基于ANSYS的汽車傳動軸有限元分析,基于,ansys,汽車,傳動軸,有限元分析 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 設(shè)計(論文)題目： 基于ANSYS的汽車傳動軸有限元分析 學(xué)生姓名： 二級學(xué)院： 班　　級： 提交日期： 目錄 1 目錄 摘 要 II Abstract III 1 緒 論 1 1.1 選題的背景和主要內(nèi)容 1 1.2 課題國內(nèi)外發(fā)展歷史與趨勢 1 1.3傳動軸的功用及結(jié)構(gòu)特點 2 1.4傳動軸關(guān)鍵零部件 2 2有限元理論基礎(chǔ)和相關(guān)軟件簡介 4 2.1有限元思想與理論 4 2.1.1 有限元基本思想 4 2.1.2 有限元求解的基本步驟 4 2.2 CATIA軟件簡介 5 3傳動軸的設(shè)計與建模 6 3.1傳動軸結(jié)構(gòu)方案 6 3.1.1 原始參數(shù) 6 3.1.2 分析傳動軸結(jié)構(gòu)方案 6 3.2 傳動軸的設(shè)計 8 3.2.1 萬向傳動軸載荷的確定 8 3.2.2 傳動軸的設(shè)計 8 3.3傳動軸的三維建模 9 4傳動軸的有限元分析 11 4.1 傳動軸的靜態(tài)分析 11 4.2 傳動軸的頻率分析 18 5 結(jié)論與展望 22 參考文獻 23 致謝 24 I 摘要 基于ANSYS的汽車傳動軸有限元分析 摘 要 課題是以運動型多用途汽車哈佛H9作為參考，研究的主要內(nèi)容是傳動軸。本文首先會簡單介紹一些傳動軸的基本知識及其發(fā)展方向，以及有限元的思想和CATIA機械設(shè)計軟件。接下來會根據(jù)所選汽車的相關(guān)性能和參數(shù)對傳動軸的類型進行選擇，并計算出對傳動軸需要承載的載荷，再對其長度和直徑進行設(shè)計。最后也是本課題的重點部分就是運用CATIA軟件對傳動軸進行建模及有限元分析。在CATIA的機械設(shè)計模塊中，根據(jù)之前的設(shè)計數(shù)據(jù)建立傳動軸的三維模型，再在有限元分析模塊中分別對所建模型進行靜態(tài)和頻率分析。靜態(tài)分析主要是看傳動軸在指定載荷下整體的應(yīng)力分布情況，判斷受載荷最大處的節(jié)點應(yīng)力是否超過了材料的許用應(yīng)力，驗證設(shè)計的合理性。頻率分析則是為了得到傳動軸的固有頻率，推算它的臨界轉(zhuǎn)速，分析此時傳動軸的應(yīng)力分布情況。 關(guān)鍵詞：傳動軸，三維建模，CATIA，靜態(tài)分析，頻率分析 III Abstract Based on ANSYS to the finite element analysis of automobile transmission shaft Abstract The topic is based on the sport utility vehicle Harvard H9 as a reference, the main content of the study is the transmission shaft. This paper first introduces some basic knowledge of the transmission shaft and its development direction, as well as the idea of finite element and CATIA mechanical design software. Then select the type of the drive shaft according to the relevant performance and parameters of the selected car, and calculate the load on the drive shaft, and then design the length and diameter of the drive shaft. Finally is the key part of this project is the use of CATIA software for modeling and finite element analysis of the transmission shaft. In the mechanical design module of CATIA, the 3D model of the drive shaft is established according to the previous design data. The static and frequency analysis of the model are carried out in the finite element analysis module.Static analysis is mainly to observe the stress distribution of the transmission shaft under the specified load,then judge whether the maximum stress is more than the allowable stress of the material and verify the rationality of the design. Frequency analysis is to get the natural frequency of the drive shaft, calculate the critical speed, and analyze the stress distribution of the drive shaft at this time. Key words: Transmission shaft , 3D modeling ,CATIA ,Static analysis, frequency analysis 第1章 緒論 1 緒 論 1.1 選題的背景和主要內(nèi)容 根據(jù)我國工信部最新的統(tǒng)計資料，中國2015年的汽車銷量已經(jīng)達到2472.39萬輛，同比增長6.3%和2649.29萬輛。如此龐大的銷量在最近的七年內(nèi)在全球所有國家中名列前茅。上個世紀雖然汽車工業(yè)在我國有所發(fā)展，但始終都停留在起步階段，工業(yè)化程度低，制作成本高，所以汽車一直都是屬于上層社會的奢侈品，普通人難以接觸。改革開放以后，人們的生活水平提高了，社會的生產(chǎn)力也大幅提高，人們開始追求更有品質(zhì)的生活，消費市場開始慢慢變成熟，政府也開始和國外汽車公司合作，我國的汽車行業(yè)開始進入飛速發(fā)展的時期。制造汽車不可缺少鋼材，汽車的運行也離不開能源，鋼鐵、能源等傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展也因此被帶動，并且還催生出一大批先進制造工業(yè)技術(shù)。新世紀以后，汽車再也不是一個平民百姓可望而不可即的奢侈品，發(fā)達的生產(chǎn)力，成熟的技術(shù)，使普通人也用得起一輛一般汽車，而今汽車已經(jīng)融入了每個人的生活。運動型多用途汽車哈弗H9的傳動軸是本課題的研究對象。傳動軸是汽車動力傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，故本課題將重點利用CATIA軟件對傳動軸三維建模并用分析與模擬模塊進行強度和臨界轉(zhuǎn)速校核。 1.2 課題國內(nèi)外發(fā)展歷史與趨勢 十九世紀五十年代，傳動軸的技術(shù)尚且不是很成熟，銷售量就已經(jīng)達到了幾十萬件。到了八十年代，隨著各種現(xiàn)代生產(chǎn)制造技術(shù)的成熟，汽車工業(yè)的發(fā)展已經(jīng)進入了勢不可擋的飛速發(fā)展階段，僅僅一年就銷售了三千五百萬虎克萬向節(jié)傳動軸，一億套三樞軸萬向節(jié)傳動軸，1.2億套等速萬向節(jié)傳動軸。 在國內(nèi)，傳動軸行業(yè)企業(yè)起步的都稍微滯后，在整車制造廠開始興起時，只有很少一部分完整地具備生產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)異的傳動軸的能力，絕大多的傳動軸的制作都是在汽車零部件生產(chǎn)制造廠內(nèi)加工制作的。在20世紀50到70年代，隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的進入發(fā)展階段，大部分國有企業(yè)，部分集體企逐步興建。改革開放后，國有、集體企業(yè)逐步實行股份制改造，尤其是進入20世紀90年代，一部分企業(yè)與國外合資，并且大量民營資本的加入，更是激發(fā)了市場活力，使得原本比較弱小的傳動軸行業(yè)得到了較快的發(fā)展。經(jīng)過50多年的發(fā)展，傳動軸技術(shù)逐步走向成熟，特別是改革開放以來，通過合資合作，傳動軸行業(yè)在管理、技術(shù)、產(chǎn)品等方面從國外先進國家公司吸收經(jīng)驗。如日本小松公司、日本川崎公司、德國奔馳重型車、德國DIN5480標準、重型車系列傳動軸、斯太爾重型車傳動軸等技術(shù)、美國卡特彼勒公司等世界聞名的公司的先進技術(shù)都值得我們學(xué)習(xí)。通過和外國優(yōu)秀公司的密切合作，不斷消化吸收這些公司的先進技術(shù)，我國傳動軸產(chǎn)品的工藝水平、產(chǎn)品檔次得到很大提高。 總體上來說，在商用車方面，我國傳動軸產(chǎn)品性能和設(shè)計水平與國外先進水平存在差距，但是這種差距是在不斷縮小的；除此之外由于我國加工制作水平在不斷提高，傳動軸 2 產(chǎn)品的質(zhì)量也變得越來越越好，能滿足絕大多數(shù)的汽車的使用標準，競爭力也是不容忽視的。但在轎車傳動軸方面，盡管我們通過合資、合作引進了技術(shù)和產(chǎn)品，但由于規(guī)格，標準等問題水土不服，雖然了國內(nèi)轎車生產(chǎn)的需求基本滿足，但遠遠沒有掌握產(chǎn)品核心技術(shù)，與國際大型公司公司相比，還存在很大差距。具體體現(xiàn)在：中國依舊沒有制定出對應(yīng)的國家標準甚至是行業(yè)標準，絕大部分汽車制造廠商又沒有對傳動軸及其相關(guān)產(chǎn)品制定出相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，而先進國家廠商對傳動軸的制作進行了嚴謹?shù)囊?guī)定，且為了避免傳動軸總成和驅(qū)動半軸產(chǎn)生共振現(xiàn)象，嚴格地規(guī)定了其振動頻率；但在國內(nèi)，并沒有相關(guān)的統(tǒng)一規(guī)定致使國內(nèi)傳動軸供應(yīng)商缺乏相關(guān)意識，對于傳動軸及其零部件隨意組合，這樣會對傳動軸產(chǎn)生很多不利影響，輕則使其在傳動時失去穩(wěn)定性，讓汽車產(chǎn)生振動和噪音，嚴重時會讓傳動軸發(fā)生共振現(xiàn)象而被破壞，使汽車失去控制而導(dǎo)致悲劇。未來，傳動軸大體的發(fā)展方向不外乎以下幾個方面：一傳動軸的廣泛運用會推動市場急需制定一個所有人都認定的標準，因此其制作將會越來越統(tǒng)一；二新材料逐漸被應(yīng)用于工業(yè)技術(shù)的方方面面，汽車行業(yè)也不例外。用新材料制作的傳動軸性能將會更加優(yōu)異，由此一些更加先進的加工方法也會涌現(xiàn)。三技術(shù)的成熟也會使傳動軸變得更加精密與耐用，而且傳動效率也會比以前更高。四未來傳動軸幾乎沒有人工操作，所有的制作加工都將自動化與信息化。 1.3傳動軸的功用及結(jié)構(gòu)特點 傳動軸是汽車傳動系統(tǒng)中的一個重要部件，主要職能是把發(fā)動機的動力傳遞至車輪。工作時會以一個較高的速度旋轉(zhuǎn)，因此動平衡性能是傳動軸質(zhì)量的一個重要指標。通常情況下，傳動軸在投入使用之前都會在制作廠內(nèi)進行一個動平衡測試，如果不符合標準還要進行調(diào)整。對于前置后驅(qū)的汽車來說，一節(jié)傳動軸不能達到傳動的要求，通常會由好幾節(jié)萬向節(jié)連接起來 一般傳動軸主要是由萬向節(jié)，軸管和伸縮套構(gòu)成的。萬向節(jié)的關(guān)鍵部分是十字軸，十字軸承和凸緣。變速器軸線與驅(qū)動橋軸線在汽車運動的過程中，會由于車身的振動而發(fā)生相對運動，從而產(chǎn)生一定的夾角，萬向節(jié)的使用就是保證這種變化不影響動力的傳遞，并且讓兩者同步轉(zhuǎn)動。伸縮套能根據(jù)變速器與驅(qū)動橋之間距離的變化而改變自身長度。 1.4傳動軸關(guān)鍵零部件 （1）萬向節(jié) 萬向節(jié)是傳動軸上一個非常重要的部件。前置發(fā)動機后輪驅(qū)動的車輛，傳動軸一般安裝在驅(qū)動橋與變速器的兩軸線之間，而萬向節(jié)用來連接各節(jié)傳動軸；而前置前驅(qū)的汽車，由于傳動軸被省略，萬向節(jié)安裝在前橋與驅(qū)動輪之間，而前橋既負責驅(qū)動又負責轉(zhuǎn)向。車輛負荷發(fā)生變化，兩個總成安裝位置誤差或者在不平的路面上行駛時會產(chǎn)生的跳動等因素都會使減速器主軸與變速器主軸軸之間發(fā)生相對運動，因而需要一個適應(yīng)此變化的裝置來解決這個問題，萬向節(jié)便由此產(chǎn)生。 （2）伸縮套 傳動軸伸縮套的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)是把花鍵軸焊在傳動軸管上，將花鍵套與凸緣叉焊接成一個整體。新型的的傳動軸進行了巨大的改進，將花鍵軸與凸緣叉制成一體，將花鍵套與傳動軸管焊接成一體，并把傳統(tǒng)的矩形齒花鍵改成漸開線大壓力角短齒花鍵，從而既便于擠壓成形又增加了強度，更好地適應(yīng)大轉(zhuǎn)矩工況的需求。花鍵軸由于需要傳遞動力，鍵齒磨損嚴重，而伸縮套管的運動需要潤滑，因此可以對它們進行尼龍材料的整體浸涂，這樣不僅了可以使其摩擦阻力減小，使其更加耐磨，而且降低了突發(fā)載荷對傳動軸的沖擊損壞，提高了緩沖能力。 此外，這種傳動軸在軸外添加了一個密閉的金屬套，并在該套的兩端加設(shè)了一個密封圈，使傳動軸處于一個完全真空的狀態(tài)，與所有的外界因素隔離，保護了傳動軸不受侵蝕。而在潤滑方面，只需要在制作時，在金屬套內(nèi)涂抹潤滑油即可，在相當長的時間內(nèi)，不需要再對其進行二次保養(yǎng)，減少了人力物力。 27 第2章 有限元理論基礎(chǔ)和有關(guān)軟件的簡介 2有限元理論基礎(chǔ)和相關(guān)軟件簡介 2.1有限元思想與理論 2.1.1 有限元基本思想 有限元的基本思想就是把求解區(qū)域分解成各個緊密相連單元，單元之間以一定的規(guī)律排列，由于各個單元可以接近無限的細化，因此也可以模擬比較復(fù)雜問題。有限元發(fā)可以在各個單元內(nèi)假設(shè)出近似的函數(shù)，作為一個數(shù)值分析的方法，求出各個不同區(qū)域上的假設(shè)的近似函數(shù)的參數(shù)值。用各個單元上的節(jié)點上的函數(shù)可以近似表達這個單元，然后這個未知函數(shù)或其導(dǎo)數(shù)在單元分界點上產(chǎn)生一個未知量，用新的未知量去去取代原來的無限個未知量，從而把原來無限的無法求解的問題變成有限的可以求解的問題。在求出這些未知量后，便可以根據(jù)相關(guān)的函數(shù)算出每個單元內(nèi)的函數(shù)值，將這些函數(shù)值綜合起來便得到了整個求解域。顯而易見，在單元分解時，總單元的數(shù)量越多，每個單元的尺寸將會變得越小，相關(guān)函數(shù)的精度將會越高，得到的求解域也會越精確。假如每個單元是收斂的，最終會得到一個精確解。 2.1.2 有限元求解的基本步驟 通常對于我們遇到的問題，有各種不同的物理性質(zhì)，可以建立具體的不同數(shù)學(xué)模型，進而通過以下基本步驟來對遇到的問題進行有限元求解： 1） 問題及求解域定義。對于遇到的不同的問題，可根據(jù)具體情況，對求解域的性質(zhì)進行定義。 2） 求解域離散化。要將求解域進行有限元的網(wǎng)絡(luò)劃分，具體來說，就是把求解域分解為形狀和大小各不相同，但彼此精密相連的有限個單元。求解域為這些單元的集合體，而這些單元的集合又稱為其離散域。顯然網(wǎng)絡(luò)劃分越細，即單元越小，越能更好地近似離散域，相關(guān)計算結(jié)果也就更精確，但不可避免地誤差和計算量都將擴大。因此有限元技術(shù)的關(guān)鍵是求解域的離散化。 3） 確定表示求解域的變量和函數(shù)。通?？梢韵日业揭粋€分解單元節(jié)點上的值，這些邊界值包含了各種邊界條件，然后通過這些邊界值把這個問題用微分方程表示出來。而有限元求解有與其相適應(yīng)的函數(shù)形式，因此必須將得到的微分方程化為等價的泛函數(shù)。 4） 單元推導(dǎo)。為了得到單元一個相對精確的解，必須得到其剛度陣（即單元矩陣）。當然單元推導(dǎo)還要遵循很多原則，應(yīng)為保證了求解問題的收斂性才能正確求解。在工程應(yīng)用中，要注意確保每個單元是約束單元，這樣才能解出最終結(jié)果。最好選擇規(guī)則的單元形狀，這樣更有利于分析過程中的計算及求解，否則最終結(jié)果會不夠精確甚至導(dǎo)致求解困難。 5） 綜合解答。通過單元的連續(xù)條件來構(gòu)造連續(xù)的單元函數(shù)。通常函數(shù)或其導(dǎo)數(shù)的構(gòu)造通常是在相鄰單元的節(jié)點進行，從而保證函數(shù)的連續(xù)性。 6） 得出結(jié)果與驗證。方程有各種不同的求解方法，而常用的方法有隨機法和直接法等方法，得到的結(jié)果往往還是不夠精確，因此還要將計算結(jié)果與設(shè)計準則的準許值進行對比，如果誤差太大，還需重新建立模型，反復(fù)計算，從而保證計算結(jié)果的質(zhì)量。 綜上所敘，有限元法可分為前處理，處理，后處理三個部分。前處理是對遇到的問題進行相關(guān)定義，然后單元分解，網(wǎng)格劃分。處理則是根據(jù)單元節(jié)點得到相關(guān)的合理方程求出求解域。后處理是把得到的結(jié)果進行收集與分析，使人們能夠更簡單的得到了解計算結(jié)果，從而得到想要的信息。 2.2 CATIA軟件簡介 CATIA是一種非常實用的交互式CAD/CAE/CAM軟件，由法國達索公司（Dassault System）開發(fā)，經(jīng)過多年的發(fā)展與運用，技術(shù)逐步成熟，在行業(yè)內(nèi)是一種被人們所熟知的軟件。 上世紀后半葉，航空航天工業(yè)蓬勃發(fā)展。由于航天工業(yè)技術(shù)性要求高，各零部件要求精密，且制作成本巨大，因而急需一種能夠建模分析模擬的軟件，CATIA由此應(yīng)運而生，并從此一路向前，成為行業(yè)內(nèi)毫無爭議的領(lǐng)袖。CATIA的精確安全性，可靠性遠遠領(lǐng)先行業(yè)內(nèi)其他的軟件，因此被商用和軍用航天領(lǐng)域所青睞，被應(yīng)用于加拿大龐巴迪公司的Global Express公務(wù)機，法國達索飛機公司的陣風(fēng)戰(zhàn)機，開發(fā)虛擬原型機如美國波音公司的Boeing777、Boeing737等。在本專業(yè)汽車領(lǐng)域，CATIA已經(jīng)是無可爭辯的行業(yè)標準，許多著名的公司都是以CATIA作為其車輛設(shè)計的軟件，日本的豐田公司和本田公司，德國的大眾和寶馬公司，韓國的現(xiàn)代公司以及美國的通用公司等等世界聞名的公司都是CATIA忠實使用者。另外，CATIA還被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。 本課題運用的是CATIA V5R20，在此軟件中，有許許多多的機械相關(guān)的設(shè)計模塊，可以進行三維建模，運動仿真，還可以進行簡單的有限元分析。本課題的內(nèi)容需要用到此軟件對傳動軸進行三維建模和有限元分析，因此需要用到機械設(shè)計模塊和分析與模擬模塊。 第3章 傳動軸的設(shè)計與建模 3 傳動軸的設(shè)計與建模 3.1傳動軸結(jié)構(gòu)方案 3.1.1 原始參數(shù) 3.1 汽車（參照哈弗H9）主要參數(shù) 3.1.2 分析傳動軸結(jié)構(gòu)方案 由于各種汽車的性能不同，需要傳遞的動力也不同，還有汽車各種實際結(jié)構(gòu)的條件限制，因而需要根據(jù)實際情況選擇傳動軸的方案。在小型車輛中，變速器與驅(qū)動橋一般靠得非常近，在汽車運行時兩者之間很容易產(chǎn)生相對運動，這對車輛運動的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的不利影響，為解決此問題，用一根可伸縮的萬向傳動軸和兩個萬向節(jié)來進行動力的輸送將會是一種非常適宜的方案。但是對于越野車來說，變速器第二軸和驅(qū)動橋之間的距離往往非常之大，這是大部分越野車會遇到的問題。越野車為了適應(yīng)其性能，分動器的位置通常安轉(zhuǎn)得比較高，這就導(dǎo)致了傳動軸軸線與驅(qū)動橋錐齒輪的軸線還有傳動軸線和分動器軸線之間的的夾角過大；另外，汽車零件在制作時精度不夠，或者安裝時不夠精確，或者車輛的車身意外變形從而引起了傳動動時對傳動軸的額外載荷。所以傳動軸的最佳方案是選擇靈活度較大萬向節(jié)把與傳動有聯(lián)系的部件連接起來，且在工作時，它的轉(zhuǎn)角通常在2~3度之間。 目前在汽車制造業(yè)中，十字軸式剛性傳動軸是市場上被大范圍為使用的傳動軸，它簡單實用，經(jīng)濟性好，更重要的是它有一個最大的特點附帶滑動花鍵。在車輛制作的過程中，首先要對汽車進行整車布置，在這時會校核傳動軸的跳動，由此確定滑動花鍵的最大伸縮量和傳動軸的萬向節(jié)轉(zhuǎn)角。一般的傳動軸是附帶軸管的，實際上普通傳動軸雖然剛度較大，但是抗扭轉(zhuǎn)能力弱，因此要想獲得更高的臨界轉(zhuǎn)速，空心傳動軸是最好的選擇。 在長度固定后，要根據(jù)設(shè)計的需要，來確定傳動軸的的直徑。確定傳動軸的最大轉(zhuǎn)速的和傳動軸的強度校核是傳動軸設(shè)計過程中最重要的兩個部分。直徑大則其強度大，也能有較高的臨界轉(zhuǎn)速，但是會消耗更多的材料，經(jīng)濟性也是不得不考慮的因素，同時直徑的大小也需適應(yīng)汽車的車型。在傳動軸工作時不可避免地會產(chǎn)生振動，轉(zhuǎn)速越大，傳動軸的振幅越大，當次振幅開始與傳動軸發(fā)生共振時的轉(zhuǎn)速就是臨界轉(zhuǎn)速，這時對傳動軸的傷害最大。傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速最主要的決定性因素便是傳動軸的直徑和長度。 本課題選擇的是4×4SUV的傳動軸，汽車在行駛時由于路況的原因，可能會上下顛簸，懸架會根據(jù)路面情況而做出相應(yīng)的柔性變形，從而增加乘客的舒適度，但是也因此驅(qū)動輪的軸線與減速器輸出軸的軸線之間的距離會經(jīng)常發(fā)生改變，此時傳動軸也應(yīng)該能做出相應(yīng)的變化，故可伸縮的傳動軸是不二選擇。 通過以上的分析，本課題的方案思路及研究內(nèi)容如下：主要分析研究帶有可以變動距離的鍵槽的空心傳動軸。傳動軸的材料可以選擇45號鋼材，在焊接成型之后，能有效地提高傳動軸的剛度與強度。由于變速器與驅(qū)動橋經(jīng)常發(fā)生相對運動，可以伸縮的滑動花鍵滑動花鍵能有效地適應(yīng)此變化。除此之外，為了減少滑動阻力以及降低花鍵副的磨損，花鍵軸的健齒最好進行磷化處理，增強硬度。最后，課題選擇的這種傳動軸結(jié)構(gòu)簡單明了，而且制作起來非常容易，成本低傳動效果卻很好。所以，這次課題選擇了帶伸縮花鍵的傳動軸的方案。如圖3.1.2。 3.2 傳動軸的設(shè)計 3.2.1 萬向傳動軸載荷的確定 （1）在變速器和驅(qū)動橋之間，由發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩與一檔傳動比確定。 　 （3-1） 式中，：離合器踩到底時的動載系數(shù)，通常取1； ：發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩，查上表可知它的值為324 N·m； ：液力變矩器的變矩系數(shù)，k=[(k0-1)/2]+1= 1.9 ，k0為最大變矩系數(shù)，k0 = 2.8； ?。鹤兯倨饕粰n傳動比，取4.31； ?。悍謩悠鱾鲃颖龋樯媳砜芍?，if =1（高檔）； 　 ：發(fā)動機到萬向傳動軸之間的效率，由以往經(jīng)驗取0.97； 　：變速器傳動軸數(shù)，取1。 推算可得 Tse ==25632N·m （2）在變速器與驅(qū)動輪中，以驅(qū)動輪打滑驗算（變速器與驅(qū)動橋之間） 　　　　　　　　　　　　　 （3-2） 式中，：驅(qū)動橋在滿載時的靜載荷，取17750 N； ：汽車的加速度最大時后軸的偏移系數(shù)，對于本車型m'2 = 0.80~0.85，取0.83； ： 輪胎與地面的附著系數(shù)，本課題選擇的是SUV越野汽車，可取1； ：車輪滾動半徑，查上表可知輪胎規(guī)格為265/65R17，B/H=65，由此可得輪胎半徑為388mm（265×0.65+17×25.4/2）； ：從主減速器主動動齒輪到車輪之間的傳動比，可取1； ：主減速器傳動比，取值3.7； ：主減速器從動齒輪到車輪之間的傳動效率，取0.97。 由上計算 = 1590 N·m 于是，計算最終載荷為=1590 N·m。 3.2.2 傳動軸的設(shè)計 （1）確定傳動軸的尺寸 根據(jù)以上的分析，由本課題對傳動軸的要求和已知參數(shù)，初步選定傳動軸的尺寸為外徑Dc =58mm，內(nèi)徑dc=26mm。 （2）校核傳動軸的強度和計算臨界轉(zhuǎn)速 1) 當傳動軸的軸長固定后，便可以計算其臨界轉(zhuǎn)速，和傳動軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，用計算得到的臨界轉(zhuǎn)速和汽車參數(shù)中傳動軸的最高比較，確保最高轉(zhuǎn)速遠遠小于臨界轉(zhuǎn)速。所謂的臨界轉(zhuǎn)速就是當傳動軸因為旋轉(zhuǎn)而振動的頻率達到了自身的固有頻率時，而發(fā)生共振使其失去穩(wěn)定性甚至斷裂時的轉(zhuǎn)速。另外根據(jù)上文計算得到的載荷，可以算出傳動軸收到的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，要確保此扭轉(zhuǎn)應(yīng)力要小于該材料的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。相關(guān)的計算過程如下： 　　　　　　　　　　　　　 （3-3） 式中，Dc：傳動軸外徑，58mm； dc：傳動軸內(nèi)徑，26mm； Lc：傳動軸支承長度，取550mm。 經(jīng)計算得 =12279.93 rpm 安全系數(shù)K= nk/nmax = 1.2~2.0，nmax 是傳動軸最高轉(zhuǎn)速，查表可知它的值為7000，K= nk/nmax =12279.93/7000=1.75，因此滿足課題要求。 2) 傳動軸扭轉(zhuǎn)強度的校核： 　　　　　　　　　　　　　 （3-4） 式中，T1：傳動軸管的最終載荷，為1590000 N?mm； τc：傳動軸管受到的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa）； ［τc］：傳動軸管許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力［τc］=300 MPa。 由上可計算得 =166.94 MPa Τc不大于許用剪切應(yīng)力［τc］=300 MPa，所以此傳動軸方案滿足要求可行。 3.3傳動軸的三維建模 CATIA與其他三維建模軟件類似，建模的基本步驟大同小異，都是在草繪的基礎(chǔ)上通過一些三維建模操作得到立體圖形，但總的來說CATIA功能更加全面，界面更加友善，操作起來也更加簡便。另外CATIA還可以進行多方面仿真，這在機械汽車行業(yè)十分重要，但本課題并不涉及仿真操作，而是對傳動軸進行有限元分析，具體步驟如下： （1）點擊CATIA軟件的圖標，進入CATIA軟件界面，點中菜單欄的“開始”，在其子菜單中找到“機械設(shè)計”模塊，在其彈出的伸展項中找出“零件設(shè)計”，單機即進入CATIA的零件設(shè)計的工作臺。 （2）零件設(shè)計工作臺中，在右邊的工具欄找到“旋轉(zhuǎn)體”按鈕，單擊后跳出“旋轉(zhuǎn)定義”顯示框，首先點擊顯示框中的中的，便會進入草圖編輯器的工作臺。在草繪平面左上角選中“xy”平面，在此平面可以正式開始草繪工作。由上計算出的設(shè)計數(shù)據(jù)，畫出傳動軸的二維草圖，完成后如圖3.3所示 3.3 傳動軸草圖 （3）確認草圖所有數(shù)據(jù)正確后，單擊，旋轉(zhuǎn)定義框再次彈出，這時選擇好旋轉(zhuǎn)軸線，最后單擊確定按鈕，傳動軸的三維模型便建模成功，如圖3.4所示。 3.4 傳動軸三維圖形 第4章 傳動軸的有限元分析 4傳動軸的有限元分析 CATIA是一款功能全面而強大的軟件，其中就有分析與模擬模塊，對CATIA所建模型進行有限元分析。由于此次是對傳動軸進行有限元分析，結(jié)構(gòu)比較簡單，由CATIA自帶模塊就足以完成任務(wù)，并不需要專業(yè)的有限元分析軟件。在實際生活中汽車的傳動軸由于會與其他零件配合使用，分析時要考慮到的因素很多，而在本課題中省略了其他的配件，是傳動軸的一個簡化模型。與設(shè)計過程嚴謹?shù)挠嬎阆啾龋撕喕Ｐ头治鼋Y(jié)果難免會有一些誤差與漏洞。 4.1 傳動軸的靜態(tài)分析 （1）點擊CATIA軟件界面左下角的打開文件按鈕，打開之前畫好的傳動軸模型“propeller shaft”，點擊菜單欄中最左邊的“開始”鍵，在展開項選擇“分析與模擬”模塊，點擊“Generative Structural Analysis”便進入了有限元分析界面，在跳出顯示框后選擇靜態(tài)分析，確定之后如圖4.1所示。 圖4.1 靜態(tài)分析界面 （2）網(wǎng)格劃分：打開傳動軸模型后，便可以對其進行網(wǎng)格劃分。在CATIA界面點擊，選中傳動軸，在彈出的顯示框中進行如圖4.2所示的設(shè)置，最后確定。 圖4.2 網(wǎng)格劃分 （3）設(shè)置約束：在CATIA界面選擇，調(diào)整角度，選擇傳動傳動軸的大端面然后單擊，便設(shè)定好了固定約束。如下圖。 圖4.3設(shè)置約束 （4）設(shè)置材料：選中按鈕，便可在跳出材料顯示框中選擇材料，因為在傳動軸設(shè)計時選擇的是鋼材，故選擇Metal材料，并在如圖4.4圖所示顯示框中選擇最底下的steel選項，點中復(fù)選框，傳動軸的材料設(shè)定完畢。 圖4.4 材料選擇 （5）扭轉(zhuǎn)載荷的設(shè)置：點擊在工具欄中的，跳出扭矩顯示框，根據(jù)設(shè)計計算過程中的數(shù)據(jù)進行設(shè)置，如圖4.5所示 圖4.5 施加載荷 （6）在施加完扭轉(zhuǎn)載荷后，在單擊工具欄中的，接著找到工具欄中的,彈出“Image Layout”顯示框后，完成顯示框中的相關(guān)設(shè)置確定后顯示如圖4.6所示 圖4.6 傳動軸應(yīng)力分布圖 由上圖可知傳動軸的整體應(yīng)力分布情況。應(yīng)力主要集中分布在傳動軸的右端軸頸處，且受到的最大應(yīng)力為329MPa，已經(jīng)超過了材料的許用應(yīng)力300MPa，因此傳動軸的結(jié)構(gòu)方案需要進行改進。由于應(yīng)力主要集中在右端小頸處，因此可以增大此段傳動軸的半徑。故將傳動軸的最小外徑由20mm改為22mm，再進行有限元的分析。步驟如下： 1） 在CATIA中打開之前畫好的“propeller shaft”傳動軸模型，在左上端的模型樹上點擊零件幾何體，再打開旋轉(zhuǎn)體下的零件草圖，把傳動軸的右端半徑由20mm改為22mm，然后退出，如圖4.7所示： 圖4.7 修改草圖 2） 打開分析與模擬模塊，點擊“Generative Structural Analysis”便進入了有限元分析界在跳出顯示框后選擇靜態(tài)分析，確定之后如圖4.8所示： 圖4.8 優(yōu)化圖靜態(tài)分析界面 3）網(wǎng)格劃分：打開傳動軸模型后，便可以對其進行網(wǎng)格劃分。在CATIA界面點擊，選中傳動軸，在彈出的顯示框中進行如圖4.9所示的設(shè)置，最后確定。 圖4.9 優(yōu)化圖劃分網(wǎng)格 4）設(shè)置約束：在CATIA界面選擇，調(diào)整角度，選擇傳動傳動軸的大端面然后單擊，便設(shè)定好了固定約束。如下圖。 圖4.10 優(yōu)化圖靜態(tài)分析界面 5）設(shè)置材料：選中按鈕，便可在跳出材料顯示框中選擇材料，因為在傳動軸設(shè)計時選擇的是鋼材，故選擇Metal材料，并在如圖4.11圖所示顯示框中選擇最底下的steel選項，點中復(fù)選框，傳動軸的材料設(shè)定完畢。 圖4.11優(yōu)化圖靜態(tài)分析界面 6）扭轉(zhuǎn)載荷的設(shè)置：點擊在工具欄中的，跳出扭矩顯示框，根據(jù)設(shè)計計算過程中的數(shù)據(jù)進行設(shè)置，如圖4.12所示。 圖4.12 優(yōu)化圖靜態(tài)分析界面 7）在施加完扭轉(zhuǎn)載荷后，在單擊工具欄中的，接著找到工具欄中的,彈出“Image Layout”顯示框后，完成顯示框中的相關(guān)設(shè)置確定后顯示如圖4.13所示。 圖4.13 優(yōu)化圖傳動軸應(yīng)力分布 由圖4.13可得到傳動軸的整體應(yīng)力分布情況。受力最小的節(jié)點處承受的應(yīng)力才僅僅12..47MPa,而應(yīng)力最大的節(jié)點處應(yīng)力為177.6 MPa，與設(shè)計中的計算結(jié)果166.94MPa誤差非常小，但都遠遠小于300MPa的許用剪切應(yīng)力，因此達到了設(shè)計要求，設(shè)計方案可行。觀察分析的全過程，導(dǎo)致誤差的原因最主要有兩個：在建立模型時產(chǎn)生了一些不可避免的誤差，另外就是劃分網(wǎng)格的數(shù)量，顯然，劃分的網(wǎng)格數(shù)量越多，結(jié)果就越精確。 4.2 傳動軸的頻率分析 （1）點擊CATIA軟件界面左下角的打開文件按鈕，打開之前畫好的傳動軸三維模型，點擊界面左下角的工具欄中的新建按鈕，顯示框跳出之后，選擇Analysis模塊，點擊確認系統(tǒng)會默認進入傳動軸的的頻率分析模塊模塊，如圖4.14所示。 圖4.14 頻率分析界面 （2）施加約束：在工具欄中選擇，調(diào)整角度，選擇傳動傳動軸的大端面然后單擊，便設(shè)定好了固定約束。如圖4.15所示。 圖4.15 施加約束 （3）網(wǎng)格劃分：打開傳動軸模型后，便可以對其進行網(wǎng)格劃分。在工具欄中點擊，選中傳動軸，單擊在跳出的顯示框中設(shè)置如圖4.16所示的相關(guān)選項，最后確定。 圖4.16 劃分網(wǎng)格 （4）定義頻率求解參數(shù)：打開界面左上角的模型樹，找到如圖4.17所示的黃色顯示項，雙擊進行如圖所示相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。 圖4.17 定義頻率求解參數(shù) （5）在CATIA界面找到點擊，在跳出窗口后進行如圖4.18所示的設(shè)置。 4.18 計算求解顯示框 （6）接下來點擊Image工具欄中的,“Image Layout”顯示框隨之跳出，如圖4.19所示。在CATIA軟件中經(jīng)過計算機的計算分析，最終得到傳動軸的固有頻率為204.599 Hz，經(jīng)過換算可得傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速是12275.94rpm，對比設(shè)計過程中得到的臨界轉(zhuǎn)速12279.93 rpm大約小4 rpm，兩者的誤差非常小，進一步驗證了設(shè)計計算結(jié)果的正確性。 圖4.19 頻率分析 由以上分析圖可以看出當傳動軸的振動頻率達到了其固有頻率時的整體應(yīng)力分布圖。顯而易見，在約束端受到的應(yīng)力極大，達到了五千八百兆帕左右，除了極少數(shù)的特殊材料外，絕大多數(shù)常規(guī)金屬材料都是無法承受如此強大的應(yīng)力的。通常情況下是不可能對傳動軸施加這樣大的載荷的，而這里傳動軸之所以會承受這樣大的應(yīng)力，最主要是當其轉(zhuǎn)速達到臨界轉(zhuǎn)速一萬二千圈每分鐘時，換算后它的振動頻率為兩百零四赫茲剛好接近它的固有頻率，由此會與自身發(fā)生共振，產(chǎn)生強大的附加載荷對材料產(chǎn)生巨大的破壞作用。這樣的分析結(jié)果也汽車設(shè)計者們一個重要的啟示，不僅僅是傳動軸，汽車其他的零部件都要防止其自身共振現(xiàn)象而產(chǎn)生的巨大破壞作用。在本課題中防止傳動軸共振的最有效方法便是控制其轉(zhuǎn)速，使其遠遠小于臨界轉(zhuǎn)速。 第5章 結(jié)論與展望 5 結(jié)論與展望 （1）首先，本文對傳動軸做出了一個基本的介紹，說明了選擇這個課題的原因，及傳動軸的一些基礎(chǔ)知識。接下來仔細觀察汽車的原始參數(shù)，并根據(jù)其數(shù)值仔細研究討論傳動軸的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過反復(fù)的推敲與演算，最終確定了對帶伸縮花鍵的傳動軸進行分析。 （2）要對傳動軸進行分析，首先要對其進行簡單的設(shè)計。通常在設(shè)計萬向傳動軸時，第一步就是要確定它的最小直徑，這也是設(shè)計過程中最為關(guān)鍵的一部，此外還要對它進行強度校核，看其是否在強度允許的范圍內(nèi)，最后根據(jù)數(shù)據(jù)得到他的臨界轉(zhuǎn)速。在設(shè)計傳動軸時，用到了汽車設(shè)計、材料力學(xué)、理論力學(xué)、機械設(shè)計、汽車構(gòu)造等方面的知識，就這樣在不知不覺中把所學(xué)過的知識融會貫通，并且熟練使用，也讓我體會到了知識不是一蹴而就，要層層梯進，還要有系統(tǒng)性。 （3）設(shè)計完傳動軸之后，需要對傳動軸進行三維建模。由設(shè)計過程中得到的相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)，在CATIA中的零件設(shè)計模塊對傳動軸進行三維建模。對傳動軸三維建模時，應(yīng)當先利用CATIA的草圖繪制模塊繪制出其二維草圖。最后根據(jù)旋轉(zhuǎn)規(guī)律能輕松地得到傳動軸的三維立體模型。 （4）最后也是最為關(guān)鍵的一步，是本課題的重點內(nèi)容，便是對傳動軸進行有限元分析。這一步將會用到CATIA的有限元分析模塊，分別對傳動軸進行靜態(tài)分析和頻率分析。在對傳動軸進行有限元分析時，最主要的目的便是了解傳動軸的應(yīng)力分布，靜態(tài)分析便能很好地讓我們實現(xiàn)此目的。另外得到傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速同樣是有限元分析的又一個目的，由此便需要對傳動軸進行頻率分析，由此得到其固有頻率，推算出傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速。 （5）傳動軸是汽車傳動系統(tǒng)中的重要部件，設(shè)計，制造，再到實驗，實際運行是一個極其復(fù)雜的過程，在對其進行分析時要考慮到的因素實在太多，由于本人的專業(yè)素養(yǎng)有限，無法做到面面俱到，只能選擇其中幾個重點進行分析。 （6）隨著科技的進步，傳動軸技術(shù)也將會變得越來越成熟。未來，傳動軸大體的發(fā)展方向不外乎以下幾個方面：一傳動軸的廣泛運用會推動市場急需制定一個所有人都認定的標準，因此其制作將會越來越統(tǒng)一；二新材料逐漸被應(yīng)用于工業(yè)技術(shù)的方方面面，汽車行業(yè)也不例外。用新材料制作的傳動軸性能將會更加優(yōu)異，由此一些更加先進的加工方法也會涌現(xiàn)。三技術(shù)的成熟也會使傳動軸變得更加精密與耐用，而且傳動效率也會比以前更高。四未來傳動軸幾乎沒有人工操作，所有的制作加工都將自動化與信息化。 參考文獻 參考文獻 [1] 陳家瑞．汽車構(gòu)造：下冊 [M].第3版.北京:機械工業(yè)出版社，2009. 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[17]朱濤，許祖敏,徐峰.CATIA V5機械設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001. 致謝 致謝 畢業(yè)設(shè)計毫無疑問是我大學(xué)生活的最后一個，也是最為艱巨的任務(wù)。坦白說，在此之前，我對于此次畢業(yè)設(shè)計所涉及的一些專業(yè)上的內(nèi)容了解得比較膚淺，剛開始著手建模、操作時有點摸不著頭腦，因此在完成此次設(shè)計過程中遇到了不少問題，但是這些問題也讓我有了知難而進的毅力和決心，不斷的深挖、反復(fù)研究該課題的相關(guān)資料與設(shè)計。為了使我的專業(yè)基礎(chǔ)更為牢固，我把專業(yè)教材研究了一遍又一遍；為了豐富我得專業(yè)知識，我翻閱了大量專業(yè)相關(guān)的課外書；另外我還花了大量的時間學(xué)習(xí)CATIA軟件來完成課題內(nèi)容。在做畢業(yè)設(shè)計時，因為方案不能達到想要的效果，我進行了一遍又一遍的修改，不斷去完善，最終才有了現(xiàn)在的內(nèi)容。而這個過程也鍛煉了我獨立思考和解決問題的能力，換得一點點的的進步。 對于我現(xiàn)在的專業(yè)綜合水平來說，做畢業(yè)設(shè)計是一件難度系數(shù)比較高的的任務(wù)和工作，這需要設(shè)計者有有較高的專業(yè)素養(yǎng)、毅力以及耐心，單靠我個人的力量是難以完成的。因此，借此機會，我想表達一下我對我的此次畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師智淑亞老師的感激之情。因為首次接觸該課題的設(shè)計，我們從無知到略知，再到了解，以及到后續(xù)的研究、設(shè)計，老師都會給出許多關(guān)鍵性的指導(dǎo)和大方向的把握，讓我可以減少走許多的彎路，能夠更好的完成該畢業(yè)設(shè)計。另外，由于本人的文學(xué)修養(yǎng)有限以及言語組織能力一般，可能會在表達上面有缺陷；另外由于初涉這類課題，可能想法與操作等方面都比較稚嫩，內(nèi)容也難免會有一些漏洞，希望各位老師能夠諒解并給出一些意見和建議！