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本科學生畢業(yè)設(shè)計
基于有限元分析的汽車
萬向傳動裝置設(shè)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班
學生姓名： 陳 兵
指導(dǎo)教師： 趙雨旸
職 稱： 副教授
黑 龍 江 工 程 學 院
二○一一年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
The Design of Automobile Universal Transmission Device Based on Finite Element Analysis
Candidate: Chen Bing
Specialty：Vehicle Engineering
Class：B07-1
Supervisor：Associate Prof. Zhao Yuyang
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計
摘 要
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(yīng)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(guān)鍵零部件的設(shè)計對整個萬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行設(shè)計。根據(jù)車輛使用條件和車輛參數(shù)，按照傳動系統(tǒng)的設(shè)計步驟和要求，主要進行了以下工作：選擇相關(guān)設(shè)計參數(shù)主要為：十字軸、萬向節(jié)、傳動軸、中間支承的參數(shù)確定，并進行了總成設(shè)計主要為：十字軸的設(shè)計，萬向節(jié)的設(shè)計、傳動軸的設(shè)計以及中間支承的設(shè)計等。并通過有限元ANSYS軟件對設(shè)計萬向傳動裝置進行結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)分析結(jié)果對萬向傳動裝置進行改進優(yōu)化設(shè)計并得出合理的設(shè)計方案。在傳動軸的設(shè)計中采用有限元技術(shù)研究這些關(guān)鍵零部件的靜力學特性，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，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(shè)計質(zhì)量，保證其設(shè)計的精確性。
關(guān)鍵詞：萬向傳動裝置；十字軸；萬向節(jié)；傳動軸；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計
ABSTRACT
Universal transmission is important in automobile transmission assembly, which directly linked to transmission and drive axle, used to achieve the transfer of the power transmission system. Research object is widely used in rear-wheel drive transmission cross shaft universal, the main parts including drive shafts, universal joints, support devices, the design of these key components for the universal transmission has a great influence on the performance .
This article mainly is carries on the design to the automobile cross shaft type rotary transmission device. According to vehicles exploitation conditions and vehicles parameter, according to transmission system design procedure and request, Mainly has carried on following work: Mainly has carried on following work choice correlation design variable mainly is: Cross axle, universal joint, drive shaft, middle supporting parameter determination, and has carried on the unit design mainly is: Cross axle design, universal joint design, drive shaft design as well as middle supporting design and so on. And to designs the rotary transmission device through the finite element ANSYS software to carry on the structure analysis, Carries on the improvement design according to the analysis result to the rotary transmission device to obtain the reasonable design proposal. The propeller shaft of the design used in technical research on these crucial component element of statics. in its structural design and optimize can greatly shorten the automobile universal transmission device always into the development cycle and reduce the development costs and improve the quality of design to ensure the accuracy of its design.
Key word: Universal Transmission Device; Cross Axle; Universal Joint; Drive Shaft; Finite Element Analysis; Optimization Design
74
第1章 緒 論
1.1 課題研究的目的意義
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(yīng)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(guān)鍵零部件的設(shè)計對整個萬向傳動裝置性能具有很大的影響。萬向節(jié)傳動應(yīng)適應(yīng)所聯(lián)兩軸的夾角及相對位置在一定范圍內(nèi)的不斷變化且能可靠而穩(wěn)定地傳遞動力，保證所聯(lián)兩軸能等速旋轉(zhuǎn)，且由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動及噪聲應(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。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(fù)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(yīng)用CAE軟件，應(yīng)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(yīng)用，可以大大縮短軸類零件的設(shè)計周期，從而減少設(shè)計成本，并有利于多種型號產(chǎn)品的開發(fā)。
1.2 課題的國內(nèi)研究現(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。現(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[1]。
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。
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(yīng)的技術(shù)規(guī)范，而國外公司對驅(qū)動軸和傳動軸的技術(shù)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(shè)計汽車底盤；零件供應(yīng)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，使汽車產(chǎn)生異常振動，出現(xiàn)異響[2]。對于創(chuàng)立自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車廠家來說，造出一流汽車仍有很長的路要走。
1.3 汽車萬向傳動裝置設(shè)計主要內(nèi)容與設(shè)計思路
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裝置，主要零件包括傳動軸、萬向節(jié)、支撐裝置等，這些關(guān)鍵零部件的設(shè)計對整個萬向傳動裝置性能具有很大的影響。采用有限元技術(shù)研究這些關(guān)鍵零部件的靜力學特性，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，是非常重要和必須的。在此基礎(chǔ)上，再進行萬向傳動裝置設(shè)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(shè)計質(zhì)量，保證其設(shè)計的精確性。
1. 設(shè)計的主要內(nèi)容
本設(shè)計選擇萬向傳動軸的優(yōu)化，設(shè)計基本要求如下：
（1）保證所連接的兩軸的夾角及相對位置在一定范圍內(nèi)變化時，能可靠而穩(wěn)定的傳遞動力；
（2）保證所連接的兩軸盡可能等速運轉(zhuǎn)；
（3）使用有限元分析軟件ANSYS對萬向傳動裝置的設(shè)計零部件進行靜態(tài)分析，完成萬向傳動裝置主要部件的優(yōu)化設(shè)計從而解決工藝合理、成本低、可靠性高的設(shè)計要求；
（4）在CAE分析的基礎(chǔ)上完成設(shè)計圖紙。
2. 設(shè)計的基本技術(shù)路線
設(shè)計的技術(shù)路線如圖1.1所示。
調(diào)研并查閱相關(guān)資料
確定汽車萬向傳動裝置主要參數(shù)
萬向傳動裝置的主要零部件的設(shè)計
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
優(yōu)化后尺寸確定
用Pro/E完成零部件裝配
完成設(shè)計圖紙
完成畢業(yè)設(shè)計說明書
圖1.1 設(shè)計技術(shù)路線圖
第2章 萬向傳動裝置結(jié)構(gòu)方案確定
2.1 設(shè)計已知參數(shù)
本設(shè)計的已知參數(shù)如表2.1所示
表2.1 設(shè)計基本參數(shù)
發(fā)動機轉(zhuǎn)矩Temax
430N??m/1500r/min
變速器一擋傳動比i1
6.515
整車總質(zhì)量
8495Kg
驅(qū)動橋滿載載荷
5500Kg
主減速器傳動比i0
4.875
輪胎規(guī)格
8.25R16
萬向傳動裝置最左與最右兩萬向節(jié)中心之間的距離L
2186m
2.2 萬向傳動的運動和受力分析
2.2.1 單十字軸萬向節(jié)傳動
當十字軸萬向節(jié)的主動軸與從動軸存在一定夾角及時，主動軸的角速度與從動軸的角速度之間存在如下關(guān)系
(2.1)
式中，為主動軸轉(zhuǎn)角，定義為萬向節(jié)主動叉所在平面與萬向節(jié)主、從動軸所在平面的夾角
由于是周期為的周期函數(shù)，所以／也為同周期的周期函數(shù)。當為0、時，達最大值且為／；當為、時，有最小值且為。因此，當主動軸以等角速度轉(zhuǎn)動時，從動軸時快時慢，此即為普通十字軸萬向節(jié)傳動的不等性[3]。
十字軸萬向節(jié)傳動的不等速性可用轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)來表示
（2.2）
如不計萬向節(jié)的摩擦損失，主動軸轉(zhuǎn)矩和從動軸轉(zhuǎn)矩與各自相應(yīng)的角速度有關(guān)系式 ，這樣有
（2.3）
顯然，當／最小時，從動軸上的轉(zhuǎn)矩為最大；當／最大時，從動軸上的轉(zhuǎn)矩為最小。當與一定時，在其最大值與最小值之間每一轉(zhuǎn)變化兩次。具有夾角的十字軸萬向節(jié)，僅在主動軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和從動軸反轉(zhuǎn)矩的作用下是不能平衡的。這是因為這兩個轉(zhuǎn)矩作用在不同的平面內(nèi)，在不計萬向節(jié)慣性力矩時，它們的矢量互成一角度而不能自行封閉，此時在萬向節(jié)上必然還作用有另外的力偶矩。從萬向節(jié)叉與十字軸之間的約束關(guān)系分析可知，主動叉對十字軸的作用力偶矩，除主動軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩之外，還有作用在主動叉平面的彎曲力偶矩。同理，從動叉對十字軸也作用有從動軸反轉(zhuǎn)矩和作用在從動叉平面的彎曲力偶矩。在這四個力矩作用下，使十字軸萬向節(jié)得以平衡。下面僅討論主動叉在兩特殊位置時，附加彎曲力偶矩的大小及變化特點。當主動叉處于0和位置時(圖2.1a)，由于作用在十字軸平面，必為零；而的作用平面與十字軸不共平面，必有存在，且矢量垂直于矢量；合矢量+指向十字軸平面的法線方向，與大小相等、方向相反。這樣，從動叉上的附加彎矩=。當主動叉處于和位置時(圖2.1b)，同理可知=0，主動叉上的附加彎矩=。
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。附加彎矩可引起與萬向節(jié)相連零部件的彎曲振動，可在萬向節(jié)主、從動軸支承上引起周期性變化的徑向載荷，從而激起支承處的振動。
a) =O，= b) =，=
圖2.1 十字軸萬向節(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大。
2.2.2 雙十字軸萬向節(jié)傳動
當輸入軸與輸出軸之間存在夾角時，單個十字軸萬向節(jié)的輸出軸相對于輸入軸是不等速旋轉(zhuǎn)的。為使處于同一平面的輸出軸與輸人軸等速旋轉(zhuǎn)，可采用雙萬向節(jié)傳動，但必須保證同傳動軸相連的兩萬向節(jié)叉應(yīng)布置在同一平面內(nèi)，且使兩萬向節(jié)夾角與相等(圖2.1)。
在雙萬向節(jié)傳動中，直接與輸入軸和輸出軸相連的萬向節(jié)叉所受的附加彎矩分別由相應(yīng)軸的支承反力平衡。當輸人軸與輸出軸平行時(圖2.2a)，直接連接傳動軸的兩萬向節(jié)叉所受的附加彎矩彼此平衡．，傳動軸發(fā)生如圖2.2b中雙點劃線所示的彈性彎曲，從而引起傳動軸的彎曲振動。當輸入軸與輸出軸相交時(圖2.2c)，傳動軸兩端萬向節(jié)叉上所受的附加彎矩方向相同，不能彼此平衡，傳動軸發(fā)生如圖2.2d中雙點劃線所示的彈性彎曲，從而對兩端的十字軸產(chǎn)生大小相等、方向相反的徑向力。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]。
圖2.2 附加彎矩對傳動軸的作用
2.2.3 多十字軸萬向節(jié)傳動
多萬向節(jié)傳動的從動叉相對主動叉的轉(zhuǎn)角差的計算公式與單萬向節(jié)相似，可寫成
(2.4)
式中，為多萬向節(jié)傳動的當量夾角；為主動叉的初相位角；為主動軸轉(zhuǎn)角。
式(3.4)表明，多萬向節(jié)傳動輸出軸與輸入軸的運動關(guān)系，如同具有夾角而主動叉具有初相位的單萬向節(jié)傳動。
假如多萬向節(jié)傳動的各軸軸線均在同一平面，且各傳動軸兩端萬向節(jié)叉平面之間的夾角為0或，則當量夾角為
= (2.5)
式中，、、…為各萬向節(jié)的夾角。
式中的正負號這樣確定：當?shù)谝蝗f向節(jié)的主動叉處在各軸軸線所在的平面內(nèi)，在其余的萬向節(jié)中，如果其主動叉平面與此平面重合定義為正，與此平面垂直定義為負。
為使多萬向節(jié)傳動的輸出軸與輸人軸等速旋轉(zhuǎn)，應(yīng)使=0。
萬向節(jié)傳動輸出軸與輸入軸的轉(zhuǎn)角差會引起動力總成支承和懸架彈性元件的振動，還能引起與輸出軸相連齒輪的沖擊和噪聲及駕駛室內(nèi)的諧振噪聲。因此，在設(shè)計多萬向節(jié)傳動時，總是希望其當量夾角盡可能小，一般設(shè)計時應(yīng)使空載和滿載兩種工況下的不大于3°。另外，對多萬向節(jié)傳動輸出軸的角加速度幅值；加以限制。對于轎車，≤350rad／s；對于貨車，≤600rad／S[5]。
2.3 結(jié)構(gòu)方案的確定
2.3.1萬向節(jié)與傳動軸的結(jié)構(gòu)型式
汽車后驅(qū)動橋的萬向節(jié)傳動裝置通常稱為汽車的萬向傳動軸或簡稱為傳動軸，它由萬向節(jié)、軸管及其伸縮花鍵等組成如圖2.3(b),對于長軸距汽車的分段傳動軸，還需有中間支承，如圖2.3(a)。
2.3.2傳動軸管、伸縮花鍵及中間支承結(jié)構(gòu)方案分析
傳動軸管由壁厚均勻易平衡、壁薄(1.5～3.0mm)、管徑較大、扭轉(zhuǎn)強度高、彎曲剛度大、適于高速旋轉(zhuǎn)的低碳鋼板卷制的電焊鋼管制成。
(a)帶有中間支承并有兩根軸管的分段傳動軸；(b)具有一根軸管的傳動軸
1—萬向節(jié)；2—傳動軸管；3—平衡片；4—伸縮軸管；5—防塵罩；6—十字軸；
7—中間支承
圖2.3 汽車傳動軸的結(jié)構(gòu)圖
伸縮花鍵具有矩形或漸開線齒形，用于補償由于汽車運動時傳動軸兩端萬向節(jié)之間的長度變化。當承受轉(zhuǎn)矩的花鍵在伸縮時，產(chǎn)生軸向摩擦力為
式中： —傳動軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩；
—花鍵齒側(cè)工作表面的中徑；
—摩擦系數(shù)。
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。應(yīng)提高鍵齒表面硬度及光潔度，進行磷化處理、噴涂尼龍，改善潤滑?？蓽p小摩擦阻力及磨損。也有用滾珠或滾柱的滾動摩擦代替花鍵齒間的滑動摩擦的結(jié)構(gòu)如圖2.4。花鍵應(yīng)有可靠的潤滑及防塵措施，間隙不宜過大，以免引起傳動軸振動。內(nèi)、外花鍵應(yīng)對中，為減小鍵齒摩擦表面間的壓力及磨損應(yīng)使鍵齒長與其最大直徑之比不小于2。花鍵齒與鍵槽應(yīng)按對應(yīng)標記裝配，以免破壞傳動軸總成的動平衡。動平衡的不平衡度由點焊在軸管外表面上的平衡片補償。裝車時傳動軸的仲縮花鍵一端不應(yīng)靠近后驅(qū)動橋，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。中間支承用于長軸距汽車的分段傳動軸，以提高傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速，避免共
1—滾柱；2—帶有滾柱內(nèi)滾道的傳動軸管；3—帶有滾柱外滾道的軸管
圖2.4 帶有滾柱的汽車傳動軸
振，減小噪聲[6]。它安裝在車架橫梁或車身底架上，應(yīng)能補償傳動軸的安裝誤差及適應(yīng)行駛中由于彈性懸置的發(fā)動機的竄動和車架變形引起的位移，而其軸承應(yīng)不受或少受由此產(chǎn)生的附加載荷。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2.3，圖2.6。橡膠彈性元件能吸收傳動軸的振動，降低噪聲，承受徑向力，但不能承受軸向力。設(shè)計時應(yīng)合理選擇支承剛度，避免在傳動軸常用轉(zhuǎn)速內(nèi)產(chǎn)生共振。擺臂式中間支承的擺臂用于適應(yīng)中間傳動軸軸線在縱向平面內(nèi)的位置變化。6×6越野汽車傳動軸的中間支承常安裝在中驅(qū)動橋殼上,多采用兩個圓錐滾子軸承，軸承座應(yīng)牢固地固定在中橋殼上如圖2.7所示。
1—油封；2—彈性擋圈；3—軸承
圖2.5 擺臂式中間支承
(a)傳動軸及其中間支承；(b)-(e)中間支承方案
1一撓性萬向節(jié)；2、4一前、后傳動軸；3一彈性中間支承；5一平衡片；6一橡膠套；
7一橫梁
圖2.6 汽車傳動軸的中間支承
圈2.7 越野汽車傳動軸的中間支承
2.3.3萬向節(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。
汽車除轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋及帶有擺動半軸的驅(qū)動橋的分段式半軸多采用等速萬向節(jié)外，一般驅(qū)動橋傳動軸均采用一對十字軸萬向節(jié)，如圖2.3(b)。
1、普通十字輔萬向節(jié)
普通十字軸萬向節(jié)如圖2.8所示，由兩個
萬向節(jié)叉及聯(lián)接它們的十字軸、滾針軸承及訥
封等組成。其結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高。十字軸
萬向節(jié)的損壞形式主要是十字軸軸頸和滾針軸
承的磨損，以及十字軸軸頸和滾針軸承碗工作
表面的壓痕和剝落。通常認為當磨損或壓痕超
過0．25時，十字軸萬向節(jié)就應(yīng)報廢。為了
提高其使用壽命。出現(xiàn)了各種有效的組合式潤
向節(jié)滑密封裝置，以潤滑和保護十字軸軸頸與 1一軸承蓋；2、6一萬向節(jié)一油嘴；滾針軸承如圖2.9。 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，這時應(yīng)采用密封效果較好的雙刃口或 圖2.8 普通十字軸萬向節(jié)
多刃口橡膠油封。當需定期加注潤滑脂時，應(yīng)如圖2.9所示將油封反裝以利在加注潤滑脂時能將陳油和磨損產(chǎn)物排出。軸蕊中的滾針直徑的差值應(yīng)控制在0.003以內(nèi)，否則會加重載荷在滾針間的分配不均勻性。滾針軸承的徑向間隙過大會使受載的滾針數(shù)減少及引起滾針歪斜，間隙過小則可能受熱卡住，合適的間隙為0.009～0.095。滾針的用向總間隙取0.08～0.30為宜。重型汽車有時采用較粗的滾針并分成兩段以提高其壽命，也有以滾柱代替滾針的結(jié)構(gòu)。為防止十字軸軸向竄動及避免摩擦發(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]。
1一防塵罩；2一油封座圈；3一止推環(huán)；4一滾針；△—間隙；a一油封壓配錐面
圖2.9 十字軸的潤滑與密封
單個十字軸萬向節(jié)不是等速萬向節(jié)，其特點是當主動軸與從動軸之間有夾角時，不能等速傳遞而有轉(zhuǎn)角差(圖2.10)，使主、從動軸的角速度周期性地不相等。采用兩個十字軸萬向節(jié)并把與傳動軸相連的兩個萬向節(jié)叉布置在同一平面內(nèi)，且使萬向節(jié)的夾角(圖2.11)，則可使處于同一平面內(nèi)的輸出軸與輸入軸等角速旋轉(zhuǎn)。
圖2.10 轉(zhuǎn)角差的關(guān)系 圖2.11 雙十字軸萬向節(jié)的等速傳動條件
十字軸萬向節(jié)兩軸的夾角。不宜過大．當由增至時，滾針軸承壽命將下降至原壽命的1／4。
2、撓性萬向節(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的兩軸間傳遞轉(zhuǎn)矩。其結(jié)構(gòu)簡單、不需潤滑，能減小傳動系的扭振、動載荷及噪聲。有的結(jié)構(gòu)還允許一定的軸向變形．當這種軸向變形量能滿足使用要求時，可省去伸縮花鍵。常用作轎車三萬向節(jié)傳動中的靠近變速器的第一萬向節(jié)或用在重型車的離臺器與變速器，變速器與分動器之間。考慮到用到這些地方的撓性萬向節(jié)常要在掛直接檔時的高轉(zhuǎn)速下工作，為保證傳動軸總成的平衡精度，則必須使萬向節(jié)兩側(cè)的軸線對中。圖2.12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)分別為具有球面對中機構(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。金屬套筒結(jié)構(gòu)的橡膠應(yīng)具有的物理機械特性為：抗拉強度不小于1 5；相對拉伸率不小于350％；肖氏硬度65～75；最大擠壓應(yīng)力為7.5～8；剪切彈性模量=0.85；工作溫度范圍為-45℃～80℃。
3、等速萬向節(jié)
主、從動軸的角速度在兩軸之間的夾角變動時仍然相等的萬向節(jié)，稱為等角速萬向節(jié)或等速萬向節(jié)。
等速萬向節(jié)的“等角速”工作原理，可以一對大小相同的圓錐齒輪傳動為例來說明。如圖2.13所
(a) 球面對中機構(gòu)的環(huán)形撓性萬向節(jié)；(b)六角形撓性萬向節(jié)；(c)橡膠—金屬套筒結(jié)構(gòu)的撓性萬向節(jié)；(d) 組合型橡膠元件；(e)盤形橡膠元件
圖2.12 撓性萬向節(jié)及其橡膠元件的典型結(jié)構(gòu)
示，兩齒輪的軸線交角為，這兩個齒輪輪齒的接
觸點位于軸間夾角的平分線上。由點到兩軸線
的垂直距離相等并等于在點處兩齒輪的圓周速
度是相等的，因而兩齒輪的角速度相等。多數(shù)等速
萬向節(jié)工作時的特點也都在于：它們所有的傳力點
總是位于兩軸夾角的等分平面上，這樣，被萬向節(jié)
所聯(lián)接的兩軸的角速度就永遠相等。 圖2.13 等速萬向節(jié)的工作原理
在轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋、斷開式驅(qū)動橋和de Dion式驅(qū)動橋的車輪傳動裝置中，廣泛地采用各種型式的等速萬向節(jié)和近似等速的萬向節(jié)。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。
綜上所述，確定傳動軸的基本方案。本設(shè)計所選車型為前置后驅(qū)，根據(jù)經(jīng)驗采用十字軸萬向節(jié)；并且兩萬向節(jié)中心距為2186mm（＞1500mm一般須有中間支撐），需采用中間支撐。故最終決定采用帶中間支撐的兩軸三萬向節(jié)傳動方案。方案如圖2.14所示
1-變速器；2-中間支撐；3-差速器；4-后傳動軸；5-軸承；6-前傳動軸；
圖2.14 萬向傳動裝置總體方案簡圖
2.4 本章小結(jié)
本章介紹了萬向傳動軸的結(jié)構(gòu)類型及各自特點，對傳動軸進行了初步的結(jié)構(gòu)選擇，根據(jù)本車的驅(qū)動型式及軸距的要求選擇兩軸三個萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)型式。
第3章 萬向傳動裝置設(shè)計
3.1 萬向節(jié)傳動的計算載荷
萬向節(jié)傳動裝置因布置的不同，計算轉(zhuǎn)矩也不同，設(shè)計載荷的選取也是不一樣的。
本次設(shè)計為貨車傳動裝置設(shè)計，多數(shù)選用機械變速器，所以設(shè)計中不考慮液力變矩器的變扭比，則計算載荷如下：
3.1.1 按發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩和一檔傳動比來計算
其中：
為發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩430N·M
為驅(qū)動橋的數(shù)目 =1
為變速器1擋傳動比 =6.515（由變速器設(shè)計知）
為發(fā)動機到萬向傳動軸的傳動效率 =93%
為液力變矩器的變矩系數(shù) k=1
為猛接離合器所產(chǎn)生的動載系數(shù) 即，對于性能系數(shù)的汽車（一般貨車、礦用汽車和越野車）
計算可得：
3.1.2 按驅(qū)動輪打滑來計算
其中：
G2 為滿載狀態(tài)下一個驅(qū)動橋上的靜載荷==35035；
為汽車最大加速度時的后軸負荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，貨車：=1.1~1.2,取=1.1；
為輪胎與路面間的附著系數(shù)，對于安裝一般輪胎的公路用汽車，在良好的混凝土或瀝青路面上，可取0.85；
為車輪滾動半徑(m)，本設(shè)計已知輪胎規(guī)格：8.25R16，根據(jù)輪胎標號取=417.675；
為主減速器傳動比，=4.875；
為主減速器從動齒輪到車輪之間的傳動比，=1；
為主減速器主動齒輪到車輪之間的傳動效率,取=0.96
計算可得：
對萬向傳動軸進行靜強度計算時，計算載荷取兩者之間的最小值，所以取=2605.35N·m
3.2 萬向傳動軸的計算載荷
3.2.1 初選是十字軸萬向節(jié)尺寸
由于十字軸萬向節(jié)主、從動叉軸轉(zhuǎn)矩的作用，在主、從動萬向節(jié)叉上產(chǎn)生相應(yīng)的切向力和軸向力
式中： R——切向力作用線與萬向節(jié)叉軸之間的距離；
——轉(zhuǎn)向節(jié)主動叉軸之轉(zhuǎn)角；
——轉(zhuǎn)向節(jié)主、從動叉軸之夾角。
(a) 初始位置時；(b) 主動叉軸轉(zhuǎn)角時
圖3.1作用在萬向節(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
圖3.1（a）為主動叉軸位于初始位置的受力狀況。此時達到最大值：
圖3.1（b）為主動叉軸轉(zhuǎn)角時的受力狀況。這時均達最大值：
計算轉(zhuǎn)矩取在發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩下且變速器處于檔是的轉(zhuǎn)矩和滿載是的驅(qū)動車輪最大附著力矩（）的換算轉(zhuǎn)矩兩者中的較小值。
即。而萬向節(jié)工作夾角，。將這些數(shù)據(jù)代入得
十字軸的材料選用20CrMnTi低碳合金鋼，軸頸表面進行滲碳淬火處理，滲碳層深度為1mm，表面硬度為58~64HRC，軸頸端面硬度不低于55HRC，芯部硬度為33~48HRC。
根據(jù)汽車的噸位查機械設(shè)計手冊初步選定十字軸總成尺寸如表3.1[11]。
表3.1 推薦采用的十字軸總成及花鍵尺寸
汽車載重(t)
十字軸總成(mm)
花鍵外行
外徑(mm)
花鍵工作長度(mm)
十字軸
滾針
軸承套
H
d1
h
h1
d0
L
n
D套
C
1-1.5
90
18
16
20
3
14
22
32-
4
直
35
99
85
2-2.5
90
22-
21
26
3-
18
26
35
4
直
38
98
65
3-4
108
25
24
29
3
18
29
39
4
直
50
85
5-7
127
34
24
29
3
18
38
50
4
直
65
115
初選設(shè)計尺寸:
D=40mm d=25.5mm H=118mm h=108mm
3.2.2 十字軸萬向節(jié)設(shè)計與校核
十字軸萬向節(jié)的損壞形式主要有十字軸軸頸和滾針軸承的磨損，十字軸軸頸和滾針軸承碗工作表面出現(xiàn)壓痕和剝落。一般情況下，當磨損或壓痕超過0．15mm時，十字軸萬向節(jié)便應(yīng)報廢。十字軸的主要失效形式是軸頸根部處的斷裂，所以在設(shè)計十字軸萬向節(jié)時，應(yīng)保證十字軸軸頸有足夠的抗彎強度。
設(shè)各滾針對十字軸軸頸作用力的合力為F(圖3.2)。
則：
式中，TS為萬向傳動的計算轉(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為萬向傳動的最大夾角，取，=0.9976。
作用力為：
圖3.2 十字軸基本尺寸及受力圖
十字軸軸頸根部的彎曲應(yīng)力 σw 應(yīng)滿足
式中，d為十字軸軸頸直徑25.5mm；為十字軸油道孔直徑4mm；s為合力F作用線到軸頸根部的距離15mm；[σw]為彎曲應(yīng)力許用值，為250~350MPa。
十字軸軸頸的切應(yīng)力τ應(yīng)滿足
式中，[τ]為切應(yīng)力τ許用值，為80~120MPa。
3.3 滾針軸承設(shè)計
3.3.1 滾針軸承初選尺寸
根據(jù)萬向傳動軸已知參數(shù)、設(shè)計要求和十字軸尺寸，參考專業(yè)廠的系列產(chǎn)品初步選取滾針軸承尺寸（如表3.1）
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
3.3.2 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1.6mm，以免壓碎，而且差別要小，否則會加重載荷在滾針間分配的不均勻性，一般控制在0.003mm以內(nèi)。滾針軸承徑向間隙過大時，承受載荷的滾針數(shù)減少，有出現(xiàn)滾針卡住的可能性；而間隙過小時，有可能出現(xiàn)受熱卡住或因臟物阻滯卡住，合適的間隙為0.009~0.095mm，滾針軸承的周向總間隙以0.08~0.30mm為好。滾針的長度一般不超過軸頸的長度，使其既有較高的承載能力，又不致因滾針過長發(fā)生歪斜而造成應(yīng)力集中。滾針在軸向的游隙一般不應(yīng)超過0.2~0.4mm；選用雙列滾針，直徑為3mm，滾針數(shù)量為20，滾針軸承的接觸應(yīng)力為
式中，為滾針直徑(mm)；為滾針工作長度(mm)；Fn為在合力F作用下一個滾針所受的最大載荷(N)，由式(4.10)確定
式中，i為滾針列數(shù)，i=1；z為每列中的滾針數(shù)，z=35。
滾針的材料采用軸承鋼，滾針和十字軸軸頸表面硬度在58HRC以上時，許用接觸應(yīng)力為3000~3200MPa。
滾針軸承的材料為軸承鋼，許用應(yīng)力，所以設(shè)計的滾針軸承符合要求。
3.4 萬向節(jié)叉設(shè)計和校核
萬向節(jié)叉采用45中碳鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為18~33HRC；萬向節(jié)叉與十字軸組成連接支承。在萬向節(jié)工作過程中產(chǎn)生支承反力，叉體受到彎曲和剪切，一般在與十字軸軸孔中心線成45°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)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)滿足
式中，、分別為截面B—B處的抗彎截面系數(shù)和抗扭截面系數(shù)。
矩形截面系數(shù)：，；
橢圓形截面：，；
h，b分別為矩形截面的高和寬或橢圓截面的長軸和短軸，k是與有關(guān)的系數(shù)，查表3.2選取
取
表3.2 系數(shù)k的選取
1.0
1.5
1.75
2.0
2.5
3.0
4.0
10
0.208
0.231
0.239
0.246
0.258
0.267
0.282
0.312
e，如圖3.3所示，彎曲應(yīng)力的許用值為，扭應(yīng)力的許用值為。
圖3.3 萬向節(jié)受力簡圖
截面B—B處為矩形，所以
因此，萬向節(jié)叉的強度滿足設(shè)計要求。
3.5 傳動軸的設(shè)計計算
汽車傳動軸的基本參數(shù)包括傳動軸長度及變化范圍，主動軸與從動軸之間的夾角，傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速及滑鍵的尺寸。在確定這些參數(shù)時，應(yīng)注意保證傳動軸在任何條件下工作可靠、壽命長。
傳動軸經(jīng)常處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，所以軸的材料查機械零件手冊選取40CrNi，適用于很重要的軸，具有較高的扭轉(zhuǎn)強度。
傳動軸管由低碳鋼板卷制的電焊鋼管制成，軸管外徑及壁厚(或內(nèi)徑)是根據(jù)所傳最大轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速及長度按有關(guān)標準YB242-63選定，并校核臨界轉(zhuǎn)速及扭轉(zhuǎn)強度[13]。
電焊鋼管參數(shù)應(yīng)按冶金部標準YB242-63選取。表4.3給出外徑毫米的標準資料，以供設(shè)計時參考。
表3.3 60~95mm毫米的電焊鋼管(YB242-63)
外徑（mm）
鋼管厚度（mm）
60
1.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、
63.5
1.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、
70
1.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、
75
1.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、3.8、
4.0、4.2、4.5
83
1.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、3.8、
4.0、4.2、4.5
89
1.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、3.8、
4.0、4.2、4.5、4.8
95
1.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、3.8、
4.0、4.2、4.5、4.8
3.5.1 傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速
長度一定時，傳動軸斷面尺寸的選擇應(yīng)保證傳動軸有足夠的強度和足夠高的臨界轉(zhuǎn)速。所謂臨界轉(zhuǎn)速，就是當傳動軸的工作轉(zhuǎn)速接近于其彎曲固有振動頻率時，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以致振幅急劇增加而引起傳動軸折斷時的轉(zhuǎn)速。傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速nk（r/min）為，安全系數(shù)k取2.0，適用于一般精度的伸縮花鍵。
最大轉(zhuǎn)速 =
式中 nw為發(fā)動機轉(zhuǎn)速
為超速擋傳動比，取為0.813
安全系數(shù)k k = nknmax = 2.0
nk = 2.0nmax = 6024.10 rmin
3.5.2 傳動軸長度和內(nèi)外徑確定
根據(jù)兩萬向節(jié)中心距2186mm傳動軸分為兩段，
由臨界轉(zhuǎn)速
nk =1.2×108 Dc2+dc2Lc2 = 6024.10 rmin
得 = 9299.82mm
又 1.5 mm ≤ Dc - dc2 ≤ 3 mm
根據(jù)電焊鋼管外徑60~95mm的標準資料（從冶金部標準YB242-63中選?。?
初選 = 70 mm ，則
= 66.3 mm
其中為傳動軸長度(mm)，即兩萬向節(jié)中心的距離和分別為傳動軸軸管的外、內(nèi)徑(mm)
3.5.3 傳動軸的校核
萬向傳動軸的斷面尺寸除應(yīng)滿足臨界轉(zhuǎn)速的要求外，還應(yīng)保證有足夠的扭轉(zhuǎn)強度。傳動軸的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(MPa)可按下式計算：
式中： —發(fā)動機的最大轉(zhuǎn)矩，；
—變速器的一檔傳動比；
—動載系數(shù)；
—抗扭截面系數(shù)。
對于傳動軸管，上式又可表達為
式中：—傳動軸的計算轉(zhuǎn)矩，=2605.35
—傳動軸管的外徑和內(nèi)徑，。
按上式計算得出的傳動軸管扭轉(zhuǎn)應(yīng)力不應(yīng)大于300。
傳動軸扭轉(zhuǎn)強度為：
傳動軸材料為40CrNi，許用應(yīng)力為300，因此本設(shè)計的傳動軸滿足扭轉(zhuǎn)強度的要求。
3.6 花鍵軸的設(shè)計計算
3.6.1 花鍵軸初選尺寸
滑動花鍵連接套為了后橋跳動時補償傳動軸長度變化而設(shè)置的。花鍵軸頭應(yīng)壓入管口進行焊接。傳動軸帶花鍵的一端，為靜止時位置較高的一端[14]。
傳動軸花鍵的尺寸按表4.2推薦的數(shù)值進行初定，結(jié)合國家標準選取，最后進行強度校核。目前國產(chǎn)汽車的傳動軸花鍵一般為矩形齒，它以內(nèi)徑或側(cè)面定心，保證傳動軸運轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠。國外也有根據(jù)用戶要求使用漸開線花鍵的。
取安全系數(shù)2.27，則
——為許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
——為花鍵轉(zhuǎn)矩分布不均勻系數(shù)，取1.3
——花鍵外徑
——花鍵內(nèi)徑
——為花鍵有效工作長度
——為花鍵齒數(shù)
由于花鍵齒的許用擠壓應(yīng)力較小，所以選用較大尺寸的花鍵，查GB/T1144-2001，取,,，。
3.6.2 傳動軸的校核
花鍵齒的許用應(yīng)力
——為花鍵轉(zhuǎn)矩分布不均勻系數(shù)，取1.3
——花鍵外徑
——花鍵內(nèi)徑
——為花鍵有效工作長度
——為花鍵齒數(shù)
當花鍵材料為40CrNi，齒面的硬度為35HRC時，許用擠壓應(yīng)力為。
則,滿足花鍵擠壓強度。
3.7 中間支承的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計
由于軸距較長，為了提高傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速，避免共振以及整車總布置上的需要，將傳動軸分段。這時，需加設(shè)中間支承。
中間支承安裝在車架橫梁上，以補償傳動軸軸向和角度方向打安裝誤差，以及車輛行駛過程中由于彈性支承的發(fā)動機的竄動和車架等變形所引起的位移。應(yīng)用較廣泛的有橡膠彈性中間支承和擺臂式中間支撐等。
橡膠彈性中間支承如圖4.4所示，其結(jié)構(gòu)中采用單列滾子軸承，橡膠彈性元件能吸收傳動軸的振動，降低噪音。這種彈性中間支承不能傳遞軸向力，它主要承受傳動軸因不平衡、偏心等因素引起的徑向力，以及萬向節(jié)上的附加彎矩所引起的徑向力。
圖3.4 橡膠彈性中間支承
擺臂式中間支承如圖4.5所示，它的擺臂機構(gòu)能適應(yīng)中間傳動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)傳動軸軸線在橫向平面內(nèi)少量的位置變化。
圖3.5 擺臂式中間支承
比較二者的優(yōu)缺點，決定選定中間支承的結(jié)構(gòu)為擺臂式中間支承。
中間支承的軸承選用深溝球軸承，型號為6010，其基本尺寸如表4.4所示
表3.4 深溝球基本尺寸
軸承代號
基本尺寸/mm
安裝尺寸/mm
基本額定動載荷
基本額定靜載荷
極限轉(zhuǎn)速/（r/mm）
d
D
B
Min
Min
Max
Max
脂潤滑
油潤滑
6010
50
80
16
1
56
74
1
22.0
16.2
7000
9000
中間支承的固有頻率可按下式計算
式中，為中間支承的固有頻率（Hz）；為中間支承橡膠彈性元件的徑向剛度（N/mm）；為中間支承懸置質(zhì)量（kg），它等于傳動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。
傳動軸總成所采用的中間支撐的結(jié)構(gòu)形式，雙聯(lián)傳動軸串聯(lián)使用三個十字軸萬向節(jié)，支承軸承的承重為2.2kg。徑向動態(tài)彈簧剛度為200003000N/m，效率在73°F時為842%，主減速比為4.875，輪胎規(guī)格采用8.25R16。
阻尼因素
無阻尼自然頻率
由上式可得：
阻尼自然頻率為：
符合許用臨界轉(zhuǎn)速1000～2000。
車輪滾動直徑為：
車輪周長：
傳動軸轉(zhuǎn)速與車速比：
該客車的傳動軸轉(zhuǎn)速與車速之比為65.14，因此，一階和二階擾動車速分別為：
一階擾動車速：
二階擾動車速：
結(jié)論：支撐的徑向剛度為200003000N/m時，臨界轉(zhuǎn)速為1779.5，低于常用轉(zhuǎn)速，一階和二階擾動車速分別為：39.3，19.65。符合設(shè)計推薦值。
3.8 本章小結(jié)
本章對萬向傳動裝置的主要部件進行了設(shè)計、選擇、計算及校核。主要部件包括十字軸、萬向節(jié)叉、傳動軸和中間支承等。萬向傳動裝置的功用是在汽車行駛過程中，在軸間夾角及相互位置經(jīng)常發(fā)生變化的轉(zhuǎn)軸之間傳遞動力。這些部件需要進過精確地計算、校核，以滿足使用的要求。
第 4 章 萬向傳動裝置的有限元靜力學分析
4.1 基于Pro/ENGINEER軟件的三維建模
4.1.1 Pro/ENGINEER軟件簡介
Pro/ENGINEER是美國參數(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。近年來在我國大型工廠、科研單位和部分大學得到了較為普遍的應(yīng)用，深受廣大從事三維產(chǎn)品設(shè)計和研究人員的喜愛[16]。
是一個全方位的三維產(chǎn)品開發(fā)軟件，集成了零件、產(chǎn)品裝配、模具設(shè)計、數(shù)控加工。鈑金設(shè)計、鑄造件設(shè)計、造型設(shè)計、逆向工程、自動測量、機構(gòu)仿真、應(yīng)力分析、電路布線、裝配管路設(shè)計等功能模塊和專有模塊于一體，可以實現(xiàn)DFM (面向制造設(shè)計)、DFA（面向裝配設(shè)計）、ID（逆向設(shè)計）、CE（并行工程）等先進的設(shè)計方法的特性。
Pro/ENGINEER參數(shù)化設(shè)計的特性：
3D（三維）實體模型：三維實體建模可以將用戶的設(shè)計思想以最真實的三維模型在Pro/ ENGINEER中用戶可以方便地對設(shè)計模型進行旋轉(zhuǎn)、平移、縮放等操作，可以從各個不同的角度觀察模型。另外，借助于Pro/ ENGINEER的系統(tǒng)參數(shù)，用戶還可以隨時計算出產(chǎn)品體積、重心、重量、模型大小，極大的方便了設(shè)計人員。
單一數(shù)據(jù)庫：Pro/ENGINEER是建立在單一數(shù)據(jù)庫上的。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部倆字一個庫，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生變動，都會反應(yīng)在整個產(chǎn)品設(shè)計制造過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上，這樣確保報數(shù)據(jù)的正確性、避免反復(fù)修改。這種特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計制造的結(jié)合，使得整個產(chǎn)品的設(shè)計制造嚴謹、有序，大大縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，優(yōu)化了整個設(shè)計過程。能更快的對市場需求做出反應(yīng)。
基于特征：Pro/ENGINEER是一個采用參數(shù)化設(shè)計、基于特征的實體模型系統(tǒng)。在設(shè)計過程中，采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型。正是因為這個特征，用戶可以隨時對這些特征作出合理的修改和調(diào)整。這一功能特性給工程設(shè)計人員提供了前所未有的簡易和靈活。
參數(shù)化設(shè)計：在Pro/ENGINEER中，配合單一數(shù)據(jù)庫，所有在設(shè)計過程中所使用的尺寸都保存在數(shù)據(jù)庫中，修改模型和工程圖不再繁瑣。設(shè)計人員只需要更改三維零件的尺寸，則二維工程圖、三維裝配圖、模具等就會依照零件修改過的尺寸作出相應(yīng)變化，避免了人為修改出現(xiàn)的疏漏情況。參數(shù)化設(shè)計還使得設(shè)計人員可以利用強大的數(shù)學運算方式，建立各尺寸的關(guān)系式，使得零件的設(shè)計更加簡捷[16]。
4.1.2利用Pro/E進行三維建模
Pro/ENGINEER是一個基于特征的三維建模軟件，它不同于AutoCAD等二維制圖軟件，也不同于注重模型效果的三維制圖軟件3DStudio Max等，Pro/ENGINEER注重于對三維實體的精確建模，包含了產(chǎn)品模型的體積、面積、重心、重量、慣性大小等。Pro/ENGINEER中零件模型的構(gòu)造是由各種特征來生成的，零件的設(shè)計過程就是特征的累積過程。
1、 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)計使用拉伸創(chuàng)建。
第一步：草繪模型
新建>零件>輸入文件名>取消缺省>選擇mmns>進入零件模式。
拉伸>放置>進入草繪>草繪二維模型，確定所繪圖形準確無誤后，點擊確定，如圖4.1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4.2所示。
圖4.1 十字軸塊的草繪圖形 圖4.2 拉伸后的效果圖
第三步：用拉伸和鏡像命令實現(xiàn)十字軸軸徑的創(chuàng)建。如圖4.3所示。
2、萬向節(jié)叉的創(chuàng)建
按上述方法建三維模型如圖4.4所示。
圖4.3 萬向節(jié)叉三維效果圖 圖4.4 十字軸三維效果圖
3、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4.5和4.6所示。
圖4.5 主傳動軸三維效果圖 圖4.6 中間傳動軸套軸三維效果圖
4、中間傳動軸花鍵軸和法蘭盤的創(chuàng)建
三維模型如圖4.7和4.8所示。
圖4.7 中間傳動軸花鍵軸三維效果圖 圖4.8 法蘭盤三維效果圖
4.2 基于ANSYS的有限元模型生成
4.2.1 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易學易用，強大的圖形處理能力以及得心應(yīng)手實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