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畢業(yè)設計（論文）開題報告 設計（論文）題目: 基于有線元分析的汽車 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B07-1 學 生 姓 名: 陳 兵 導 師 姓 名: 趙雨旸 開 題 時 間: 2011.3.16 指導委員會審查意見： 簽字： 年 月 日 SY-025-BY-3 畢業(yè)設計（論文）開題報告 學生姓名 陳兵 系部 汽車與交通工程學院 專業(yè)、班級 車輛07-1班 指導教師姓名 趙雨旸 職稱 副教授 從事 專業(yè) 車輛工程、 交通工程 是否外聘 □是√否 題目名稱 基于有限元分析的汽車萬向傳動裝置設計 一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義 1.汽車萬向傳動軸的發(fā)展與現(xiàn)狀 萬向傳動裝置最早出現(xiàn)于1352年，在Strasbourg大教堂時鐘機構(gòu)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(lián)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(zhuǎn)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(xiàn)在，根據(jù)在扭轉(zhuǎn)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，具有緩沖減震作用。 現(xiàn)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(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運動。伸縮套能自動調(diào)節(jié)變速器與驅(qū)動橋之間距離的變化。萬向節(jié)是保證變速器輸出軸與驅(qū)動橋輸入軸兩軸線夾角的變化，并實現(xiàn)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。 傳動軸是一個高轉(zhuǎn)速、少支承的旋轉(zhuǎn)體，因斷改變的兩根軸間傳遞轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運動。載貨汽車根據(jù)驅(qū)動形式的不同選擇不同型式的傳動軸。一般來講4×2驅(qū)動形式的汽車僅有一根主傳動軸。6×4驅(qū)動形式的汽車有中間傳動軸、主傳動軸和中、后橋傳動軸。6×6驅(qū)動形式的汽車不僅有中間傳動軸、主傳動軸和中、后橋傳動軸，而且還有前橋驅(qū)動傳動軸。在長軸距車輛的中間傳動軸一般設有傳動軸中間支承．它是由支承架、軸承和橡膠支承組成。 在1950年后,傳動軸的產(chǎn)量達到數(shù)以萬計。1984年主要由于汽車工業(yè)的增長，生產(chǎn)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(nèi)，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。2007年中國汽車傳動軸的需求已經(jīng)突破992萬根，產(chǎn)值達到45億。2008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(chǎn)值達到50億元。倒2010年我國汽車傳動軸總銷售額達到87億之多，因次國內(nèi)也出現(xiàn)一批傳動軸制造的廠家。但產(chǎn)品的性能與國外相比仍有相當大的差距，具體表現(xiàn)在兩個方面：絕大多數(shù)轎車廠家對等速萬向節(jié)產(chǎn)品沒有制定出相應的技術規(guī)范，而國外公司對驅(qū)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(qū)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，使轎車產(chǎn)生異常振動，出現(xiàn)異響。對于創(chuàng)立自主知識產(chǎn)權的轎車廠家來說，造出一流轎車仍有很長的路要走。 2. 課題研究的目的與意義 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(qū)動橋相聯(lián)系，用來實現(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。本設計中的傳動軸是兩節(jié)的，由十字軸萬向節(jié)連接。傳動軸是由軸管、伸縮花鍵套和萬向節(jié)組成。伸縮套能自動調(diào)節(jié)變速器與驅(qū)動橋之間距離的變化。萬向節(jié)是保證變速器輸出軸與驅(qū)動橋輸入軸兩軸線夾角發(fā)生變化時實現(xiàn)兩軸的動力傳輸。萬向節(jié)是由十字軸、十字軸軸承和凸緣叉等組成。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(jié)構(gòu)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(shù)，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(zhì)量，保證其設計的精確性。 汽車傳動軸主要作用是把發(fā)動機減速器的運動傳遞到驅(qū)動橋，使驅(qū)動橋獲得規(guī)定的轉(zhuǎn)速和方向，其傳遞的主要為轉(zhuǎn)矩。因此，傳動軸的強度校核主要為受扭強度校核。傳統(tǒng)的分析方法，一般都是首先通過軸傳遞的最大轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shù)。如果安全系數(shù)小于許用安全系數(shù)，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(jié)構(gòu)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(chǎn)品的開發(fā)。 萬向節(jié)是各類車輛傳動系中傳遞扭矩的關鍵零件之一，它是連接變速器與減速器之間的橋梁，其工作性能直接影響車輛是否能正常工作。十字軸式萬向節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡單，低幅磨損小，傳遞功率大，主、從動軸間夾角允許變化范圍大的特點，因而在車輛中應用較廣?。由于萬向節(jié)叉形狀復雜，傳統(tǒng)的設計方法是根據(jù)經(jīng)驗確定萬向節(jié)叉的尺寸，但按這種方法設計出的萬向節(jié)很難達到最優(yōu)的結(jié)果，所以對設計的合理性提出了疑問：是否有強度與剛度儲備較大造成材料與產(chǎn)能巨大浪費現(xiàn)象這為傳動軸萬向節(jié)叉的輕量化設計及最優(yōu)化設計提出了迫切的要求，其經(jīng)濟效益和社會效益的潛力是不言而喻的?，F(xiàn)代計算技術的發(fā)展使有限元方法得到突飛猛進的進步。隨著一系列大型分析軟件的開發(fā)和完善，有限元方法被越來越廣泛地應用于工程實踐中。筆者利用三維造型及分析軟件Pro／E對十字軸式萬向節(jié)叉進行有限元分析和優(yōu)化設計，以期對其整體應力分布規(guī)律和應力水平有較全面的了解，為萬向節(jié)叉的優(yōu)化設計提供定量的技術依據(jù)。 因此通過本課題的研究可以完成理論課程的實踐總結(jié)，掌握一種流行的設計方法和軟件，獲得一定的研究工作方法，提高科研工作素質(zhì)。 二、設計（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題 1.設計的主要內(nèi)容： （1）萬向傳動裝置主要零部件的設計； （2）主要零部件的有限元分析與優(yōu)化； （3）主要零部件的設計修正； （4）在CAE分析的基礎上完成設計圖紙。 2. 擬解決的主要問題： （1）完成十字軸萬向節(jié)、傳動軸、滾針軸承、花鍵軸和凸緣叉的設計； （2）主要部件的強度校核； （3）用CAD/CAM/CAE軟件Pro/E進行建模； （4）應用ANSYS優(yōu)化工具解決單目標多變量約束非線性優(yōu)化問題，提高設計的準確度和可靠性，同時保證設計的效率比以往要高； （5）保證所連接的兩軸盡可能等速運轉(zhuǎn)。由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的載荷震動和噪聲應在允許的范圍內(nèi)，在使用車速內(nèi)不應產(chǎn)生共振現(xiàn)象； （6）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詳細設計從而解決工藝合理、成本低、可靠性高的設計要求； （7）應用ANSYS優(yōu)化工具解決單目標多變量約束非線性優(yōu)化問題，提高設計的準確度和可靠性，同時保證設計的效率比以往要高； （8）用AutoCAD完成裝配圖、零件圖，表達設計。 三、技術路線（研究方法） 調(diào)研并查閱相關資料 確定汽車萬向傳動裝置主要參數(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 四、進度安排 （1）調(diào)研、資料收集，完成開題報告 第1、2周 （2）研究汽車萬向傳動裝置的設計步驟與設計方法，分析萬向傳動裝置受力情況 第3周 （3）按照傳統(tǒng)的汽車設計方法設計萬向傳動裝置 第4、5周 （4）對按傳統(tǒng)方法設計的萬向傳動裝置進行有限元分析 第6～9周 （5）完成所設計裝配圖與零件圖圖紙 第10～12周 （6）完成設計說明書的撰寫，指導教師審核 第13周 （7）畢業(yè)設計（論文）修改、完善 第14周 （8）畢業(yè)設計（論文）審核、預審 第15周 （9）畢業(yè)設計（論文）修改、完善 第15、16周 （10）畢業(yè)設計（論文）答辯準備及答辯 第17周 五、參考文獻 [1] 郭慧玲. 傳動軸的優(yōu)化設計 [J]. 機械傳動, 2008, 32 (6)：88-90. [2] 喻志勇,陽華. 汽車傳動軸零件的標準化設計 [J]. 科技廣場, 2009, (5)：188-199. [3] 彭紅星. 傳動軸的有限元分析與設計優(yōu)化 [J]. 機械工程師, 2009, (12)：114-115. [4] 吉林工業(yè)大學，諸文農(nóng).底盤設計（上冊）.北京：機械工業(yè)出版社，1982.4. [5] 吉林大學，王望予.汽車設計(第四版).北京：機械工業(yè)出版社，2009.6. [6] 清華大學，余志生.汽車理論（第四版）.北京：機械工業(yè)出版社，2008.1. [7] 陳家瑞。汽車構(gòu)造（第二版）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.1. [8] 劉惟信.汽車設計.北京：清華大學出版社，2001.7. [9] 羊拯民.汽車設計叢書-傳動軸和萬向節(jié).北京：人民交通出版社，1986.10. [10] 邢琳，張秀芳.機械設計基礎課程設計指導書.北京:機械工業(yè)出版社,2007.7. [11] 孫國剛. 十字軸式傳動軸 [J]. 城市公共交通, 2003, (3)：101-106. [12] 李科,何志兵,沈海等. 等速萬向節(jié)總成的設計方法 [J]. 軸承, 2006, (9)：44-45. [13] 吳汀,楊萬福. 汽車傳動系萬向傳動裝置的多目標優(yōu)化設計 [J]. 武漢汽車工業(yè)大學學報, 1999, (1)：101-106. [14] 李科,何志兵,沈海等. 等速萬向節(jié)總成的設計方法 [J]. 軸承, 2006, (9)：5-9. [15] Julian Happian-Smith. An Introduction to Modern Vehicle Design. Reed Educational and Professional Publishing Ltd 2002. [16] S.D.Haddad and N.Watson.DESIGN AND APPLICATIONS IN DIESEL ENGINEERING.Ellis Horwood Limited,1984. 六、備注 指導教師意見： 簽字： 年 月 日