基于有限元分析的汽车万向传动装置设计

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基于ANSYS的汽车传动轴有限元分析与优化设计

摘要ANSYS 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。

因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。

传动轴是最常件的零件，该零件结构较为简单，操作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。

目前很多传动轴都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。

.本设计是基于ANSYS 软件来汽车传动轴行分析。

与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。

设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。

对零件的设计和优化有很大的参考作用。

正是因为上述优点，我在本设计中运用UG 来建立三维模型。

再将此模型导入ANSYS 软件来对其进行分析。

关键词：传动轴，三维建模，ANSYS，动静态分析A b st r ac tANSYS (f i n i t e e l e m e n t) package i s a m u l t i-p ur po s e f i n i t e e l e m e n t method for computer des i gn program that can be used to s o l ve the structure, fluid, e l ec tr i c i ty,e l ec tr o m ag n et i cf i e l ds and co lli s i on problems. So it can be applied to the followingi ndus tr i es: aerospace, au tom o t i v e,bi o m ed i ca l,b r i dge s,c on s tr uc t i on,e l ec tr o ni cs,h ea vy machinery, mi cro-el e ct r o m echa ni ca l systems, sports equipment and so on.Tr an s mi ss i on s h a f t i s the most common a r egu l a r part, the part structure i s s i m p l e, convenient o pera t i on, high pr ec i s i on, low pr i c es, it has been w i d e l y used. At pr ese n t, many have made the appro pr i at e Tr an s mi ss i on s h a f t i mpr o v e m e n t s,it has been gr ea t l y enhanced app li c a bi li ty.The des i gn i s based on ANSYS s o f t ware to Tr an s m i ss i on s ha f t by the line of s p i nd l e. Compared with the tr adi t i on a l c a l cu l at i on,computer-based f i n i t e e l e m e n t an a l y s i s method can be f a s t er and more accurate r es u l t s.Set the correct m o de l,dividing the right grid, and set a reasonable s o l ut i on process, an a ly t i ca l m o de l can ac curat e l y access t h e various parts of the stress and de f o r m at i on r es u l t s. On the part of the des i gn a ndop t i mi za t i on has great r ef ere n c e.It i s because of these advantages, the use of this des i gn in my UG to crea t et h r ee-di m e ns i on a l model Tr a ns m i ss i on s h a f t. Then this model was i n tr o duce d by t h e ANSYS s o f t wa r e to i t s line of a n a ly s i s.Key Words: Tr an smiss i on s h af t，t h r ee-d i me n si on al mo d e li ng，ANSYS，d y n am i c and s t a t i c a n al y s i s目录摘要.............................................................................................................................. - 1 -Abs tr ac t ............................................................................................................................. -2 -目录.............................................................................................................................. - 2 -第1 章绪论..................................................................................................................... - 4 -1.1 选题的目的和意义............................................................................................. - 4 -- 2 -1.2 选题的研究现状及发展趋势.............................................................................. - 4 -1.3 传动轴知识........................................................................................................ - 5 -1.4 传动轴的结构特点............................................................................................. - 5 -1.5 传动轴重要部件................................................................................................. - 6 -1.6 传动轴常用类型................................................................................................ - 7 -第2 章本课题任务和研究方法...................................................................................... - 8 -2.1 课题任务............................................................................................................ - 8 -2.2 分析方法............................................................................................................. - 8 -3.3 本课题的研究方法............................................................................................. - 9 -3.4 有限元方法介绍................................................................................................ - 9 -3.4.1 概述.................................................................................................................. - 9 -3.4.2 基本思想......................................................................................................... - 9 -3.4.3 特点................................................................................................................ -10 -3.5 ANSYS 软件简介............................................................................................. -11 -第4 章确定汽车传动轴研究对象和UG 建模............................................................. -12 -4.1 确定汽车传动轴研究对象概述........................................................................ -12 -4.2 汽车传动轴（变速箱第二轴）的3D 建模设计............................................. -14 -4.2.1 进入UG 的操作界面............................................................................ -14 -第5 章汽车传动轴的有限元分析................................................................................ -21 -5.1 有限元分析的基本步骤............................................................................ -21 -5.2 有限元分析过程与步骤........................................................................... -22 -5.2.1 转换模型格式........................................................................................ -22 -第六章总结和传动轴的优化设计分析........................................................................ -41 -结论................................................................................................................................ -41 -参考文献........................................................................................................................ -42 -致谢.............................................................................................................................. -43 -第1 章绪论1.1 选题的目的和意义随着计算机技术的日益普及和FEA 技术的蓬勃发展，人们已经广泛采用计算机有限元仿真分析来作为传动轴强度校核的方法。

基于万向联轴器的ansys有限元分析

基于万向联轴器的ANSYS有限元分析摘要: 通过ANSYS,本文对十字万向联轴器叉头进行了建模、划分网格、建立接触对、施加载荷受力等，并以此步骤完成了万向联轴器的有限元分析。

继而提出了改进设计的可行性方案，以避免在其规定的寿命内发生失效的情况。

关键词：万向节；联轴器；ANSYS；有限元1前言实际生产中，万向联轴器接手处会经常出现失效的情况，甚至可能发生断裂。

十字万向联轴器的部分结构如下图1所示。

图1 十字万向联轴器结构图在设计之前，对用有限元ANSYS软件对实体进行建模、结构应力分析等相关实例的参阅是非常有必要的，大量文献的研读便于了解在设计时遇到的相关的命令流。

以所要分析的十字双万向联轴器叉头的结构图为基础，用ANSYS软件对其进行建模。

这将作为有限元分析的关键步骤，直接影响到静力分析结果的可靠性。

根据以往的分析和具体实例，总结出建模方案有二：其一，根据图1所示的结构图，用Cylind（圆柱命令流）实现直接对结构图的实体创建；其二，根据图纸上所的标注尺寸进行找点，即以关键点的顺序将点连接起来而形成一个面，然后此面围绕中轴线进行旋转，生成实体。

经过具体设计，由于其结构中的锥面造型建模复杂度较高且其结构条理不清晰，对结构应力的分析时，会产生影响，使分析有着较大的误差，因而舍弃方案一。

再加上对坐标系的创建和建模条理清晰等因素的考虑，最终确定方案二。

为便于后面的结构应力分析，在建模的过程中的某些细节部位（如：螺栓等）最后分析的结果的影响较小，同时考虑划分单元网格划分时的合理性，所以这里将叉头和接手并为一体。

2 创建单元类型用三维实体SOLID45单元对实体模型进行单元划分，以ET,1,solid45定义命令流的形式。

3定义材料特性及密度用42CrMo4作为接头的使用材料，其特性参数为：屈服极限σs=600MPa，泊松比μ=0.3，弹性模量E=2×1011 Pa，切变模量E=2×109 Pa。

基于Abaqus万向传动装置模态分析

基于Abaqus万向传动装置模态分析吴亮廷【摘要】万向传动装置在汽车中起到了传递扭矩的关键作用,本文运用SolidWorks三维建模软件对车辆传动轴进行建模,并运用Abaqus有限元分析软件对模型进行模态分析,得到传动装置的模态和振型,为优化传动轴的结构设计提供支持.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2015(034)008【总页数】2页(P28-29)【关键词】万向传动装置;Abaqus;模态分析【作者】吴亮廷【作者单位】武汉理工大学能源与动力工程学院,武汉430070【正文语种】中文【中图分类】U463万向传动装置是汽车传动系中承上启下的重要环节，起着动力传递的作用。

万向传动装置常见于汽车变速器与驱动桥之间的动力传递。

传动轴的异响和振动是万向传动装置的主要故障之一。

因此，对传动装置的模态频率和振型分析就显得尤为重要，通过结构的改变和完善避开共振频率，从而在传动装置出现故障时减小共振对汽车零部件的危害，以提高汽车的安全使用性能。

本文利用模态振型的理论，通过三维软件SolidWorks建立传动轴的三维模型，然后用Abaqus对其进行模态和振型的分析。

通过对结果的分析得到传动轴的动态特性。

汽车传统的设计制造中对振动频率的分析，只有在整车测试时才会发现是否有共振现象的发生，运用有限元分析软件对其进行模拟，可以有效并提前发现是否有共振的问题，从而提前发现问题，提前得到有效的弥补和改进。

目前对于模态分析常用的是ANSYS分析，本文运用SolidWorks和Abaqus相结合，对汽车传动装置进行分析，该软件界面更加友好，分析更加便捷，后处理结果更加清晰直观，从而提升分析效率。

利用SolidWorks三维建模软件，对万向传动装置中的传动轴进行建模，传动轴包括中间传动筒状梁、万向节叉和十字轴等部件，对各个零件进行建模，然后装配到一起，建立完整的传动装置，得到如图1所示的模型。

传动轴所选用的材料为20Cr，该材料的基本属性如下：弹性模量：210GPa，泊松比0.3，密度：7.85e+3kg/m3。

万向节设计有限元分析

十字轴式万向节设计设计实例【题目】已知某商用车总质量为14t，其动力系统采用的发动机是型号为EQB210直列六缸柴油机，最大功率输出Pemax =155kw/2500r/min，最大输出扭矩Temax为658N·m;传动系统中变速器的最大传动比igmax =6.938。

试对该车辆的十字轴式万向传动系统进行设计。

设计过程如下1.计算载荷的确定按发动机最大转矩和一挡传动比来确定，即T max= T emax i gmax=685×103 ×6.938=4.565×106N·m2.十字轴万向节设计参照相关结构尺寸和设计手册，初定以下结构尺寸：①滚针轴承。

滚针长度为24mm,滚针有效工作长度为17.1mm，滚针直径为3mm，滚针数为28。

②十字轴轴颈为26mm,端面距为170mm,油孔直径为6mm。

③万向节叉最大允许夹角为20°。

十字轴的设计计算由式（4-12）可得滚针对十字轴轴颈的作用力合力F为= =37953N由式（4-13）和（4-14）分别得到十字轴轴颈根部的弯曲应力σ和剪切应力τ为σ=τ=根据第三强度理论，求得等效应力十字轴的弯曲应力不大于350MPa;剪切应力不大于80～120MPa,故符合要求。

十字轴静力学分析1．根据所选数据用CATIA画出对应的三维模型图。

2.将所画图形保存为igs的格式。

3.打开ANSYS的Workbench平台，并拖入静力学分析模块（static structural）。

4.右键单击Geometry--Import Geometry—browse，选择十字轴的模型，单击打开5．双击下图engineering data或右击点edit,打开材料设置界面，输入45钢的材料属性就在数据库中添加完成。

6.双击Geometry，进入DM界面，单击Generate，生成模型7.由于用CATIA画出的圆柱体并不是封闭的，这里要用merge指令将四个轴颈部分结合成一个整体。

一种重型汽车用万向传动轴设计

16510.16638/ki.1671-7988.2018.20.060一种重型汽车用万向传动轴设计杨勇新，郭克刚，刘杰，高刚刚，郭鸿瑞（陕西汉德车桥有限公司，陕西西安 710201）摘要：在全驱车辆中，万向传动轴作为转向驱动桥中重要的传动件。

其保证前轮既能在最大转角范围内任意转向某一角度，并不间断的传递动力。

这里介绍万向传动轴的设计校核过程。

关键词：全驱车辆；转向；动力；万向传动轴中图分类号：U463.216+.2 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2018)20-165-03The design of a universal drive shaft for heavy duty vehiclesYang Yongxin, Guo Kegang, Liu Jie, Gao Ganggang, Guo Hongrui( Shaanxi Hande Axle Co., Ltd., Shaanxi Xi ’an 710201 )Abstract: The universal drive shaft is an important transmission part of the steering drive axle in the All-drive vehicle. It can ensure the front wheel can arbitrarily turn to a certain angle in the maximum angle, and transmit power continuously. The design and verification process of universal drive shaft is introduced here. Keywords: All-drive vehicle; Steering; dynamic; Universal drive shaftCLC NO.: U463.216+.2 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)20-165-03引言随着我国经济快速增长，全驱重型车辆作为重型汽车的一部分，在我国汽车行业也得到了大力发展；其在国防以及民用的石油勘探、森林救火等领域中发挥着越来越大的作用；万向传动轴作为整车转向驱动桥重要的零部件，其必须满足车桥转向、动力传递、转速等相关要求。

基于有线元分析的汽车万向传动装置设计毕业设计论文

本科学生毕业设计基于有限元分析的汽车万向传动装置设计院系名称：汽车与交通工程学院专业班级：车辆工程B07-1班学生姓名：陈兵指导教师：赵雨旸职称：副教授黑龙江工程学院二○一一年六月The Graduation Design for Bachelor's DegreeThe Design of Automobile Universal Transmission Device Based on FiniteElement AnalysisCandidate: Chen BingSpecialty：Vehicle EngineeringClass：B07-1Supervisor：Associate Prof. Zhao YuyangHeilongjiang Institute of Technology2011-06·Harbin摘要万向传动装置是汽车传动系中的重要总成，它直接与变速器和驱动桥相联系，用来实现对传动系的动力传递。

课题研究对象是后轮驱动广泛应用的十字轴式万向传动装置，主要零件包括传动轴、万向节、支撑装置等，这些关键零部件的设计对整个万向传动装置性能具有很大的影响。

本文主要是对汽车的十字轴式万向传动装置进行设计。

根据车辆使用条件和车辆参数，按照传动系统的设计步骤和要求，主要进行了以下工作：选择相关设计参数主要为：十字轴、万向节、传动轴、中间支承的参数确定，并进行了总成设计主要为：十字轴的设计，万向节的设计、传动轴的设计以及中间支承的设计等。

并通过有限元ANSYS软件对设计万向传动装置进行结构分析，根据分析结果对万向传动装置进行改进优化设计并得出合理的设计方案。

在传动轴的设计中采用有限元技术研究这些关键零部件的静力学特性，对其结构进行优化设计，可以大大缩短万向传动装置总成开发周期、降低开发费用，提高设计质量，保证其设计的精确性。

基于ANSYS Workbench的汽车万向节叉优化设计

基于ANSYS Workbench的汽车万向节叉优化设计杨兆;朱荣福【摘要】万向节叉在汽车工作过程中承受复杂的载荷,文中应用ANSYS Workbench建立万向节叉的三维实体模型,进行网格划分,施加约束和载荷,建立有限元模型,然后进行有限元分析,得到变形过程中的应力场以及应变场的分布.利用ANSYS优化设计技术,在满足最大应力值约束条件下,使万向节叉设计参数合理组合,最终达到轻量化的设计目标.【期刊名称】《交通科技与经济》【年(卷),期】2017(019)004【总页数】3页(P46-48)【关键词】万向节叉;有限元;静力学;优化设计【作者】杨兆;朱荣福【作者单位】黑龙江工程学院汽车与交通工程学院,黑龙江哈尔滨 150050;黑龙江工程学院汽车与交通工程学院,黑龙江哈尔滨 150050【正文语种】中文【中图分类】TB47汽车万向传动装置是一种能够连接不在同一直线上的变速器输出轴和主减速器输入轴，保证在两轴之间的夹角和距离经常变化的情况下，可靠地传递动力的装置[1-2]。

万向节叉是万向传动装置的关键零件之一，由于受力条件和工作环境较为恶劣，且尺寸超差会影响传动效果，因此其尺寸要求非常严格[3-4]。

ANSYS Workbench是ANSYS公司在2002年推出的新工程仿真技术集成平台，不但继承了ANSYS Mechanical APDL强大功能，还能提供全新的参数、无缝隙集成的优化设计工具等，由于自身的诸多优势使其在工程仿真中得到了广泛应用[5-8]。

基于万向装置的零部件受力复杂、在对其校核时若完全采用传统方法，得出的结论过于单一、过于片面的原因，本文利用有限元分析方法对万向节叉件进行建模、静力分析，对其结构进行优化设计。

以便尽可能地缩短该装置的开发周期、降低成本，提高质量、提高产品性能。

本文以总质量为13 t某载货汽车万向节叉为原始参数，按照表1设定万向节叉的材料密度和弹性模量等材料属性，对万向节叉孔、螺栓孔进行局部网格划分。

基于万向联轴器的ansys有限元分析

继而提出了改进设计的可行性方案，以避免在其规定的寿命内发生失效的情况。

关键词：万向节；联轴器；ANSYS；有限元1前言实际生产中，万向联轴器接手处会经常出现失效的情况，甚至可能发生断裂。

十字万向联轴器的部分结构如下图1所示。

以所要分析的十字双万向联轴器叉头的结构图为基础，用ANSYS软件对其进行建模。

这将作为有限元分析的关键步骤，直接影响到静力分析结果的可靠性。

再加上对坐标系的创建和建模条理清晰等因素的考虑，最终确定方案二。

2 创建单元类型用三维实体SOLID45单元对实体模型进行单元划分，以ET,1,solid45定义命令流的形式。

3定义材料特性及密度用42CrMo4作为接头的使用材料，其特性参数为：屈服极限σs=600MPa，泊松比μ=0.3，弹性模量E=2×1011 Pa，切变模量E=2×109 Pa。

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摘要万向传动装置是汽车传动系中的重要总成，它直接与变速器和驱动桥相联系，用来实现对传动系的动力传递。

本文主要是对汽车的十字轴式万向传动装置进行设计。

并通过有限元ANSYS软件对设计万向传动装置进行结构分析，根据分析结果对万向传动装置进行改进优化设计并得出合理的设计方案。

关键词：万向传动装置；十字轴；万向节；传动轴；有限元分析；优化设计ABSTRACTUniversal 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:U niversal Transmission Device; Cross Axle; Universal Joint; Drive Shaft; Finite Element Analysis; Optimization Design目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)第1章绪论 (1)1.1课题研究的目的意义 (1)1.2课题的国内外研究现状 (1)1.3设计的主要内容与技术路线 (2)第2章万向传动装置结构方案确定 (4)2.1设计已知参数 (4)2.2万向传动的运动和受力分析 (4)2.2.1单十字轴万向节传动 (4)2.2.2双十字轴万向节传动 (6)2.2.3多十字轴万向节传动 (7)2.3结构方案的确定 (7)2.3.1万向节与传动轴的结构型式 (7)2.3.2传动轴管、伸缩花键及中间支承结构方案分析 (8)2.3.3万向节类型分析 (10)2.4本章小结 (14)第3章万向传动装置设计 (15)3.1万向节传动的计算载荷 (15)3.1.1按发动机最大转矩和一档传动比来计算 (15)3.1.2按驱动轮打滑来计算 (15)3.2 万向传动轴的计算载荷 (16)3.2.1初选十字轴万向节尺寸 (16)3.2.2十字轴万向节设计与校核 (18)3.3 滚针轴承设计 (19)3.3.1滚针轴承初选尺寸 (19)3.3.2滚针轴承的接触应力 (19)3.4 万向节叉设计和校核 (20)3.5 传动轴的设计计算 (21)3.5.1传动轴的临界转速 (22)3.5.2传动轴长度和内外径确定 (23)3.5.3传动轴的校核 (23)3.6 花键轴的设计计算 (24)3.6.1花键轴初选尺寸 (24)3.6.2花键轴的校核 (25)3.7 中间支承的结构分析和设计 (25)3.8 本章小结 (28)第4章万向传动装置的有限元静力学分析 (29)4.1 基于Pro/ENGINEER软件的三维建模 (29)4.1.1Pro/ENGINEER软件简介 (29)4.1.2利用Pro/E进行三维建模 (30)4.2基于ANSYS的有限元模型生成 (31)4.2.1ANSYS有限元分析软件的简介 (31)4.2.2 Pro/E与ANSYS接口的创建 (33)4.2.3基于ANSYS的有限元模型生成 (35)4.3万向传动装置静载和约束的施加与结果分析 (36)4.3.1十字轴有限元受力分析 (36)4.3.2万向节有限元受力分析 (39)4.3.3中间传动轴有限元受力分析 (44)4.4本章小结 (47)第5章万向传动装置的有限元优化设计 (48)5.1优化设计概述 (48)5.2基于有限元的十字轴优化设计 (49)5.2.1十字轴数学模型建立 (49)5.2.2十字轴优化结果分析 (50)5.3万向节叉的结构优化 (52)5.3.1万向节叉的数学模型建立 (52)5.3.2万向节叉的优化结果分析 (53)5.4传动轴管的优化 (56)5.4.1传动轴管的数学模型建立 (56)5.4.2传动轴管优化结果分析 (56)5.5万向传动装置优化后尺寸的确定 (58)5.6进行整机装配与校核 (58)5.6.1 Pro/E实体建模后的整体装配图 (58)5.6.2干涉检查 (60)5.7本章小结 (61)结论 (62)参考文献 (63)致谢 (64)附录 (65)附录A 外文文献原文 (65)附录B 外文文献中文翻译 (69)第1章绪论1.1 课题研究的目的意义万向传动装置是汽车传动系中的重要总成，它直接与变速器和驱动桥相联系，用来实现对传动系的动力传递。

万向节传动应适应所联两轴的夹角及相对位置在一定范围内的不断变化且能可靠而稳定地传递动力，保证所联两轴能等速旋转，且由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动及噪声应在允许范围内，在使用车速范围内不应产生共振现象。

此外，万向节传动还要求传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易。

传统的分析方法，一般都是首先通过轴传递的最大转矩，计算出轴的最小直径；然后通过计算作用在轴上的载荷、不同断面上的转矩、轴向力和弯矩，利用解析法或图解法确定轴不同位置的支反力，最后利用传统的计算公式进行强度校核，确定安全系数。

如果安全系数小于许用安全系数，还要进行疲劳强度计算。

此过程计算繁杂，反复性强，而且可靠性差，很可能因为计算误差，造成由于传动轴强度不够而引发的轴裂、轴断事故。

因此，研究一种新的准确、快捷的强度分析方法迫在眉睫。

ANSYS软件作为一种广泛应用CAE软件，应用有限元法对结构进行静力学、动力学、热力学和电磁学等多种分析。

通过ANSYS软件的应用，可以大大缩短轴类零件的设计周期，从而减少设计成本，并有利于多种型号产品的开发。

1.2 课题的国内研究现状万向传动装置最早出现于1352年，在Strasbourg大教堂时钟机构中的万向节传动轴。

1663年Robert Hook万向节诞生，后来被人们叫做虎克万向节，也就是十字轴万向节。

紧接着在1683年研制出的双联式虎克万向节，消除了单个虎克万向节传递的不等速性，并于1901用于汽车转向轮。

在上世纪初，虎克万向节和传动轴，以及后来的等速万向节和传动轴在机械工程和汽车工业的发展中起到了极其重要的作用。

现在，根据在扭转方向上是否有明显的弹性，万向节可分为刚性万向节和挠性万向节。