基于ANSYS的汽車傳動(dòng)軸有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)【含有限元】【說(shuō)明書(shū)+CAD+UG】,含有限元,說(shuō)明書(shū)+CAD+UG,基于ANSYS的汽車傳動(dòng)軸有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)【含有限元】【說(shuō)明書(shū)+CAD+UG】,基于,ansys,汽車,傳動(dòng)軸,有限元分析,優(yōu)化,設(shè)計(jì),有限元,說(shuō)明書(shū),仿單,cad 分 類 號(hào) 密 級(jí) 設(shè)計(jì) 基于ANSYS的汽車傳動(dòng)軸 有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì) 所在學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 姓 名 XXXX 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 年 月 日 誠(chéng) 信 承 諾 我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫(xiě)的《基于ANSYS的汽車傳動(dòng)軸有限元分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)》均系本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋，若有不實(shí)，后果由本人承擔(dān)。 承諾人（簽名）：XXXX 年 月 日 摘 要 ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。 傳動(dòng)軸是最常件的零件，該零件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，操作方便，加工精度高，價(jià)格低廉，因此得到了廣泛的使用。目前很多傳動(dòng)軸都做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，使其適用性得到了更大的提高。 本設(shè)計(jì)是基于ANSYS軟件來(lái)汽車傳動(dòng)軸行分析。與傳統(tǒng)的計(jì)算相比，借助于計(jì)算機(jī)有限元分析方法能更加快捷和精確的得到結(jié)果。設(shè)置正確的模型、劃分合適的網(wǎng)格，并合理設(shè)置求解過(guò)程，能夠準(zhǔn)確的獲得分析模型各個(gè)部位的應(yīng)力、變形等結(jié)果。對(duì)零件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有很大的參考作用。 正是因?yàn)樯鲜鰞?yōu)點(diǎn)，我在本設(shè)計(jì)中運(yùn)用UG來(lái)建立三維模型。再將此模型導(dǎo)入ANSYS軟件來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析。 關(guān)鍵詞：傳動(dòng)軸，三維建模，ANSYS，動(dòng)靜態(tài)分析 Abstract ANSYS (finite element) package is a multi-purpose finite element method for computer design program that can be used to solve the structure, fluid, electricity, electromagnetic fields and collision problems. So it can be applied to the following industries: aerospace, automotive, biomedical, bridges, construction, electronics, heavy machinery, micro-electromechanical systems, sports equipment and so on. Transmission shaft is the most common a regular part, the part structure is simple, convenient operation, high precision, low prices, it has been widely used. At present, many have made the appropriate Transmission shaft improvements, it has been greatly enhanced applicability. The design is based on ANSYS software to Transmission shaft by the line of spindle. Compared with the traditional calculation, computer-based finite element analysis method can be faster and more accurate results. Set the correct model, dividing the right grid, and set a reasonable solution process, analytical model can accurately access the various parts of the stress and deformation results. On the part of the design and optimization has great reference. It is because of these advantages, the use of this design in my UG to create three-dimensional model Transmission shaft. Then this model was introduced by the ANSYS software to its line of analysis. Key Words: Transmission shaft，three-dimensional modeling ，ANSYS， dynamic and static analysis 目 錄 摘 要 III Abstract IV 目 錄 V 第1章 緒論 1 1.1 選題的目的和意義 1 1.2選題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1 1.3 傳動(dòng)軸知識(shí) 2 1.4 傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 2 1.5傳動(dòng)軸重要部件 3 1.6 傳動(dòng)軸常用類型 4 第2章 本課題任務(wù)和研究方法 5 2.1 課題任務(wù) 5 2.2分析方法 5 3.3 本課題的研究方法 6 3.4 有限元方法介紹 6 3.4.1概述 6 3.4.2 基本思想 6 3.4.3特點(diǎn) 7 3.5 ANSYS軟件簡(jiǎn)介 8 第4章 確定汽車傳動(dòng)軸研究對(duì)象和UG建模 8 4.1確定汽車傳動(dòng)軸研究對(duì)象概述 8 4.2 汽車傳動(dòng)軸（變速箱第二軸）的3D建模設(shè)計(jì) 11 4.2.1 進(jìn)入U(xiǎn)G的操作界面 11 第5章 汽車傳動(dòng)軸的有限元分析 19 5.1有限元分析的基本步驟 19 5.2 有限元分析過(guò)程與步驟 19 5.2.1 轉(zhuǎn)換模型格式 19 第六章 總結(jié)和傳動(dòng)軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析 37 結(jié)論 - 38 - 參考文獻(xiàn) - 39 - 致 謝 - 40 - 第1章 緒論 1.1 選題的目的和意義 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益普及和FEA技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們已經(jīng)廣泛采用計(jì)算機(jī)有限元仿真分析來(lái)作為傳動(dòng)軸強(qiáng)度校核的方法。而傳動(dòng)軸向重載、高速、低噪、高可靠性方向發(fā)展，現(xiàn)代傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性提出了更高的要求。傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一是傳動(dòng)軸。因此，建立比較精確的分析模型，準(zhǔn)確的掌握輪齒應(yīng)力的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律具有重要的意義。 本文采用在UG等CAD軟件中建立模型,然后導(dǎo)入到ANAYS中進(jìn)行分析相比，既省時(shí)省力，又克服了模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中容易出現(xiàn)的一些問(wèn)題。根據(jù)有限元分析結(jié)果，與赫茲公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了分析結(jié)果的可靠性，在保證結(jié)構(gòu)安全可靠運(yùn)行的條件下，提高設(shè)計(jì)制造的效率，降低設(shè)計(jì)研制成本。 本課題從彈性力學(xué)的基本理論出發(fā)，以傳動(dòng)軸的有限元分析為重點(diǎn)，ANSYS10.0 為軟件平臺(tái)，借助計(jì)算機(jī)對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行迅速、高效地強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析，正應(yīng)了當(dāng)今市場(chǎng)的需求。 1.2選題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析方法在工程設(shè)計(jì)和分析中，已成為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑。有限元作為CAE技術(shù)中的一種關(guān)鍵計(jì)算方法，自20世紀(jì)中葉產(chǎn)生以來(lái)，以其獨(dú)有的魅力得到了越來(lái)越廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。目前，已出現(xiàn)了不同形態(tài)的有限元方法，并由此產(chǎn)生了一批非常成熟的通用和專業(yè)的有限元商業(yè)軟件。 ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析與一體的大型通用有限元分析(FEA)軟件。其用戶涵蓋了核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、電子、造船、汽車交通、國(guó)防軍工、土木工程地礦、水利、日用家電和教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行，ANSYS文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上均兼容。其基于Motif的菜單系統(tǒng)，讓用戶能夠方便地通過(guò)對(duì)話框、下拉式菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇。另外，ANSYS能與多數(shù)CAD軟件結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。在相繼收購(gòu)了ICEM、CFX、CENTURY DYNAMICS、AAVID THERMAL、FLUENT等世界著名有限元分析程序制造公司并將其產(chǎn)品和ANSYS整合之后，ANSYS實(shí)際上已成為世界上最通用和有效的商業(yè)有限元軟件。在我國(guó)，ANSYS軟件經(jīng)過(guò)多年的經(jīng)營(yíng)，商業(yè)版用戶已達(dá)數(shù)百家，遍及各個(gè)領(lǐng)域，與此同時(shí)，70%以上的理工大學(xué)均用ANSYS進(jìn)行科學(xué)研究及教學(xué)。 1.3 傳動(dòng)軸知識(shí) 傳動(dòng)軸是連接或裝配各項(xiàng)配件而可移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的圓形物體配件，一般均使用輕而抗扭性佳的合金鋼管制成。對(duì)前置引擎后輪驅(qū)動(dòng)的車來(lái)說(shuō)是把變速器的轉(zhuǎn)動(dòng)傳到主減速器的軸，它可以是好幾節(jié)由萬(wàn)向節(jié)連接。 ?? 1.4 傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 重型載貨汽車根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式的不同選擇不同型式的傳動(dòng)軸。一般來(lái)講4×2驅(qū)動(dòng)形式的汽車僅有一根主傳動(dòng)軸。6×4驅(qū)動(dòng)形式的汽車有中間傳動(dòng)軸、主傳動(dòng)軸和中、后橋傳動(dòng)軸。6×6驅(qū)動(dòng)形式的汽車不僅有中間傳動(dòng)軸、主傳動(dòng)軸和中、后橋傳動(dòng)軸，而且還有前橋驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸。在長(zhǎng)軸距車輛的中間傳動(dòng)軸一般設(shè)有傳動(dòng)軸中間支承．它是由支承架、軸承和橡膠支承組成。 傳動(dòng)軸是由軸管、伸縮套和萬(wàn)向節(jié)組成。伸縮套能自動(dòng)調(diào)節(jié)變速器與驅(qū)動(dòng)橋之間距離的變化。萬(wàn)向節(jié)是保證變速器輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋輸入軸兩軸線夾角的變化，并實(shí)現(xiàn)兩軸的等角速傳動(dòng)。一般萬(wàn)向節(jié)十字軸、十字軸承和凸緣叉等組成。斯太爾系列重型汽車使用的傳動(dòng)軸萬(wàn)向節(jié)采用滾柱十字軸軸承，配合以短而粗的十字軸，可傳遞較大的轉(zhuǎn)距。在軸承端面設(shè)有蝶形彈簧，以壓緊滾柱。十字軸的端面增加了具有螺旋槽的強(qiáng)化尼龍墊片，可防止大夾角或大轉(zhuǎn)距傳遞動(dòng)力時(shí)燒結(jié)。 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)軸伸縮套是將花鍵套與凸緣叉焊接在一起，將花鍵軸焊在傳動(dòng)軸管上。而GWB公司的傳動(dòng)軸一改傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將花鍵套與傳動(dòng)軸管焊接成一體，將花鍵軸與凸緣叉制成一體。并將矩形齒花鍵改成大壓力角漸開(kāi)線短齒花鍵，這樣既增加了強(qiáng)度又便于擠壓成形，適應(yīng)大轉(zhuǎn)矩工況的需要。在伸縮套管和花鍵軸的牙齒表面，整體涂浸了一層尼龍材料，不僅增加了耐磨性和自潤(rùn)滑性，而且減少了沖擊負(fù)荷對(duì)傳動(dòng)軸的損害，提高了緩沖能力。 該型傳動(dòng)軸在凸緣花鍵軸外增加了一個(gè)管形密封保護(hù)套，在該保護(hù)套端部設(shè)置了兩道聚氨酯橡膠油封，使伸縮套內(nèi)形成廠一個(gè)完全密封的空間，使伸縮花鍵軸不受外界沙塵的侵蝕，不僅防塵而且防銹。因此在裝配時(shí)在花鍵軸與套內(nèi)一次性涂抹潤(rùn)滑脂，就完全可以 滿足使用要求，不需要裝油嘴潤(rùn)滑，減少了保養(yǎng)內(nèi)容。 1.5傳動(dòng)軸重要部件 萬(wàn)向節(jié)是汽車傳動(dòng)軸上的關(guān)鍵部件。在前置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)的車輛上，萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸安裝在變速 ?? 在發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)（或全輪驅(qū)動(dòng)）的汽車上，由于汽車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中懸架變 形，驅(qū)動(dòng)軸主減速器輸入軸與變速器（或分動(dòng)箱）輸出軸間經(jīng)常有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此外，為有效避開(kāi)某些機(jī)構(gòu)或裝置（無(wú)法實(shí)現(xiàn)直線傳遞），必須有一種裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力 的正常傳遞，于是就出現(xiàn)了萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)。萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)必須具備以下特點(diǎn)：a 、保證所連接兩軸的相對(duì)位置在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，能可靠地傳遞動(dòng)力；b 、保證所連接兩軸能均勻運(yùn)轉(zhuǎn)。由于萬(wàn)向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動(dòng)和噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi)；c 、傳動(dòng)效率要高，使用壽命長(zhǎng)， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，維修容易。對(duì)汽車而言，由于一個(gè)十字軸萬(wàn)向節(jié)的輸出軸相對(duì)于輸入軸（有一定的夾角）是不等速旋轉(zhuǎn)的，為此必須采用雙萬(wàn)向節(jié)（或多萬(wàn)向 節(jié)）傳動(dòng)，并把同傳動(dòng)軸相連的兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)叉布置在同一平面，且使兩萬(wàn)向節(jié)的夾角相等。這一點(diǎn)是十分重要的。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小萬(wàn)向節(jié)的夾角。 1.6 傳動(dòng)軸常用類型 十字軸式剛性萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸在汽車傳動(dòng)系中用得最廣泛，歷史也最悠久。平時(shí)所說(shuō)的傳動(dòng)軸一般指的就是十字軸式剛性萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸。十字軸式剛性萬(wàn)向節(jié)主要用于傳遞角度的變化，一般由突緣叉、十字軸帶滾針軸承總成、萬(wàn)向節(jié)叉或滑動(dòng)叉、中間連接叉或花鍵軸叉、滾針軸承的軸向固定件等組成。突緣叉一般與變速箱、驅(qū)動(dòng)橋或別的傳動(dòng)軸等連接。突緣叉是一個(gè)帶法蘭的叉形零件，一般采用中碳鋼或中碳合金鋼的鍛造件，也有采用球墨鑄鐵的砂型鑄造件和中碳鋼或中碳優(yōu)質(zhì)合金鋼的精密鑄造件。突緣叉一般帶一個(gè)平法蘭，也有帶一個(gè)端面梯形齒法蘭的。十字軸帶滾針軸承總成一般包括四個(gè)滾針軸承、一個(gè)十字軸、一個(gè)滑脂嘴。滾針軸承一般由若干個(gè)滾針、一個(gè)軸承碗、一個(gè)多刃口橡膠油封（部分帶骨架）組成。在某些滾針軸承中，還有一個(gè)帶油槽的圓形墊片，有尼龍的，也有采用銅片或其他材料的，主要用于減小萬(wàn)向節(jié)軸向間隙，提高傳動(dòng)軸動(dòng)平衡品質(zhì)。萬(wàn)向節(jié)叉是一個(gè)叉形零件，一般采用中碳鋼或中碳合金鋼的鍛造件，也有采用中碳鋼的精密鑄造件。滾針軸承的軸向固定件一般是孔（或軸）用彈性擋圈（內(nèi)外卡式），或軸承壓板、鎖片、螺栓等。 第2章 本課題任務(wù)和研究方法 2.1 課題任務(wù) 利用有限元軟件ANSYS10.0的結(jié)構(gòu)分析模塊對(duì)汽車傳動(dòng)軸進(jìn)行有限元分析。通過(guò)建立汽車傳動(dòng)軸的幾何模型、有限元模型，對(duì)分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，學(xué)會(huì)對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化。 2.2分析方法 選擇網(wǎng)格類型、劃分網(wǎng)格 定義邊界條件、加載 創(chuàng)建模型 定義材料屬性、單元類型 做結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析 獲取應(yīng)力分布 拾取應(yīng)變值 仿真分析 結(jié)束仿真 結(jié)束 改變實(shí)體參數(shù) 依照?qǐng)D示的此種方法對(duì)鋼板彈簧的接觸應(yīng)力和鋼板彈簧應(yīng)力進(jìn)行仿真分析。在分析鋼板彈簧的應(yīng)力是需要注意的是右圖在劃分網(wǎng)格類型和定義邊界條件中間所應(yīng)夾一接觸對(duì)的建立的方框，對(duì)于應(yīng)力仿真分析大致與右圖的分析方法一致。 3.3 本課題的研究方法 由于ANSYS自身的建模比較繁瑣，采用借助第三方3D設(shè)計(jì)軟件建立模型，然后導(dǎo)入到ANSYS分析，也是目前比較公認(rèn)的快捷方法。本課題借助UG設(shè)計(jì)3D模型。 3.4 有限元方法介紹 3.4.1概述 在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)于許多力學(xué)問(wèn)題和物理問(wèn)題，人們已經(jīng)得到了它們遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相應(yīng)的定解條件，但能用解析法得出精確解的只是少數(shù)方程性質(zhì)比較簡(jiǎn)單，且?guī)缀涡螤钕鄬?duì)規(guī)則的問(wèn)題，而對(duì)于大多數(shù)問(wèn)題，由于方程的某些非線性性質(zhì)的特征或求解區(qū)域幾何形狀的復(fù)雜，不能得到解析結(jié)果。部分問(wèn)題可以通過(guò)簡(jiǎn)化得到簡(jiǎn)化狀態(tài)下的解答，但過(guò)多的簡(jiǎn)化會(huì)導(dǎo)致解答誤差很大甚至完全錯(cuò)誤。因此，人們經(jīng)過(guò)多年來(lái)的尋找，建立和發(fā)展了另一種求解途徑和方法——數(shù)值解法。有限單元法就是其中得以廣泛應(yīng)用的一種。有限單元法是用于求解各類工程實(shí)際問(wèn)題的方法。應(yīng)力分析中的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、線性、非線性的問(wèn)題以及熱力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)和高速?zèng)_擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題都可以通過(guò)有限元方法得到解決。自從20世紀(jì)60年代Clough第一次提出“有限單元法（或稱有限元法）”這個(gè)名稱以來(lái)，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，它如今已經(jīng)成為工程分析中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計(jì)算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技術(shù)界的高度重視，伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的飛速發(fā)展，有限單元法現(xiàn)已成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造的重要組成部分。 3.4.2 基本思想 數(shù)值分析的任務(wù)，就是從無(wú)限維空間轉(zhuǎn)化到有限維空間，把連續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。有限元法是利用場(chǎng)函數(shù)分片多項(xiàng)式逼近模式來(lái)實(shí)現(xiàn)離散化過(guò)程的，也就是說(shuō)，有限元法依賴于這樣的有限維子空間，它的基函數(shù)系是具有微小支集的函數(shù)系，這樣的函數(shù)系與大范圍分析相結(jié)合，反映了場(chǎng)內(nèi)任何兩個(gè)局部地點(diǎn)場(chǎng)變量的相互依賴關(guān)系。任何一個(gè)局部地點(diǎn)，它的影響函數(shù)和影響區(qū)域，正是基函數(shù)本身和它的支集。在線性力學(xué)范疇里，場(chǎng)內(nèi)處于不同位置的力相互作用產(chǎn)生的能量可用雙線性泛函B(Φi, Φj)來(lái)表示，其中Φi, Φj正是相應(yīng)的點(diǎn)的基函數(shù)。B(Φi, Φj)的大小與Φi, Φj支集的交集大小有關(guān)，如果兩個(gè)支集的測(cè)度為零，則B(Φi, Φj)=0，因此，離散化所得到的方程的系數(shù)矩陣是稀疏的。若區(qū)域分割得愈細(xì)，則支集不相交的基函數(shù)對(duì)愈多，矩陣也就愈稀疏，這給數(shù)值解法帶來(lái)了極大的方便。 3.4.3特點(diǎn) （1）物體離散化 將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計(jì)算模型，這一步稱為單元剖分。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連接起來(lái)，單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問(wèn)題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算進(jìn)度而定（一般情況下，單元?jiǎng)澐衷郊?xì)則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計(jì)算量也就越大。）所以有限元中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)體，而是由新材料的眾多單元以一定方式連接成的離散物體。因此，用有限元分析計(jì)算所獲得的結(jié)果只是近似值，但劃分單元數(shù)目非常多且合理，則所獲得的結(jié)果就與實(shí)際情況基本相符。 （2）單元特性分析 (a) 選擇位移模式 在有限元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為位移法；選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量時(shí)稱為力法；取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱為混合法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化，所以在有限元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。當(dāng)采用位移法時(shí)，物體和結(jié)構(gòu)體在離散化之后，就可以把單元中的一些物理量，如位移、應(yīng)變和應(yīng)力等用節(jié)點(diǎn)位移來(lái)表示，這時(shí)可以對(duì)單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，有限元法就將位移表示為坐標(biāo)變量的簡(jiǎn)單函數(shù)，這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。 (b) 分析單元的力學(xué)性質(zhì) 根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時(shí)需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來(lái)建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?，這是有限元法的基本步驟之一。 (c) 計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力 物體離散化后，假定力是通過(guò)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元，但是對(duì)于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊傳遞到另一個(gè)單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效地移到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來(lái)代替所有作用在單元上的力。 (3) 單元組集 利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來(lái)的結(jié)構(gòu)重新連接起來(lái)，形成整體的有限元方程： K*q=f 其中：K是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；q是節(jié)點(diǎn)位移列陣；f是載荷列陣。 (4) 求解未知節(jié)點(diǎn)位移 求解有限元方程式可以得出位移。這里，可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)來(lái)選擇合適的計(jì)算方法。通過(guò)上述分析可以看出，有限元的基本思想是“一分一合”，分是為了進(jìn)行單元分析，合則是為了對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。 3.5 ANSYS軟件簡(jiǎn)介 ANSYS軟件是融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析與一體的大型通用有限元分析(FEA)軟件。它是由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)的，并能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS、AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。ANSYS軟件是第一個(gè)通過(guò)ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)類軟件，是美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)ASME、美國(guó)核安全局NQA及近20種專業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。在國(guó)內(nèi)，它第一個(gè)通過(guò)了中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)認(rèn)證并在國(guó)務(wù)院17個(gè)部委推廣使用。 ANSYS軟件主要包括三部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊Preprocessor、分析計(jì)算模塊Solution、后處理模塊Postprocessor。前處理模塊Preprocessor提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊Solution包括結(jié)構(gòu)分析、流體力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析。壓電分析及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多重物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析和優(yōu)化分析能力；后處理模塊Postprocessor可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來(lái)。 第4章 確定汽車傳動(dòng)軸研究對(duì)象和UG建模 4.1確定汽車傳動(dòng)軸研究對(duì)象概述 本設(shè)計(jì)是根據(jù)東方之子1.8L手動(dòng)豪華車型而開(kāi)展的，設(shè)計(jì)中所采用的相關(guān)參數(shù)均來(lái)源于此種車型： 主減速比：4.782 最高時(shí)速：190km/h 輪胎型號(hào)：205/65R15 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：SQR481FC 最大扭矩：170Nm/4500 最大功率：95kw/5750 最高轉(zhuǎn)速：6000r/min 奇瑞東方之子1.8L豪華型 某些轎車和貨車的變速器，采用僅在好路和空載行駛時(shí)才使用的超速檔。采用傳動(dòng)比小于1（0.7~0.8）的超速檔，可以更充分地利用發(fā)動(dòng)機(jī)功率，降低單位行駛里程的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸總轉(zhuǎn)數(shù)，因而會(huì)減少發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損，降低燃料消耗。但與傳動(dòng)比為1的直接檔比較，采用超速檔會(huì)降低傳動(dòng)效率。 有級(jí)變速器的傳動(dòng)效率與所選用的傳動(dòng)方案有關(guān)，包括傳遞動(dòng)力的齒輪副數(shù)目、轉(zhuǎn)速、傳遞的功率、潤(rùn)滑系統(tǒng)的有效性、齒輪及軸以及殼體等零件的制造精度、剛度等。 三軸式和兩軸式變速器得到的最廣泛的應(yīng)用。 三軸式變速器如圖1-1所示，其第一軸的常嚙合齒輪與第二軸的各檔齒輪分別與中間軸的相應(yīng)齒輪相嚙合，且第一、第二軸同心。將第一、第二軸直接連接起來(lái)傳遞扭矩則稱為直接檔。此時(shí)，齒輪、軸承及中間軸均不承載，而第一、第二軸也傳遞轉(zhuǎn)矩。因此，直接檔的傳遞效率高，磨損及噪音也最小，這是三軸式變速器的主要優(yōu)點(diǎn)。其他前進(jìn)檔需依次經(jīng)過(guò)兩對(duì)齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩。因此。在齒輪中心距（影響變速器尺寸的重要參數(shù)）較小的情況下仍然可以獲得大的一檔傳動(dòng)比，這是三軸式變速器的另一優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：處直接檔外其他各檔的傳動(dòng)效率有所下降。 圖1-1 轎車中間軸式四檔變速器 1— 第一軸；2—第二軸；3—中間軸 兩軸式變速器如圖1-2所示。與三軸式變速器相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊且除最到檔外其他各檔的傳動(dòng)效率高、噪聲低。轎車多采用前置發(fā)動(dòng)機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)的布置，因?yàn)檫@種布置使汽車的動(dòng)力-傳動(dòng)系統(tǒng)緊湊、操縱性好且可使汽車質(zhì)量降低6%~10%。兩軸式變速器則方便于這種布置且傳動(dòng)系的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。如圖所示，兩軸式變速器的第二軸（即輸出軸）與主減速器主動(dòng)齒輪做成一體，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)縱置時(shí)，主減速器可用螺旋錐齒輪或雙面齒輪；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)橫置時(shí)則可用圓柱齒輪，從而簡(jiǎn)化了制造工藝，降低了成本。除倒檔常用滑動(dòng)齒輪（直齒圓柱齒輪）外，其他檔均采用常嚙合斜齒輪傳動(dòng)；個(gè)檔的同步器多裝在第二軸上，這是因?yàn)橐粰n的主動(dòng)齒輪尺寸小，裝同步器有困難；而高檔的同步器也可以裝在第一軸的后端，如圖示。 兩軸式變速器沒(méi)有直接檔，因此在高檔工作時(shí)，齒輪和軸承均承載，因而噪聲比較大，也增加了磨損，這是它的缺點(diǎn)。另外，低檔傳動(dòng)比取值的上限（igⅠ=4.0~4.5）也受到較大限制,但這一缺點(diǎn)可通過(guò)減小各檔傳動(dòng)比同時(shí)增大主減速比來(lái)取消。 圖1-2 兩軸式變速器 1— 第一軸；2—第二軸；3—同步器 有級(jí)變速器結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)是增多常嚙合齒輪副的數(shù)目，從而可采用斜齒輪。后者比直齒輪有更長(zhǎng)的壽命、更低的噪聲，雖然其制造稍復(fù)雜些且在工作中有軸向力。因此，在變速器中，除低檔及倒檔外，直齒圓柱齒輪已經(jīng)被斜齒圓柱齒輪所代替。但是在本設(shè)計(jì)中，由于倒檔齒輪采用的是常嚙式，因此也采用斜齒輪。 由于所設(shè)計(jì)的汽車是發(fā)動(dòng)機(jī)前置，后輪驅(qū)動(dòng)，因此采用中間軸式變速器。 變速箱第二軸圖紙 4.2 汽車傳動(dòng)軸（變速箱第二軸）的3D建模設(shè)計(jì) 4.2.1 進(jìn)入U(xiǎn)G的操作界面 1 選擇桌面上的UG NX5.0 2 新建空白文件，輸入文件名 3、進(jìn)入建模環(huán)境 4、進(jìn)入草圖環(huán)境 5、繪制汽車傳動(dòng)軸第二軸的草圖 6、旋轉(zhuǎn)生成3D實(shí)體 7、倒角 8、建立鍵槽基準(zhǔn)面 9、草繪鍵槽 10、切除鍵槽 11、倒角 12、生成完整的3D模型 13、導(dǎo)出*.X_T文件 建模結(jié)束。 37 第5章 汽車傳動(dòng)軸的有限元分析 5.1有限元分析的基本步驟 預(yù)處理階段： （1）建立求解域并將之離散化成有限元，即將問(wèn)題分解成節(jié)點(diǎn)和單元。 （2）假設(shè)代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設(shè)代表單元解的近似連續(xù)函數(shù)。 （3）對(duì)單元建立方程。 （4）將單元組合成總體的問(wèn)題，構(gòu)造總體剛度矩陣。 （5）應(yīng)用邊界條件、初值條件和負(fù)荷。 解決階段： （6）求解線性或非線性的微分方程組，以得到節(jié)點(diǎn)的值。 后處理階段： （7）得到其他重要的信息。 5.2 有限元分析過(guò)程與步驟 5.2.1 轉(zhuǎn)換模型格式 需要把UG的模型轉(zhuǎn)化為ANSYS可以讀取的方式。選擇保存方式為*.x_t格式的文件。 1、從程序中啟動(dòng)ANSYS10.0的界面。 2、打開(kāi)ANSYS窗口。 3、ANSYS分析目錄一旦設(shè)定好，以后ANSYS軟件操作所產(chǎn)生的所有文件都將存放在此目錄下，建議對(duì)不同的分析用不同的工作目錄，這樣可確保每次分析所產(chǎn)生的文件不會(huì)覆蓋的危險(xiǎn)。如果沒(méi)有指定工作目錄，默認(rèn)的工作目錄為系統(tǒng)所在盤(pán)的根目錄。工作目錄設(shè)置方式有兩種： l 在進(jìn)入ANSYS軟件之前通過(guò)入口選項(xiàng)所進(jìn)行的設(shè)置； l 進(jìn)入ANSYS軟件后，可通過(guò)如下方法實(shí)現(xiàn)： ? 命令方式：在命令輸入窗口中輸入/CWD, DIRPATH（重新指定的工作目錄）； ? GUI方式：Utility Menu>Change Directory，在彈出的對(duì)話框中填入指定的工作目錄，單擊【確定】按鈕。如圖所示。 4、調(diào)入我們剛才保存的*.x_t文件。 5、建立結(jié)構(gòu)分析模式。命令方式：/KEYW（重新指定的分析標(biāo)題）； GUI方式：Main Menu>Preference，在彈出的如圖2.14所示的對(duì)話框中框中選取某個(gè)選項(xiàng)使以后出現(xiàn)的圖形界面中過(guò)濾掉與選定分析選項(xiàng)無(wú)關(guān)模塊的內(nèi)容，本書(shū)主要講述結(jié)構(gòu)分析，因此選取Structural(結(jié)構(gòu)) 6、選取和定義單元.下面將給出添加單元類型具體的GUI操作路徑，對(duì)于單元的選項(xiàng)，由于和具體的單元類型有關(guān)，在這里將不做具體的介紹。此處以添加PLANE42單元作為例子來(lái)介紹添加單元的操作步驟。 具體操作步驟如下： 依次選擇Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，彈出Element Types(單元類型)對(duì)話框，如圖所示。 如果想改變單元的其他輸入選項(xiàng)（即上文提及的KEYOPTs）單擊【Options…】按鈕。出現(xiàn)如圖所示的element type options（單元類型選項(xiàng)）對(duì)話框。 確定后單擊【OK】按鈕，如有需要了解各設(shè)置的具體說(shuō)明，可查看ANSYS幫助文件。 返回到如圖所示的對(duì)話框后單擊【Close】按鈕，結(jié)束單元類型的添加。 7、定義材料屬性 單擊Main>Preprocessor>Material Props>Material Models彈出定義材料屬性對(duì)話框如圖所示，填入EX： 2.06e5、PRXY：0.3，在Structural下單擊Friction Coefficient彈出如圖所示對(duì)話框，填入Mu：0.3.，至此材料屬性定義完成，下一步進(jìn)入網(wǎng)格劃分。 8、網(wǎng)格劃分 實(shí)體建模的最終目的劃分網(wǎng)格以生成節(jié)點(diǎn)和單元，生成節(jié)點(diǎn)和單元的網(wǎng)格劃分過(guò)程分為兩個(gè)步驟：（1）定義單元屬性；（2）定義網(wǎng)格生成控制并生成網(wǎng)格。 9、求解與加載 固定約束類型 固定約束類型 固定約束類型（放大觀看） 固定約束類型 固定約束類型 固定約束類型（另一端） 固定約束類型（放大） 施加力載荷 求解 求解結(jié)果提示。 后處理圖解 位移圖解 通過(guò)圖解查看變形受力狀況 很清晰的反映了啊 通過(guò)圖解發(fā)現(xiàn)圖示的齒輪受力部分的位移最大 通過(guò)圖解發(fā)現(xiàn)圖示的齒輪受力部分的應(yīng)力密度最大 通過(guò)圖解發(fā)現(xiàn)圖示的齒輪受力部分的應(yīng)力密度最大 第六章 總結(jié)和傳動(dòng)軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析 本文通過(guò)對(duì)傳動(dòng)軸精確建模，進(jìn)而進(jìn)行接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力分析，得出如下結(jié)論： 通過(guò)應(yīng)力云圖可以看出傳動(dòng)軸在中心部位處屬于應(yīng)力集中，最容易發(fā)生破壞。中心部位應(yīng)該加工，也說(shuō)明中間部位材料比較厚實(shí)的正確性和合理性質(zhì)。 從而也證明了在ANSYS中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析的正確性，從而可以大大減少試驗(yàn)費(fèi)用，降低成本，為傳動(dòng)軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的的基礎(chǔ)，進(jìn)而可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)、齒或者優(yōu)化材料和工藝，最終實(shí)現(xiàn)齒輪結(jié)構(gòu)、材料和工藝的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。 結(jié)論 對(duì)于本次設(shè)計(jì)的汽車傳動(dòng)軸來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)是：扭矩變化范圍大可以滿足不同的工況要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)、使用和維修，價(jià)格低廉，而且采用結(jié)合套掛擋，可以使變速器掛擋平穩(wěn)，噪聲降低，輪齒不易損壞。在設(shè)計(jì)中采用了5+1檔手動(dòng)變速器，通過(guò)較大的變速器傳動(dòng)比變化范圍，可以滿足汽車在不同的工況下的要求，從而達(dá)到其經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的要求；變速器掛檔時(shí)用結(jié)合套，雖然增加了成本，但是使汽車變速器操縱舒適度增加，齒輪傳動(dòng)更平穩(wěn)。本著實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的原則，在各部件的設(shè)計(jì)要求上都采用比較開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，因此，安全系數(shù)不高，這一點(diǎn)是本次設(shè)計(jì)的不理想之處。但是，在以后的工作和學(xué)習(xí)中，我會(huì)繼續(xù)學(xué)習(xí)和研究變速器技術(shù)，以求其設(shè)計(jì)更加合理和經(jīng)濟(jì)。 緊張忙碌的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，這次設(shè)計(jì)是對(duì)我大學(xué)四年來(lái)的學(xué)習(xí)的一次最綜合的檢驗(yàn)，也更是一次綜合的學(xué)習(xí)過(guò)程。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅使我學(xué)習(xí)和鞏固了專業(yè)課知識(shí)而且了解了不少相關(guān)專業(yè)的知識(shí)，個(gè)人能力得到很大提高。同時(shí)也鍛煉了與人協(xié)作的精神，為以后我踏入社會(huì)工作打下了良好的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) ［1］濮良貴，紀(jì)名剛，機(jī)械設(shè)計(jì)[M],高等教育出版社，2005 ［2］孫桓，陳作模，機(jī)械原理[M],高等教育出版社，2005 ［3］孫波，畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典[M],西安電子科技大學(xué)出版社，2008 ［4］張波，盛太和，ANSYS有限元數(shù)值分析原理與工程應(yīng)用[M]，清華大學(xué)出版社2005.9 ［5］博弈創(chuàng)作室，ANSYS9.0經(jīng)典產(chǎn)品高級(jí)分析技術(shù)與實(shí)例詳解[M],中國(guó)水利水電出版社，2005 ［6］張方瑞，ANSYS8.0應(yīng)用基礎(chǔ)與實(shí)例教程[M],電子工業(yè)出版社[M],電子工業(yè)出版社，2006.9 ［7］陳精一，ANSYS工程分析實(shí)例教程[M]，中國(guó)鐵道出版社，2006.8 ［8］段進(jìn)，倪棟，王國(guó)業(yè)，ANSYS10.0結(jié)構(gòu)分析從入門(mén)到精通[M],2006.10 ［9］saeed moaveni著,Finite element Analysis Theeory and Application with ANSYS,Third Edition[M]，電子工業(yè)出版社,2008.1 ［10］張朝暉，ANSYS11.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析[M]，第二版，機(jī)械工業(yè)出版社，2008.1 ［11］張洪信，趙清海，ANSYS有限元分析完全自學(xué)手冊(cè)[M],機(jī)械工業(yè)出版社，2008.3 [12] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2001：158～200 致 謝 轉(zhuǎn)眼間，大學(xué)四年很快就要結(jié)束了。而作為大學(xué)生活的最后一個(gè)環(huán)節(jié)—畢業(yè)設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)緊張準(zhǔn)備，也將接近尾聲。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我不但鞏固了以前所學(xué)的知識(shí)，并從中學(xué)到了很多新的東西，在這里，我向那些在這四年里給于過(guò)我巨大幫助的老師和同學(xué)們表示衷心的感謝，正是他們的幫忙才讓我得以圓滿的完成四年的學(xué)業(yè)和最后的畢業(yè)設(shè)計(jì)。 在這次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，指導(dǎo)老師周建立一直都關(guān)注著我的每一步進(jìn)展，并給了我很多好的意見(jiàn)和建議，同時(shí)也對(duì)我提出了嚴(yán)格的要求。我之所以能很順利地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，這與周老師的指導(dǎo)是分不開(kāi)的，在此，我對(duì)他表示感謝。 另外，遇到技術(shù)困難的時(shí)候，專業(yè)的老師們也給了我很多幫助。其實(shí)他們中我大多都不認(rèn)識(shí)，平時(shí)很陌生，但在懇求他們幫助的時(shí)候，他們卻無(wú)微不至，因此我非常感謝他們。 - 39 - 第三屆中國(guó) CAE 工程分析技術(shù)年會(huì)論文集 485 汽車變速 器二軸有限元分析 魯守衛(wèi) 業(yè)紅玲 (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 合肥 230036) 摘要摘要摘要摘要 ： ： 在 Unigraphics 軟件中建立二軸三維模型 ，通過(guò)接口程序?qū)⒛Ｐ蛯?dǎo)入 ANSYS 環(huán)境中 ，建立二軸 有限元 模型 。運(yùn)用有限元理論對(duì)二軸進(jìn)行了彎曲和扭轉(zhuǎn)工況的計(jì)算 ，獲得對(duì)應(yīng) 工況下的應(yīng)力 、應(yīng)變 、扭 矩情況 。對(duì)二軸 進(jìn)行了模態(tài)分析 ，得出 基本振型和相關(guān)頻率 。探討 了其 受力特性和 動(dòng)態(tài)性能 ，為結(jié)構(gòu)優(yōu) 化和改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù) 。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 ： ：二軸 有限元 模態(tài)分析 Finite Element Analysis of Vehicle Transmission Output Shaft Lu Shou-Wei , Ye Hong-Lin Engineering College of Anhui Agricultural University Hefei 230036 China, Abstract:Out Shaft three-dimensional mode is built by software Unigraphics. The software Ansys is used to build the finite element mode of the output shaft. Calculations have been done in regard to plane bending and utmost torsion of output shaft based on the finite element method. Modal analysis is researched. The mode shapes and frequency of the output shaft are obtained as well as the distribution of stress, strain, torsion moment. The dynamic characteristics and the static characteristics are discussed after calculations. Reliably theoretical basis for the improvement of design is provided and proposal for optimization is offered. Key words: Output Shaft Finite Element Method Modal Analysis 1 前言前言前言前言 變速箱是用來(lái)改變發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的 ，目的是使汽車在不同的行駛工 況下獲得不同的牽引力和速度 。二軸是汽車變速箱中傳遞扭矩的關(guān)鍵零件 ，其結(jié)構(gòu) 剛度 直接 影響 變速器正常工作 ，導(dǎo)致 齒輪磨損和 工作噪聲 變大 。因此對(duì)二軸進(jìn)行結(jié)構(gòu) 剛度 特性 分析 十 分必要 。結(jié)構(gòu) 剛度 特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性 ，靜態(tài)特性是指固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu) 的效應(yīng) ，即由于穩(wěn)態(tài)外載引起的系統(tǒng)或部件的位移 、應(yīng)力 、應(yīng)變和力 。動(dòng)態(tài)特性是指隨時(shí)間 變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響 ，主要用模態(tài)頻率來(lái)衡量 。利用有限元分析方法可以充分解 析二軸的結(jié)構(gòu) 剛度 特性 。其分 析結(jié)果 對(duì)二軸結(jié)構(gòu)和尺寸的優(yōu)化 ，以及 使其 具備良好的動(dòng)靜態(tài) 特性有著重要的意義 。 2 二軸有限元模型建立二軸有限元模型建立二軸有限元模型建立二軸有限元模型建立 在對(duì) 汽車變速器二軸進(jìn)行 有限元分析時(shí) ,首先要 建立準(zhǔn)確的實(shí)體模型 。按照 變速器二軸的二維圖尺寸 ， 用Unigraphics軟件進(jìn)行 三維實(shí)體 建模 。實(shí)體三維圖如 圖1所示 。在建立有限元模型前要對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行合理 簡(jiǎn)化 ，一些微小的細(xì)節(jié)可以忽略 ，這對(duì)分析精度的影 響不大 。這樣 既可以節(jié)省時(shí)間又保證了精度 。然后將 建立好的模型導(dǎo)入 ANSYS中。根據(jù)表 1所示的材料參數(shù) 選用單元類型為六面體 20節(jié)點(diǎn)的 Solid186單元 。進(jìn)行 有限元 網(wǎng)格劃分 （如圖 2所示 ），單元總數(shù) 25285，節(jié) 點(diǎn)總數(shù) 37628。 圖1 二軸三維實(shí)體圖 第三屆中國(guó) CAE 工程分析技術(shù)年會(huì)論文集 486 表 1 二軸材料參數(shù) 圖 2 有限元模型 3 計(jì)算工況選擇計(jì)算工況選擇計(jì)算工況選擇計(jì)算工況選擇 3 1 靜態(tài)載荷工況分析靜態(tài)載荷工況分析靜態(tài)載荷工況分析靜態(tài)載荷工況分析 汽車在行駛過(guò)程中 ，由于各個(gè)檔位上的齒輪要受圓周力 、徑向力和軸向力作用 ，則二軸 既要承受轉(zhuǎn)矩又要承受彎矩 ，產(chǎn)生彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形 。如果二軸 剛度 不夠 ，就會(huì)影響正常 工作并產(chǎn)生不良后果 。在計(jì)算前 ，要進(jìn)行工況分析和載荷與約束的施加 。 3 1 1 彎曲工況彎曲工況彎曲工況彎曲工況 二軸為齒輪軸 ，其彎曲工況發(fā)生在 工作時(shí)二軸的 垂直振動(dòng)和 由齒輪傳遞的徑向力 作用在 軸上時(shí) 。計(jì)算彎曲剛度時(shí) ，采用約束和載荷為 ：在兩端軸頸處約束 6個(gè)方向的自由度 ，在載荷 施加處約束除 Z向外的所有 5個(gè)方向的自由度 。載荷施加位置為軸的中心處 。 3 1 2 扭轉(zhuǎn)工況扭轉(zhuǎn)工況扭轉(zhuǎn)工況扭轉(zhuǎn)工況 扭轉(zhuǎn)工況發(fā)生在汽車行駛過(guò)程中 ，駕駛員根據(jù)路況不同反復(fù)換檔時(shí) 。計(jì)算扭轉(zhuǎn)剛度時(shí) ， 采用約束和載荷為 ：在 Z正向的軸頸處約束 6個(gè)方向的自由度 ，在 Z負(fù)向的軸頸處約束除 X向轉(zhuǎn) 動(dòng)外的其它自由度 。載荷施加在 軸頭齒輪上和花鍵聯(lián)接處 。 3 2 動(dòng)態(tài)載荷工況動(dòng)態(tài)載荷工況動(dòng)態(tài)載荷工況動(dòng)態(tài)載荷工況 分析分析分析分析 動(dòng)態(tài)分析即進(jìn)行 模態(tài)分析 ，主要用于確定結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性 ，模態(tài)分析方法就 是將線性定常系統(tǒng)振動(dòng)微分方程中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo) ，使方程組解耦 ，成為一組用 模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程 ，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù) 。模態(tài)分析主要包括四個(gè)步 驟（ 1）建立模型 ；（ 2）加載并求解 ；（ 3）擴(kuò)展模態(tài) ；（ 4）觀察結(jié)果 。 多自由度系統(tǒng)的一般方程為 ： M x C x K x f+ + =& & （ 1） 式中 x q= ， 、 q 分別為模態(tài)矩陣和模態(tài)坐標(biāo) ，上式可變換為模態(tài)解耦方程 ： 2 0 0 2 0 0 T n nq q q f + = O O & & O O （ 2） 其中 ，第 r 階模態(tài)方程為 ： 材料 20CrMnTi 彈性模量 3206 10 Mpa 泊松比 0 3 密度 3 37.8 10 kg m 屈服極限 840 Mpa 剛度 極限 1080 Mpa 第三屆中國(guó) CAE 工程分析技術(shù)年會(huì)論文集 487 ( )2r r r r rK M j C q F + = （ 3） 式中 Tr rF f= ， rM ， rK ， rC 分別為模態(tài)質(zhì)量 、剛度和阻尼 。由（3）式得 ： ( )2 rr r r r Fq K M j C = + （ 4） 則結(jié)構(gòu)上某點(diǎn)的響應(yīng)為 ： ( ) 1 n l lr r r x q = = （ 5） 4 靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài) 剛度剛度剛度剛度 與模態(tài)分析結(jié)果及評(píng)價(jià)與模態(tài)分析結(jié)果及評(píng)價(jià)與模態(tài)分析結(jié)果及評(píng)價(jià)與模態(tài)分析結(jié)果及評(píng)價(jià) 4 1 彎曲工況結(jié)果分析彎曲工況結(jié)果分析彎曲工況結(jié)果分析彎曲工況結(jié)果分析 最大應(yīng)力發(fā)生在 直徑變化處 （如圖 3），是由 于軸徑變化較大 造成的 ，最大應(yīng)力為 138.27MPa， 20CrMnTi材料的屈服強(qiáng)度為 840MPa，則安全系數(shù)為 6.07 S， S為復(fù)合安全系 數(shù)， S1.5 1.8，則滿足剛度的需求 。最大垂直位移發(fā)生在 花鍵 B處，最大水平位移在 齒輪后 端（如圖 4 ）， 最大 位移為 0.0122mm，變形量小于 許用繞度 y=(0.01 0.03)m， m齒輪模數(shù) ， m=2.25。符合彎曲剛度要求 。 圖 3 二軸 彎曲工況 應(yīng)力云圖 圖 4 二軸 彎曲工況 變形圖 4 2 扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果 分析分析分析分析 扭轉(zhuǎn)工況下 ，高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在 軸頭與花鍵軸過(guò)渡處 以及軸徑變化處 (如圖 5)，最大應(yīng)力 在軸頸與齒輪結(jié)合部位 。由于 齒輪 與軸頸 過(guò)渡直徑相差過(guò)大 造成 。變形圖 （如圖 6所示 ），最 大扭轉(zhuǎn)在 齒輪 后端的軸身 處。變形量為 0.00102mm。符合扭轉(zhuǎn)剛度要求 。 圖 3 二軸扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖 圖 4 二軸扭轉(zhuǎn)工況變形圖 第三屆中國(guó) CAE 工程分析技術(shù)年會(huì)論文集 488 4 3 模態(tài)分析及結(jié)果模態(tài)分析及結(jié)果模態(tài)分析及結(jié)果模態(tài)分析及結(jié)果 按上述建立的有限元模型 對(duì)二軸 進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析 ，分析頻率為 0 2000Hz。利用 Block Lanczos 方法提取 10 階模 態(tài)，表 1 為二軸 的計(jì)算固有頻率 。 由計(jì)算結(jié)果可以看出 ， 200Hz 以下有 2 表 1 二軸的計(jì)算固有頻率 階模態(tài) ， 200 1000Hz 有 4 階模態(tài) ， 1000 1500Hz 有 1 階模態(tài) ， 1500 2000Hz 有 2 階 模態(tài) 。在 200 1000Hz 間有 4 階模態(tài) ，較為 密集 。由于較低階的振型對(duì)結(jié) 構(gòu)振動(dòng)的影響 程度要高于高階振型 ，因此低階模態(tài)決定了結(jié) 構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性 。第 1 階和第 2 階振型頻率間隔 較小 ，易引起振動(dòng)疊加 。而 200 1000Hz 間模態(tài)密集 ，極其容易 與其它零部件作用 引起 共振 。這些都嚴(yán)重影響 變速器 的工作 。嚴(yán)重時(shí) 會(huì)導(dǎo)致二軸的斷裂 ，在二軸 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免 這些情況的發(fā)生 。 5 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ) （ 1）針對(duì)汽車變速器二軸進(jìn)行力有限元靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)特性分析 ，其分析結(jié)果為結(jié)構(gòu)改 進(jìn)和優(yōu)化提供理論參考 。需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論分析的結(jié)果 。 （ 2）二軸的剛度符合要求 ，甚至還有一些剛度富余 ，因此在輕量化設(shè)計(jì)上有很大的潛力 和空間 。從工況分析的結(jié)果來(lái)看 ，軸的設(shè)計(jì)和載荷的布置方面還有待改進(jìn) 。 （ 3）通過(guò)模態(tài)分析得出二軸的固有頻率 ，避免與其它零部件或車身發(fā)生共振耦合 。 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) : 1 徐灝主編 . 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) (二版 , 第4卷) M . 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 2000, 6 2 謝逸泉 . 利用有限元分析軟件 ANSYS計(jì)算軸的剛度 J. 現(xiàn)代機(jī)械 ,2005,(1): 5556 3 易日編著 . 使用 ANSYS6. 1進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析 M. 北京 :北京大學(xué)出版社 , 2002, 11 4 韋德駿 . 材料力學(xué) M. 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 , 1996, 5 作者作者作者作者 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 ： ： 姓名 ：魯守衛(wèi) 單位 ：中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 電話 ： 022-84771717（辦公室 ） 13662142845（手機(jī) ） 電子郵箱 ： 地址 ：天津市 59號(hào)信箱中國(guó)汽車技術(shù)研究中心科研處王務(wù)林轉(zhuǎn)魯守衛(wèi) 階次 頻率 （ HZ） 1 166.4 2 188.3 3 417.5 4 574.3 5 709.4 6 936.4 7 1004.3 8 1436.8 9 1887.5 10 1926.6