泊松比 抗拉強(qiáng)度（ MPa） 密度（ g/cm179。） 20CrMnTi 206 800 45 號中碳鋼 210 600 40CrNi 208 600 十字軸有限元受力分析 十字軸式 萬向節(jié) 的主動軸及被動軸均向十字軸施加兩對力，它們構(gòu)成 兩 對大小相等、方向相反的力偶 。 這兩對力偶矢量處于主動軸與被動軸所決定的平面內(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)。十字軸 受力情況如圖 。 圖 十字軸受力圖 ANSYS 參數(shù)的定義 單元屬性主要包括：單元類型、實(shí)常數(shù)、材料常數(shù)。 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。材料屬性包括：彈性模量、泊松比、密度、熱膨脹系數(shù)等。 這次 定義屬性只用到其中的幾項(xiàng)。 十字 軸的材料選用 20CrMnTi， 材料 的屬性如 表 所示。 導(dǎo)入 了 零件 的實(shí)體模型后 ,緊接著 定義 該模型 各項(xiàng)屬性。 依次展開 Main MeunPreprocessorElement TypesAdd/Edit/Delete 命令，出現(xiàn)如圖 所示的Element Types 的對話框。 圖 單元類型對話框 單擊 Add 按鈕 ,彈出 Library of Element Types 對話框選擇好自己要定義的元素類型 ,單擊 OK 按鈕即可 ,如圖 所示。 圖 定義元素類型 定義完元素類型后應(yīng)該定義材料的屬性。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 對話框，如圖 所示。在右側(cè)列表框中依次選擇 StructuralLinearElasticIsotropic 命令。雙擊 Isotropic 將彈出 所示的對話框。在 EX 文本框中輸入彈性模量“ ”，在 PRXY 文本框中輸入泊松比“ ”。 38 圖 定義材料參數(shù)對話框 圖 設(shè)置彈性模量和泊松比 網(wǎng)格劃分 ANSYS 為用戶提供了兩種常用的網(wǎng)格劃分類型：自由和映射。 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。該單元在有限元法中具有 8 個節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)有 x、 y、 z位移方向的 3 個自由度 ， 共生成 5552 個節(jié)點(diǎn) ， 網(wǎng)格 后模型如 圖 。 圖 網(wǎng)格化的模型 39 約束、 加載求解 對 萬向傳動裝置 進(jìn)行分析時我們進(jìn)行面力分析，即加的為表面載荷。加載步驟如下 : （ 1） Solution/Analysis Type/New Analysis/Static； （ 2） Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Areas； 選擇軸的兩個端面進(jìn)行約束，這里有 ALL DOF(全約束 )、 UX（ X 方向位移）、