基于ANSYS的汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置有限元分析
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目： 基于ANSYS的汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的有
限元分析
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二級(jí)學(xué)院：
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摘 要 III
Abstract IV
1.緒 論 1
1.1課題研究背景和意義 1
1.2 課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 1
1.3 課題研究?jī)?nèi)容與技術(shù)手段 1
1.3.1研究?jī)?nèi)容 1
1.3.2課題研究步驟 1
1.3.3技術(shù)手段 2
2.萬(wàn)向傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)介 3
2.1萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的類型 3
2.2汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置工作原理 3
2.3 萬(wàn)向傳動(dòng)軸的分析思路 3
2.4傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)介 4
2.5萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)介 4
2.5.1十字軸式剛性萬(wàn)向節(jié) 4
2.5.2雙聯(lián)式萬(wàn)向節(jié) 5
2.5.3撓性萬(wàn)向節(jié) 5
2.6本章小結(jié) 5
3.基于CATIA的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的三維建模 6
3.1傳動(dòng)軸的三維模型的建立 6
3.2十字軸萬(wàn)向節(jié)叉的三維建模 6
3.3軸承的三維建模 7
3.3.1滾針的三維建模 7
3.3.2軸承保持架的三維建模 7
3.3.3軸承內(nèi)圈建模 8
3.3.4軸承外圈建模 8
3.4十字軸的三維建模 9
3.5萬(wàn)向節(jié)叉的三維建模 9
3.6萬(wàn)向傳動(dòng)軸的裝配 10
4.萬(wàn)向傳動(dòng)軸的有限元分析 11
4.1萬(wàn)向傳動(dòng)軸的靜力分析 11
4.2萬(wàn)向傳動(dòng)軸的模態(tài)分析 17
5.結(jié)論與展望 26
參考文獻(xiàn) 27
致 謝 28
II
摘要
基于ANSYS的汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置有限元分析
摘 要
汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置是汽車傳動(dòng)系的重要組成部分，其作用是連接不在同一直線上的變速器輸出軸和主減速器輸入軸，并保證在兩軸之間的夾角和距離經(jīng)常變化的情況下，仍能可靠地傳遞動(dòng)力。本設(shè)計(jì)以哈弗H8為參考，利用CATIA軟件對(duì)萬(wàn)向傳動(dòng)裝置進(jìn)行三維建模并裝配，然后利用ANSYS軟件對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析。通過(guò)靜態(tài)分析得出傳動(dòng)軸的位移、等效應(yīng)力和剪切應(yīng)變，分析其是否符合設(shè)計(jì)要求；通過(guò)模態(tài)分析得出傳動(dòng)軸的各階固有頻率，為共振研究提供參考。
關(guān)鍵詞：萬(wàn)向傳動(dòng)裝置；CATIA；傳動(dòng)軸；ANSYS
I
Abstract
Car universal transmission device based on ANSYS finiteelement analysiss
Abstract
Automotive universal transmission device is an important part of Automobile Powertrain, its role is not in the same straight line connecting the transmission output shaft and the main gear box input shaft, and to ensure that in the case of the angle and the distance between the two shafts constantly changing and still reliably transmitted power. The H8 designed to Harvard as a reference, according to the data of CATIA software, three-dimensional modeling and assembly, and then use ANSYS software middle portion of the drive shaft static analysis and modal analysis. Draw shaft displacement, equivalent stress and shear strain through static analysis, the natural frequencies and the maximum critical speed of the drive shaft through the modal analysis,Provide a reference for resonance.
Key words:universal transmission device; CATIA ; drive shaft; ANSYS
II
第1章緒論
1.緒 論
1.1課題研究背景和意義
汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置是汽車底盤(pán)傳動(dòng)系的主要總成之一，在工作中承受著巨大的轉(zhuǎn)矩和動(dòng)載荷。經(jīng)長(zhǎng)期使用后，技術(shù)狀況會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)向主減速器動(dòng)力的傳遞造成影響，從而使萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)效率降低，油耗也會(huì)急劇上升，造成經(jīng)濟(jì)的損失，失去正常工作的能力。它的主要作用是將一根軸的動(dòng)力傳遞給另外的一根軸，這兩根軸的位置關(guān)系是軸線相交并且位置會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。萬(wàn)向傳動(dòng)裝置通常由傳動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)等零部件組成。本課題主要是以萬(wàn)向傳動(dòng)裝置中的傳動(dòng)軸為例，對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析。通過(guò)靜態(tài)分析得出傳動(dòng)軸的位移、等效應(yīng)力和剪切應(yīng)變?cè)茍D，通過(guò)模態(tài)分析得出傳動(dòng)軸的固有頻率和最大臨界轉(zhuǎn)速，為共振提供參考。
1.2 課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向
我國(guó)汽車業(yè)的高速發(fā)展，而汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置作為汽車底盤(pán)傳動(dòng)系的重要總成之一，其需求量也得到了不斷的提高。雖然我國(guó)有很多的萬(wàn)向傳動(dòng)軸制造廠，但生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品與國(guó)外的相比，還是有很大的差距的，主要原因是有很多的制造廠還沒(méi)有對(duì)產(chǎn)品制定出相關(guān)技術(shù)規(guī)范，而在國(guó)外的制造廠，他們制定出很多的技術(shù)規(guī)范，而且還對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行分析，目的是為了防止汽車在行駛過(guò)程中出現(xiàn)異響。展望未來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)繼續(xù)保持高增長(zhǎng)速度，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型也將繼續(xù)向前推動(dòng)，國(guó)家對(duì)基本建設(shè)的投資加大，尤其是汽車生產(chǎn)企業(yè)。在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，技術(shù)并不能全球化，核心技術(shù)是買不來(lái)的，尤其像萬(wàn)向傳動(dòng)裝置等技術(shù)，我們基本處于引進(jìn)來(lái)照著搬的套路來(lái)的，在大量引進(jìn)的同時(shí)，也失去了很多自主發(fā)展的機(jī)會(huì)，我國(guó)應(yīng)掌握萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的核心技術(shù)，提高制造核心部件的能力，從而降低損耗、成本和投資風(fēng)險(xiǎn)。所以，必須把提高自主創(chuàng)新能力放在首位，加強(qiáng)我們自己的技術(shù)水平，努力做到更好。
1.3 課題研究?jī)?nèi)容與技術(shù)手段
1.3.1研究?jī)?nèi)容
本課題首先運(yùn)用CATIA軟件對(duì)萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的各部件進(jìn)行建模然后再將萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的主要部件傳動(dòng)軸導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析，得到一些數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行分析得出結(jié)論。
1.3.2課題研究步驟
第一步，分析汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；研究運(yùn)用有限元對(duì)汽車部件進(jìn)行分析，并將其與汽車設(shè)計(jì)、機(jī)械制圖、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)分析軟件等相關(guān)知識(shí)有機(jī)結(jié)合、熟練運(yùn)用。
第二步，根據(jù)數(shù)據(jù)，運(yùn)用CAD/CAE/CAM軟件CATIA進(jìn)行建模并裝配。
最后，運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)萬(wàn)向傳動(dòng)裝置中的傳動(dòng)軸進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析。
1.3.3技術(shù)手段
CATIA源于航空航天業(yè)，是法國(guó)達(dá)索公司的開(kāi)發(fā)的，廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)中，在各行各業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中，其強(qiáng)大的功能得到了他們的認(rèn)可。CATIA的用戶有很多，其中就有很多知名企業(yè)，比如波音、寶馬等等。這些企業(yè)在世界的制造企業(yè)中具有著很高的地位。
ANSYS軟件時(shí)美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)速度最快的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。
隨著計(jì)算機(jī)的普及，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)也得到了快速發(fā)展，而有限元法是其中一種非常有效的分析方法，在當(dāng)今工程分析中獲得很廣泛的應(yīng)用。它已成功地用來(lái)求解固體力學(xué)、熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等問(wèn)題。它已成為工程分析的必備工具，解決了大量的實(shí)際問(wèn)題，為國(guó)名經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)。
2
第2章萬(wàn)向傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)介
2.萬(wàn)向傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)介
2.1萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的類型
早在1352年的大教堂時(shí)鐘中就出現(xiàn)了萬(wàn)向傳動(dòng)裝置了。在1663誕生了虎克萬(wàn)向節(jié)，也就是十字萬(wàn)向節(jié)。在同一年內(nèi)又研制出雙聯(lián)式的萬(wàn)向節(jié)，解決了單個(gè)萬(wàn)向節(jié)的不等速性，并在1901年正式用于汽車的轉(zhuǎn)向輪中。在二十世紀(jì)初，虎克萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)軸，以及后來(lái)的等速萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)軸在機(jī)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(wàn)向節(jié)可分為剛性萬(wàn)向節(jié)和撓性萬(wàn)向節(jié)。剛性萬(wàn)向節(jié)是靠零件的鉸鏈?zhǔn)絺鬟f動(dòng)力，撓性萬(wàn)向節(jié)是靠彈性零件傳遞動(dòng)力的具有緩沖減震作用。
汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置一般由萬(wàn)向節(jié)、傳動(dòng)軸和中間支撐組成。它的作用主要是將一根軸的動(dòng)力傳遞給另外的一跟軸，這兩根軸的位置關(guān)系是軸線相交并且位置會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。萬(wàn)向節(jié)是保證兩軸線夾角的變化，并實(shí)現(xiàn)兩軸的等角速傳動(dòng)。傳動(dòng)軸是用來(lái)傳遞轉(zhuǎn)矩的。中間支撐是為了防止車輛在行駛中由于一些原因引起的位移。
1950年后，傳動(dòng)軸的產(chǎn)量在不斷提高。1984年由于汽車工業(yè)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了萬(wàn)向節(jié)的需求。在國(guó)內(nèi)，近年來(lái)隨著我國(guó)汽車業(yè)的高速發(fā)展，帶動(dòng)我國(guó)汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的需求。萬(wàn)向傳動(dòng)裝置可分為閉式和開(kāi)式兩種：
（1） 閉式萬(wàn)向傳動(dòng)裝置采用單萬(wàn)向節(jié)，傳動(dòng)軸被封閉在套管中，套管與車架做球鉸連接，而與驅(qū)動(dòng)橋固做定連接。其最大特點(diǎn)是：傳動(dòng)軸外殼作為推力管來(lái)傳遞汽車的縱向力，從而使傳動(dòng)軸外殼起到了懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中縱向擺臂的作用，這對(duì)于其后懸架拆用螺旋彈簧作為彈性元件是十分必要的。
（2） 開(kāi)式萬(wàn)向傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕。廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車中。
2.2汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置工作原理
萬(wàn)向節(jié)也叫做萬(wàn)向接頭，是用來(lái)傳遞變角度的動(dòng)力，兩軸的相對(duì)位置是可以變化的，它是汽車萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的重要組成部分之一。萬(wàn)向節(jié)是與傳動(dòng)軸組合來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞的，它們被稱為萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)裝置。萬(wàn)向傳動(dòng)裝置組成部分一般為萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)軸，有的為了避免共振的發(fā)生，還會(huì)在傳動(dòng)軸的中間添加支撐。在萬(wàn)向節(jié)配合中，一個(gè)零部件（輸出軸）繞自身軸的旋轉(zhuǎn)是由另一個(gè)零部件萬(wàn)向節(jié)（輸入軸）繞其軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的。
2.3 萬(wàn)向傳動(dòng)軸的分析思路
對(duì)于此車的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的具體研究思路為：
（1）三維建模：運(yùn)用CATIA的零件設(shè)計(jì)模塊對(duì)萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的各零部件進(jìn)行三維建模；
（2）運(yùn)用裝配模塊對(duì)三維實(shí)體零件進(jìn)行組裝；
（3）對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析；
（4）根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并得出結(jié)論。
2.4傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)介
萬(wàn)向傳動(dòng)軸的組成一般有萬(wàn)向節(jié)、傳動(dòng)軸和中間支撐。為了得到較高的強(qiáng)度和剛度，傳動(dòng)軸一般做成空心的，采用薄鋼板卷焊而成的。在轎車上的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置中，傳動(dòng)軸基本上都做成空心的。在傳動(dòng)軸上應(yīng)有花鍵，其作用是實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)長(zhǎng)度的變化?；ㄦI與鍵槽之間的空隙不能過(guò)大，且應(yīng)該按照裝配標(biāo)準(zhǔn)來(lái)裝配，以免影響動(dòng)平衡。在萬(wàn)向傳動(dòng)軸中存在著軸向滑動(dòng)阻力和磨損，為了減小這個(gè)現(xiàn)象，一般采用的方法是在制造花鍵時(shí)對(duì)其進(jìn)行磷化處理或者在花鍵表面噴涂上尼龍層。還有的是在安裝時(shí)在花鍵的槽內(nèi)裝置滾動(dòng)元件。汽車總布置的設(shè)計(jì)決定了傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度和夾角及它們的變化范圍。應(yīng)保證傳動(dòng)軸在長(zhǎng)度處在最大值時(shí)，花鍵套和軸有足夠的配合長(zhǎng)度，而在長(zhǎng)度處在最小時(shí)不頂死。傳動(dòng)軸的夾角大小直接影響到萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的壽命、效率和不均勻性。
當(dāng)傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度一定時(shí)，其橫截尺寸的選擇應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和足夠高的臨界轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速是指當(dāng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速達(dá)到某一時(shí)刻出現(xiàn)的共振現(xiàn)象，此時(shí)的轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速。它的大小由傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度和截面尺寸大小決定的。傳動(dòng)軸應(yīng)還要有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。
為了減輕由于傳動(dòng)軸造成不平衡而產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，可以提高滑動(dòng)花鍵的耐磨性、高速回轉(zhuǎn)時(shí)傳動(dòng)軸的彈性變形等等都能改變傳動(dòng)軸的不平衡度。傳動(dòng)軸的不平衡度，轎車在每分鐘轉(zhuǎn)速達(dá)到3000到6000轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)不大于25到35g.cm；貨車在每分鐘轉(zhuǎn)速達(dá)到1000到4000轉(zhuǎn)時(shí)不大于50到100g.cm。此外，傳動(dòng)軸總成徑向全跳動(dòng)應(yīng)不大于0.5到0.8毫米。
在長(zhǎng)軸距車輛中的傳動(dòng)軸一般設(shè)有中間支承。其作用是為了防止產(chǎn)生共振，補(bǔ)償傳動(dòng)軸的軸向角度方向的安裝誤差。軸承可在軸承座內(nèi)滑動(dòng)，能夠適應(yīng)其變形和行駛中出現(xiàn)的位移。
本課題中的傳動(dòng)軸是采用的帶伸縮花鍵的空心傳動(dòng)軸。傳動(dòng)軸管用薄鋼板卷焊而成?；瑒?dòng)花鍵可以伸縮以適應(yīng)變速器與驅(qū)動(dòng)橋之間的距離變化。此外，花鍵軸的鍵齒還進(jìn)行了磷化處理以減少花鍵副的磨損與滑動(dòng)阻力。這種傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本低且傳動(dòng)效率高。
2.5萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)介
2.5.1十字軸式剛性萬(wàn)向節(jié)
十字軸式剛性萬(wàn)向節(jié)一般由一個(gè)十字軸、兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)和四個(gè)滾針軸承等組成。其中十字軸是將兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)連接在一起，有利于動(dòng)力的傳遞。兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)與十字軸相連是為了當(dāng)一個(gè)萬(wàn)向節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)，另外一個(gè)萬(wàn)向節(jié)也可以隨之而動(dòng)，而運(yùn)動(dòng)的方向可以圍繞著十字軸的中心任意擺動(dòng)。四個(gè)滾針軸承是安裝在十字軸的四個(gè)軸頸上，這樣有利與提高傳動(dòng)效率和減小磨損。在安裝了滾針軸承之后對(duì)其進(jìn)行潤(rùn)滑密封裝置，潤(rùn)滑是為了減小滾針軸承和十字軸的磨損，延長(zhǎng)使用壽命，密封裝置是為了防止?jié)櫥偷男孤┖突覊m的進(jìn)入，從而提高它的傳動(dòng)效率。密封設(shè)置一般采用橡膠密封圈，其有利于提高密封性能。這種十字軸式的剛性萬(wàn)向節(jié)能夠被廣泛的應(yīng)用于傳動(dòng)裝置是因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)可靠性強(qiáng)，成本低。但其也有不足之處，那就是萬(wàn)向節(jié)的不等速性。造成這種情況的原因就是單個(gè)萬(wàn)向節(jié)在兩軸之間存在著夾角的情況下，傳遞動(dòng)力時(shí)會(huì)使兩軸的角速度不相等。
2.5.2雙聯(lián)式萬(wàn)向節(jié)
雙聯(lián)式萬(wàn)向節(jié)一般由兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)和一個(gè)雙聯(lián)叉組成的。有的在其中裝有分度機(jī)構(gòu)，是為了讓兩軸的角速度相等。而偏心十字軸式雙聯(lián)萬(wàn)向節(jié)當(dāng)中是沒(méi)有設(shè)置分度機(jī)構(gòu)的，但也可使兩軸的角速度近似相等。此萬(wàn)向節(jié)的優(yōu)點(diǎn)有可以在兩軸夾角較大時(shí)傳遞動(dòng)力，還有工作可靠性強(qiáng)、傳動(dòng)的效率高。其缺點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件多。這種萬(wàn)向節(jié)在增大主銷內(nèi)傾角之后才能用于汽車的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋。這種沒(méi)有設(shè)置分度機(jī)構(gòu)的雙聯(lián)式的萬(wàn)向節(jié)，只有在軍用越野車中的得到廣泛應(yīng)用。
2.5.3撓性萬(wàn)向節(jié)
撓性萬(wàn)向節(jié)能夠減小傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、動(dòng)載荷和噪聲，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在使用中不需要潤(rùn)滑，一般用于兩軸間夾角不大的傳動(dòng)場(chǎng)合。
本課題中的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置中的萬(wàn)向節(jié)是采用的十字軸式剛性萬(wàn)向節(jié)作為萬(wàn)向節(jié)，因?yàn)閮奢S之間夾角不大。
2.6本章小結(jié)
首先對(duì)萬(wàn)向傳動(dòng)裝置做出了一些說(shuō)明，簡(jiǎn)介了萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的工作原理，其次確定選擇哈弗H8為參考，總結(jié)對(duì)萬(wàn)向傳動(dòng)軸的研究思路，對(duì)傳動(dòng)方案做出一些簡(jiǎn)介。
6
第3章基于CATIADE 萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的三維建模
3.基于CATIA的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的三維建模
3.1傳動(dòng)軸的三維模型的建立
打開(kāi)CATIA軟件，進(jìn)入“零件設(shè)計(jì)”模塊，將文件名改為“傳動(dòng)軸”，繪制出傳動(dòng)軸的三維模型圖，如圖3.1所示。
圖3.1傳動(dòng)軸的三維圖形
然后繪制出花鍵軸、萬(wàn)向節(jié)叉（焊接于傳動(dòng)軸），如圖3.2所示。
圖3.2傳動(dòng)軸完整的三維圖
3.2十字軸萬(wàn)向節(jié)叉的三維建模
打開(kāi)CATIA軟件，進(jìn)入“零件設(shè)計(jì)”模塊，將文件名改為“十字軸萬(wàn)向節(jié)叉”，繪制出十字軸式萬(wàn)向節(jié)叉模型，如圖3.3所示。
圖3.3十字軸式萬(wàn)向節(jié)叉
3.3軸承的三維建模
3.3.1滾針的三維建模
打開(kāi)CATIA軟件，進(jìn)入“零件設(shè)計(jì)”模塊，將文件名改為“滾針”，繪制出滾針三維模型，如圖3.4所示。
圖3.4滾針的三維模型
3.3.2軸承保持架的三維建模
打開(kāi)CATIA軟件，進(jìn)入“零件設(shè)計(jì)”模塊，將文件名改為“軸承支架”，繪制出軸承支架三維模型，如圖3.5所示。
圖3.5軸承支架
3.3.3軸承內(nèi)圈建模
打開(kāi)CATIA軟件，進(jìn)入“零件設(shè)計(jì)”模塊，將文件名改為“軸承內(nèi)圈”，繪制出軸承內(nèi)圈三維模型，如圖3.6所示。
圖3.6軸承內(nèi)圈三維圖
3.3.4軸承外圈建模
打開(kāi)CATIA軟件，進(jìn)入“零件設(shè)計(jì)”模塊，將文件名改為“軸承外圈”，繪制出軸承外圈三維模型，如圖3.7所示。
圖3.7軸承外圈的三維模型
3.4十字軸的三維建模
打開(kāi)CATIA軟件，進(jìn)入“零件設(shè)計(jì)”模塊，將文件名改為“十字軸”，繪制出十字軸三維模型，如圖3.8所示。
圖3.8十字軸的三維模型
3.5萬(wàn)向節(jié)叉的三維建模
打開(kāi)CATIA軟件，進(jìn)入“零件設(shè)計(jì)”模塊，將文件名改為“萬(wàn)向節(jié)叉”，繪制出萬(wàn)向節(jié)叉三維模型，如圖3.9所示。
圖3.9萬(wàn)向節(jié)叉的三維模型
3.6萬(wàn)向傳動(dòng)軸的裝配
打開(kāi)CATIA軟件，進(jìn)入“裝配設(shè)計(jì)”模塊，將文件名改為“裝配圖”，根據(jù)裝配步驟進(jìn)行裝配，并對(duì)各部件著色，如圖4.10所示。
圖4.10裝配圖
11
第4章萬(wàn)向傳動(dòng)軸的有限元分析
4.萬(wàn)向傳動(dòng)軸的有限元分析
4.1萬(wàn)向傳動(dòng)軸的靜力分析
靜力分析用于求解靜力載荷下結(jié)構(gòu)的位移應(yīng)變等。本課題是借助有限元分析軟件
ANSYS對(duì)萬(wàn)向傳動(dòng)軸進(jìn)行了靜力分析，獲得了位移云圖、等效應(yīng)變?cè)茍D和剪切應(yīng)變?cè)茍D。
分析步驟如下：
1.建立分析項(xiàng)目
啟動(dòng)ansys workbench并建立分析項(xiàng)目如圖4.1所示，在項(xiàng)目管理區(qū)創(chuàng)建靜力學(xué)分析項(xiàng)目A。
圖4.1建立分析項(xiàng)目
2.添加材料庫(kù)
進(jìn)入主項(xiàng)目下的engineering data，添加材料。材料選用45鋼，彈性模量為210Gpa，泊松比為0.269，密度為7850kg/m3，如圖4.2所示。
圖4.2添加材料
3.導(dǎo)入三維模型
返回主界面，雙擊geometry模塊，設(shè)置單位為mm，點(diǎn)擊file菜單下的import external geometry file，導(dǎo)入catia建立的幾何模型。點(diǎn)擊generate，生成幾何模型，如圖4.3所示。
圖4.3模型的導(dǎo)入
4.添加材料模型屬性
返回主項(xiàng)目，點(diǎn)擊model模塊。點(diǎn)擊geometry下的Part。在details of part1中設(shè)置模型材料為45鋼。如圖4.4所示。
圖4.4添加材料模型屬性
5.網(wǎng)格劃分
選擇實(shí)體，并設(shè)置劃分網(wǎng)格尺寸為10mm，是為了得到精確的分析結(jié)果，如圖4.5、圖4.6所示。
圖4.5網(wǎng)格尺寸的劃分
圖4.6網(wǎng)格劃分后
6.添加約束
給傳動(dòng)軸的大端添加位移約束，約束其X、Y、Z三個(gè)方向的自由度。如圖4.7所示。
圖4.7添加約束
7.施加壓力
給軸的小端添加載荷。選擇軸的小端，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》書(shū)上的內(nèi)容傳動(dòng)軸在滿載時(shí)所受到的力一般為1590N.mm繞軸線的力矩。如圖4.8所示。
圖4.8施加壓力
8.進(jìn)入求解設(shè)置
設(shè)置求解選項(xiàng)。選擇直接求解方式。如圖4.9和4.10所示。
圖4.9求解方式的選擇
圖4.10開(kāi)始求解
點(diǎn)擊生成應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，如圖4.11所示，從圖中可以看出，在傳動(dòng)軸的小端處位移最大為0.25mm。
4.11傳動(dòng)軸位移云圖
點(diǎn)擊生成等效應(yīng)力云圖，如圖4.12所示，從圖中可以看出，在軸徑變化處的等效應(yīng)力最大為213Mpa。
4.12傳動(dòng)軸等效應(yīng)力云圖
點(diǎn)擊生成剪切應(yīng)變?cè)茍D，如圖4.13所示，從圖中可以看出，在軸徑變化處的剪切應(yīng)變最大為0.0015mm。
4.13傳動(dòng)軸剪切應(yīng)變?cè)茍D
點(diǎn)擊生成剪切應(yīng)力云圖，如圖4.14所示，從圖中可以看出，在軸徑變化處的剪切應(yīng)力最大為123Mpa。
4.14最大剪切應(yīng)力云圖
通過(guò)靜態(tài)分析可知，在對(duì)傳動(dòng)軸的小端處施加1590N.mm繞軸線的力矩時(shí)，其最大總體變形位移為0.25mm，最大等效應(yīng)力為213Mpa，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.0015mm，最大剪切應(yīng)力為123Mpa，根據(jù)選用材料45鋼的強(qiáng)度特性，抗拉強(qiáng)度不小于600Mpa，屈服強(qiáng)度不小于355Mpa，從《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》書(shū)上查得45剛的最大許用剪切應(yīng)力一般為155Mpa。因?yàn)榇藗鲃?dòng)軸的最大剪切應(yīng)力123Mpa小于155Mpa，所以此傳動(dòng)軸是合理的。
4.2萬(wàn)向傳動(dòng)軸的模態(tài)分析
機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析主要包括模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、隨機(jī)振動(dòng)分析和結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力分析。由于汽車系統(tǒng)工作過(guò)程的復(fù)雜性，以及對(duì)隨機(jī)振動(dòng)諧波無(wú)法精確測(cè)量，所以現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)法通過(guò)CAE軟件精確地模擬出制動(dòng)系統(tǒng)隨機(jī)振動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力特性。本節(jié)將通過(guò)ANSYS Workbench，對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行模態(tài)分析，獲得零件的固有頻率，分析結(jié)構(gòu)對(duì)振動(dòng)的影響。
模態(tài)分析主要應(yīng)用的在以下幾個(gè)幾個(gè)場(chǎng)合：（1）對(duì)結(jié)構(gòu)性能的評(píng)價(jià)（2）對(duì)零部件動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)與優(yōu)化（3）對(duì)零部件診斷與故障的預(yù)報(bào)（4）對(duì)聲音的控制
分析步驟如下：
1.建立分析項(xiàng)目
啟動(dòng)ansys workbench并建立分析項(xiàng)目如圖4.15所示，在項(xiàng)目管理區(qū)創(chuàng)建分析項(xiàng)目A。
圖4.15建立分析項(xiàng)目
2.導(dǎo)入三維模型
雙擊geometry模塊，設(shè)置單位為mm。如圖4.16所示。
圖4.16單位設(shè)置
點(diǎn)擊file菜單下的import external geometry file，導(dǎo)入catia建立的幾何模型。點(diǎn)擊generate，生成幾何模型，如圖4.17所示。
圖4.17生成幾何模型
3. 添加材料庫(kù)
點(diǎn)擊主項(xiàng)目下的engineering data，添加材料。材料選用45鋼，如圖4.18彈性模量為210Gpa，泊松比為0.269，密度為7850kg/m3 ，如圖4.19所示。
圖4.18材料的添加
圖4.19參數(shù)的設(shè)定
4.添加材料模型屬性
返回主項(xiàng)目，點(diǎn)擊model模塊。點(diǎn)擊geometry下的Part，在details of part1中設(shè)置模型材料為45鋼，如圖4.20所示。
圖4.20添加材料模型屬性
5.網(wǎng)格劃分
選擇實(shí)體，并設(shè)置劃分網(wǎng)格尺寸為5mm，是為了得到精確的分析結(jié)果，如圖4.21、圖4.22所示。
圖4.21定義網(wǎng)格尺寸
圖4.22網(wǎng)格劃分后
統(tǒng)計(jì)計(jì)算出節(jié)點(diǎn)數(shù)為118191，單元數(shù)為78828，如圖4.23所示。
圖4.23統(tǒng)計(jì)圖
6. 模態(tài)求解設(shè)置
本次求解無(wú)預(yù)應(yīng)力，所以Pre-Stress設(shè)置為none，設(shè)置邊界條件。約束傳動(dòng)軸小端x, y, z三個(gè)方向的自由度。如圖4.24所示。
圖4.24約束自由度
設(shè)置提取模態(tài)階數(shù)為12階，并采用迭代求解法，如圖4.25所示。
圖4.25模態(tài)階數(shù)的設(shè)置
7. 求解
設(shè)置完成之后單擊solve，開(kāi)始求解。得到1~12階固有頻率，如圖4.26所示。
圖4.26固有頻率
模態(tài)分析就是求結(jié)構(gòu)的固有頻率，模態(tài)振型，模態(tài)質(zhì)量，阻尼比等，而在實(shí)際分析中一般只求結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型。觀察1至12階模態(tài)振型圖，如圖4.27到4.38所示。
4.27一階振型
觀察一階振型圖可知，其固有頻率為116.07Hz，振動(dòng)形式為XZ平面的軸向擺動(dòng)。
4.28二階振型
觀察二階振型圖可知，其固有頻率為116.08Hz，振動(dòng)形式為XY平面的軸向擺動(dòng)。
4.29三階振型
觀察三階振型圖可知，其固有頻率為824Hz，振動(dòng)形式為XZ平面的一階彎曲。
4.30四階振型
觀察四階振型圖可知，其固有頻率為824.01Hz，振動(dòng)形式為XY平面的一階彎曲。
4.31五階振型 4.32六階振型
4.33七階振型 4.34八階振型
4.35九階振型 4.36十階振型
4.37十一階振型 4.38十二階振型
振型描述：
對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行自由模態(tài)分析，研究其1至12階模態(tài)的振型和固有頻率。傳動(dòng)軸的1
至12階自由模態(tài)的固有頻率及其振型描述見(jiàn)表4.1所示，觀察模態(tài)振型圖4.27到4.38所示。
表4.1傳動(dòng)軸112階固有頻率及振型描述
階數(shù)
固有頻率（Hz）
振型描述
1
116.07
XZ平面的軸向擺動(dòng)
2
116.08
XY平面的軸向擺動(dòng)
3
824
XZ平面的一階彎曲
4
824.01
XY平面的一階彎曲
5
1207.2
徑向拉伸
6
2207.2
XZ平面的二階彎曲
7
2207.2
XY平面的二階彎曲
8
2302.1
X方向的軸向壓縮
9
3913.9
X方向的軸向拉伸
10
3999.9
XZ平面的三階彎曲
11
3999.9
XY平面的三階彎曲
12
6192.4
XY平面的四階彎曲
結(jié)果分析：
由振動(dòng)理論知，在結(jié)構(gòu)的振動(dòng)過(guò)程中，起主要作用的是較低階固有頻率所對(duì)應(yīng)的振型，較高頻率對(duì)應(yīng)的振型在振動(dòng)過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響較小，并且由于結(jié)構(gòu)中阻尼的存在，高頻率所對(duì)應(yīng)的振型將迅速衰減。
從傳動(dòng)軸的前12階自由模態(tài)可以發(fā)現(xiàn),它們的固有頻率大致在1000Hz以上，隨著階次的增加，其頻率也相應(yīng)增加。
從汽車在實(shí)際行駛的的情況來(lái)看，由于道路不平引起的頻率不會(huì)很大。除此之外，從發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件之間可能存在動(dòng)態(tài)干擾的這個(gè)角度來(lái)看，并且考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3000到5000轉(zhuǎn)每分鐘的范圍內(nèi)，它們的基本頻率為16.67到50赫茲之間，而本課題傳動(dòng)軸的最低諧次頻率為116赫茲，很有可能會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)引起的自激振動(dòng)而引起共振，所以為了避免共振的發(fā)生，可以在傳動(dòng)軸的中間添加支撐，或者通過(guò)增大傳動(dòng)軸的直徑來(lái)提高固有頻率，從而避免共振，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才是合理的。
本章小結(jié)
對(duì)萬(wàn)向傳動(dòng)軸做了靜力分析和模態(tài)分析，通過(guò)觀察傳動(dòng)軸的靜力狀態(tài)下獲得的云圖，得到了最大總體變形位移為0.25mm，最大等效應(yīng)力為213Mpa，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.0015mm，最大剪切應(yīng)力為123Mpa，通過(guò)分析知道了這個(gè)傳動(dòng)軸是合理的。模態(tài)分析得到了十二階振型圖，通過(guò)觀察分析得到傳動(dòng)軸固有頻率。得到最低諧次頻率為116赫茲，通過(guò)分析比較得知這根傳動(dòng)軸很有可能會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)引起的自激振動(dòng)而引起共振，所以為了避免共振的發(fā)生，可以在傳動(dòng)軸的中間添加支撐，或者通過(guò)增大傳動(dòng)軸的直徑來(lái)提高固有頻率，從而避免共振，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才是合理的。
26
第5章結(jié)論與展望
5.結(jié)論與展望
本設(shè)計(jì)首先介紹了本課題的研究背景，國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，研究方法與技術(shù)手段等；接著根據(jù)汽車的原始參數(shù)確定了萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)方案，并繪制出萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的各部件和裝配圖。本課題完成工作可總結(jié)如下幾點(diǎn)：
1） 確定萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)方案，本課題是十字軸式可伸縮萬(wàn)向傳動(dòng)裝置。
2） 根據(jù)數(shù)據(jù)利用CATIA對(duì)各部件進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行裝配。
3） 利用ANSYS對(duì)萬(wàn)向傳動(dòng)軸的中間部分進(jìn)行靜態(tài)分析和模態(tài)分析，通過(guò)靜態(tài)分析得出傳動(dòng)軸的位移、等效應(yīng)力和剪切應(yīng)變?cè)茍D，分析其是否符合設(shè)計(jì)要求；通過(guò)模態(tài)分析得出傳動(dòng)軸的各階固有頻率。為共振研究提供參考。
通過(guò)這次設(shè)計(jì)，掌握了如何在CATIA軟件中進(jìn)行建模，如何利用ANSYS對(duì)模型進(jìn)行靜態(tài)和模態(tài)分析。通過(guò)觀察傳動(dòng)軸的靜力狀態(tài)下獲得的云圖，得到了其最大總體變形位移為0.25mm，最大等效應(yīng)力為213Mpa，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.0015mm，最大剪切應(yīng)力為123Mpa，通過(guò)分析比較知道了此傳動(dòng)軸是合理的。模態(tài)分析得到了十二階振型圖，通過(guò)觀察分析得到傳動(dòng)軸固有頻率。得到最低諧次頻率為116赫茲，通過(guò)分析比較得知此傳動(dòng)軸很有可能會(huì)被發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)引起的自激振動(dòng)而引起共振，所以為了避免共振的發(fā)生，可以在傳動(dòng)軸的中間添加支撐，或者通過(guò)增大傳動(dòng)軸的直徑來(lái)提高固有頻率，從而避免共振，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才是合理的。
展望未來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)繼續(xù)保持高增長(zhǎng)速度，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型也將繼續(xù)向前推動(dòng)，國(guó)家對(duì)基本建設(shè)的投資加大，尤其是汽車生產(chǎn)企業(yè)。在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，技術(shù)并不能全球化，核心技術(shù)是買不來(lái)的，尤其像萬(wàn)向傳動(dòng)裝置等技術(shù)，我們基本處于引進(jìn)來(lái)照著搬的套路來(lái)的，在大量引進(jìn)的同時(shí)，也失去了很多自主發(fā)展的機(jī)會(huì)，我國(guó)應(yīng)掌握萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的核心技術(shù)，提高制造核心部件的能力，從而降低損耗、成本和投資風(fēng)險(xiǎn)。所以，必須把提高自主創(chuàng)新能力放在首位，加強(qiáng)我們自己的技術(shù)水平，努力做到最好。
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參考文獻(xiàn)
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致謝
致 謝
時(shí)間就在這不經(jīng)意間緩緩流走，大學(xué)生活也即將帷幕，而畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們?cè)诖髮W(xué)的最后一個(gè)艱巨的任務(wù)。在這幾個(gè)月的時(shí)間里，是我們?cè)诖髮W(xué)生活中最充實(shí)的一段時(shí)間，這是我們走向工作崗位的一此很好的鍛煉，也為將來(lái)的道路奠定基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，老師一直嚴(yán)格要求我們，這也使得我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過(guò)程中能夠按時(shí)完成每一步。并且在一定的時(shí)間內(nèi)跟我們會(huì)面開(kāi)會(huì)，并針對(duì)我們所存在的一些問(wèn)題提出解決方案，她的這份敬業(yè)精神和工作態(tài)度，給我樹(shù)立了一個(gè)榜樣。
在這里，要特別感謝本次設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師智淑亞老師的悉心教誨和幫助。從一開(kāi)的選題到最后的正文，指導(dǎo)老師智淑亞都會(huì)對(duì)我們所做的文檔仔細(xì)審查并提出修改意見(jiàn)，并給我們極大的鼓舞和支持。
由于我的能力和水平有限，在設(shè)計(jì)中難免存在一些缺點(diǎn)和不足，希望老師批評(píng)指正，以便我能及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并改正。
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