HGC1050万向传动轴结构设计

1、 本科学生毕业设计HGC1050万向传动轴结构设计 系部名称： 汽车与交通工程学院 专业班级： 车辆工程 B07-2班 学生姓名： 刘晓东 指导教师： 苏清源 职 称： 副教授 黑 龙 江 工 程 学 院二一一年六月The Graduation Design for Bachelor's DegreeHGC1050 Universal Shafts Structure DesignCandidate：Liu Xiao DongSpecialty： Vehicle EngineeringClass： B07-2Supervisor：Associate Prof. Su Qing yuan

2、Heilongjiang Institute of Technology2011-06·Harbin摘 要万向传动装置是汽车传动系统中的重要组成部分，万向传动装置位于变速箱和驱动桥之间，一般由万向节、传动轴和中间支承组成。万向节能实现变角度动力传递；传动轴把变速器的转矩传递到驱动桥上；中间支承能补偿传动轴轴向和角度方向的安装误差和车辆行驶过程中由于发动机窜动或车架等变形所引起的位移。万向传动装置的功用是在汽车行驶过程中，在轴间夹角及相互位置经常发生变化的两个转轴之间传递动力。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

3、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Pro/E建模和有限元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设计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 ABSTRACTThe automobile universal transmission device is in the automobile transmission system important constituent,is l

4、ocated between the gear box and the driving axle . Generally by the universal joint, the drive shaft and the middle supporting is composed. The universal joint energy conservation realization changes the angle power transmission;Transmit the torque of the gear box to the transaxle with drive shaft;T

5、he middle supporting can compensate the drive shaft axial and the angle direction in the wiring error and the vehicles travel process because the engine flees moves the displacement which or distortions and so on frame causes. The rotary transmission device function is in the automobile travel proce

6、ss, the included angle and the mutual position changes between the revolution axis in the axis between to transmit the power frequently.This article mainly is carries on the design to the automobile cross shaft type rotary transmission device. According to vehicles exploitation conditions and vehicl

7、es 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 o

8、n 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 Pro/E and ANSYS software to carry on the structure analysis, Carries on the improvement d

9、esign according to the analysis result to the rotary transmission device to obtain the reasonable design proposal.Keywords: Universal Transmission Device; Cross Axle; Universal Joint; Transmission shaft; Finite Element Analysis目 录摘要IAbstractII第1章 绪 论11.1 概 述11.2汽车传动轴的国内外研究现状21.3研究汽车万向传动轴的目的和意义3研究汽车万

10、向传动轴的目的3研究汽车传动轴的意义31.4 万向传动轴的结构特点及基本要求41.5本课题研究的主要内容5第2章 汽车传动轴的结构方案分析与选择72.1汽车传动轴的结构方案概述7万向节与传动轴的结构型式7传动轴管、伸缩花键及中间支承结构型式7万向节类型102.2传动轴设计方案122.3本章小结13第3章 万向传动轴的设计143.1HGC1050汽车的主要技术参数143.2传动轴总成设计计算及校核15传动轴计算载荷的确定15传动轴轴管的选择及校核163.2.3中间支承的结构设计213.3十字轴总成的设计计算及校核24万向节的受力分析24十字轴万向节的设计及校核26十字轴滚针轴承的校核27万向节叉

11、的设计及校核28第4章 传动轴总成建模与装配304.1 Pro/ENGINEER软件简介304.2利用ProENGINEER软件进行三维实体建模31十字轴的创建31凸缘叉的创建31轴承差的创建32传动轴管的创建324.2.5带花键的传动轴管的创建33第5章 万向传动装置的有限元静力学分析345.1 ANSYS软件简介345.2Pro/E与ANSYS接口的创建345.3利用ANSYS对望向传动装置进行有限元受力分析365.3.1十字轴有限元受力分析365.3.2凸缘叉有限元受力分析405.3.3传动轴有限元受力分析415.4本章小结42结 论43参考文献44致 谢45附录A 外文文献46附录B

12、外文文献翻译49第1章 绪 论1.1 概述万向节传动用于在不同轴心的两轴间甚至在工作过程中相对位置不断变化的两轴间传递动力。例如，在某些重型汽车和越野汽车上，根据总布置的要求需将离合器与变速器、变速器与分动器之间拉开一定距离时，考虑到在它们之间很难保证轴与轴能同心以及安装基体即车架也可能发生变形，因此在这些总成之间就应采用万向节传动。此时常采用普通十字轴万向节，也有采用挠性万向节的，其工作夹角一般不大于。前置发动机后轮驱动的汽车在行驶过程中，由于悬架的不断变形，变速器与驱动桥的相对位置(高度和距离)也在不断变化，因此它们之间需要用可伸缩的万向传动轴联接。这时当联接的距离较近时，常采用两个万向节

13、和一根可伸缩的传动轴；当距离较远而使传动轴的长度超过1.5时，常将传动轴分成两根或三根，用三个或四个万向节，且后面一根传动轴可伸缩，中间传动轴应有支承，万向节所联的两轴之间的夹角，对一般载货汽车不应超过，对于短轴距的4×4越野汽车，最大可达。对于又要转向又要驱动的转向驱动桥，左、右驱动车轮需要随汽车行驶的轨迹而改变方向，这时多采用球笼式或球叉式等速万向节传动，其最大夹角即车轮的最大转角可达。万向节传动还用于带有摆动半轴的驱动桥、转向轴传动机构及动力输出装置等。 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

14、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8。本课题使用CAD、Pro/E、ANSYS技术对万向传动装置进行设计，实现了设计与制造的一体化，具有明显的优越性。在缩短了设计周期的同时，实现了标准化，通用化，系列化，提高了加工效率及加工质量，有利于提高企业自身应变能力和市场竞争力，给企业带来综合效率。通过对HGC1050万向传动装置的设计，能够使我熟练地掌握CAD、Pro/E、ANSYS在生产实践中的应用，锻炼自己分析问题解决问题的能力。解放汽车万向传动装置正广泛应用于各种车辆上，使汽

15、车传动性能显著提高，因此，对此课题的研究具有十分重要的意义。1.2汽车传动轴的国内外研究现状万向传动轴在汽车上的应用比较广泛。发动机前置后轮或全轮驱动汽车行驶时，由于悬架不断变形，变速器或分动器的输出轴与驱动桥输入轴轴线之间的相对位置经常变化，因而普遍采用可伸缩的十字轴万向传动轴；某些汽车根据总布置要求需要将离合器与变速器、变速器与分动器拉开一段距离，顾及到它们之间很难保证轴与轴同心及车架的变形，所以常采用十字轴万向传动轴或挠性万向传动轴；对于转向驱动桥，左、右驱动轮需要随汽车行驶轨迹变化而改变方向，多采用等速万向传动轴。依据在扭转方向上是否有明显的弹性，万向节分为刚性万向节和挠性万向节。刚性

16、万向节又分为不等速万向节（十字轴式）、准等速万向节（双联式、凸块式、三销式、球面滚轮式）和等速万向节（球叉式、球笼式）。其中十字轴式万向节是目前在汽车上应用最广泛的；双联式万向节在越野车转向驱动桥应用增多；球笼式万向节在轿车转向驱动桥得到广泛应用。刚性万向节是靠零件的铰接式连接传递动力；挠性万向节是靠弹性零件传递动了的，具有缓冲减振作用。单十字轴万向节传动的不等速，使从动轴及其相连的部件产生扭转振动，影响部件寿命，所以常采用双十字轴万向节来实现等速传动。等速万向节是从结构上保证在其工作中，其传力点总位于两轴交角的平分面上；这也是以后的发展方向。这次课题设计中选的是目前汽车上应用广泛的十字轴万向

17、节。传动轴高速转动时，在离心力的作用下长生剧烈振动；所以，传动轴与万向节装配后，必须满足动平衡要求。传动轴过长时，自振频率较低，易产生共振；通常将传动轴分成两段并加中间支承。蜂窝软垫式中间支承应用较广泛。有的汽车也采用摆动式中间支承。有限元方法在汽车产品开发中的应用非常广泛，主要在汽车上有以下几种应用：（1）结构静力分析 这是在车辆及其发动机的各种零部件设计中最常见的问题，也是应用最为广泛的领域，即分析计算结构与时间无关的应力分布与变形情况。如齿轮轮齿、钢板弹簧、车桥、飞轮、传动轴的静力分析。（2）结构动力学分析 一是求解结构或系统本身的动态特性，如固有频率、振型等，这对分析与解决振动问题是十

18、分重要的；二是强迫响应分析，即结构在动载的作用下的响应，这较静力分析更接近于车辆及其发动机中的许多零部件的实际工作情况，但一般计算量也将增加许多倍。随着对环境问题的益重视，在车辆及发动机的设计中已普遍采用各种分析工具，采取各种有效措施，来改善和减少车辆的振动和噪声。例如车辆动力装置的动态性分析等。（3）温度场分析 分析结构内部温度的分布情况以及热应力和热变形的情况，包括稳态和瞬态的问题，例如可应用于发动机中的活塞、气缸盖等燃烧室附近的零部件。在进行这类零部件的强度刚度分析计算时，不仅要考虑机械负荷而且还要同时考虑热负荷。（4）流场分析 是有限元方法在流体力学领域中的应用。一般流场分析是非线性问

19、题，较为复杂。解决流体力学中的问题应用较多的是有限差分法与可以认为是介于有限差分法和有限元方法之间的有限容积法。这一类问题的应用实例有车辆外形对行驶阻力的影响的分析、对发动机冷却系统的分析等。对产品的结构、工艺参数、结构形状参数进行分析与优化，可在产品设计初期对其刚度和强度有充分的认识，使产品在设计过程就可保证使用要求，缩短设计试验周期，节省试验和生产费用。它在汽车产品开发中应用使得汽车在轻量化、舒适性、经济性与操纵稳定性等方面得到改善及提高。1.3研究汽车万向传动轴的目的和意义研究汽车万向传动轴的目的中国汽车工业的迅猛发展，车型的多样化、个性化已经成为发展趋势。我国汽车业的高速发展，带动我国

20、汽车传动轴需求持续大幅增长。汽车传动轴市场潜在需求与潜在机会，整个产业规模具有非常大的扩展空间，单个企业规模也会越来越大。在这样的一个背景下，中国汽车传动轴发展前景一片光明。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。而传动轴及万向节的设计装配不良将产生振动和噪声，因此该总成设计是汽车设计中重要的环节之一。本题是依据现有生产企业在生产车型的万向传动装置作为设计

21、原型，在给定变速器输出转矩、转速及发动机和主减速器安装位置等条件下，学生独立设计出符合要求的万向传动装置，着重设计计算万向节的结构参数及对其进行了校核计算。在对各种结构件进行了分析计算后，绘制出该总成装配图及主要零件的零件图。研究汽车传动轴的意义本课题使用CAD、Pro/E、ANSYS技术对万向传动装置进行设计，实现了设计与制造的一体化，具有明显的优越性。在缩短了设计周期的同时，实现了标准化，通用化，系列化，提高了加工效率及加工质量，有利于提高企业自身应变能力和市场竞争力，给企业带来综合效率。通过HGC1050万向传动装置的设计，能够使我熟练地掌握CAD、Pro/E、ANSYS在生产实践中的应

22、用，锻炼自己分析问题解决问题的能力。汽车万向传动装置正广泛应用于各种车辆上，使汽车传动性能显著提高，因此，对此课题的研究具有十分重要的意义。1.4万向传动轴的结构特点及基本要求万向传动轴一般是由万向节、传动轴和中间支撑组成。主要用于工作过程中相对位置不断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输入轴两轴线夹角的变化，并实现两轴的等角速传动。一般万向节由十字轴、十字轴承、凸缘叉及轴向定位件和橡胶密封件等组成。传动轴是一个高转速、少支承的旋转体，因断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。重型载货汽车根据驱动形式的不同选择不同型式的

23、传动轴。一般来讲4×2驱动形式的汽车仅有一根主传动轴。6×4驱动形式的汽车有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴。6×6驱动形式的汽车不仅有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴，而且还有前桥驱动传动轴。在长轴距车辆的中间传动轴一般设有传动轴中间支承它是由支承架、轴承和橡胶支承组成。传动轴是由轴管、伸缩套和万向此它的动平衡是至关重要的。一般传动轴在出厂前都要进行动平衡试验，并在平衡机上进行了调整。因此，一组传动轴是配套出厂的，在使用中就应特别注意。其基本结构如图1.1所示图1.1 万向传动装置的工作原理及功用图1.2 变速器与驱动桥之间的万向传动装置基本要求：1.保

24、证所连接的两根轴的夹角及相对位置在一定范围内变动时，能可靠而稳定地传递动力。 2.保证传动尽可能同步，所连接两轴尽可能等速运转。3.由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和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。 4.传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。万向传动装置有极其广泛的应用，发动机前置后轮或全轮驱动汽车行驶时，由于悬架不断变形，变速器或分动器的输出轴与驱动桥输入轴轴线之间的相对位置经常变化，因而普遍采用可伸缩的十字轴万向传动轴；某些汽车根据总布置要求需将离合器与变速器、变速器与分动器之间拉开一端距离，考虑到它们之间很难保证轴与轴同心及车架的变形，所以常采

25、用十字轴万向传动轴或挠性万向传动轴；对于转向驱动桥，左、右驱动轮需要随汽车行驶轨迹变化而改变方向，这时多采用等速万向传动轴。如图1.3所示图1.3 万向节在汽车上的各种应用1.5本课题研究的主要内容依据现有生产企业在生产车型的万向传动装置作为设计原型，在给定变速器输出转矩、转速及发动机和主减速器安装位置等条件下，独立设计出符合要求的万向传动装置，着重设计计算万向节的结构参数及对其进行了校核计算。对汽车万向传动轴的运动特性，技术难题，制造工艺，使用寿命影响因素，失效形式，进行深入系统的分析。在设计过程中避免振动，传动动轴断裂，十字轴折断，及滚针轴承过早损坏等问题。运用传统设计方法完成对传动轴的计

26、算校核，传动轴滑动花键的设计计算。万向节叉及十字轴的计算校核。利用相关书籍资料完成对十字轴的设计及校核，传动轴滑动花键和万向节的润滑方案的选择与设计。第2章 汽车传动轴的结构方案分析与选择2.1汽车传动轴的结构方案概述万向节与传动轴的结构型式汽车后驱动桥的万向节传动装置通常称为汽车的万向传动轴或简称为传动轴，它由万向节、轴管及其伸缩花键等组成。对于长轴距汽车的分段传动轴，还需有中间支承。如图2.1所示传动轴管、伸缩花键及中间支承结构型式传动轴管由壁厚均匀易平衡、壁薄(1.53.0mm)、管径较大、扭转强度高、弯曲刚度大、适于高速旋转的低碳钢板卷制的电焊钢管制成如图2.1所示。图2.1 汽车传动

27、轴的结构图(a)带有中间支承并有两根轴管的分段传动轴；(b)具有一根轴管的传动轴1万向节；2传动轴管；3平衡片；4伸缩轴管；5防尘罩；6十字轴；7中间支承伸缩花键具有矩形或渐开线齿形，用于补偿由于汽车运动时传动轴两端万向节之间的长度变化。当承受转矩的花键在伸缩时，产生轴向摩擦力为。 (2.1)式中： 传动轴所传递的转矩； 花键齿侧工作表面的中径； 摩擦系数。由于花键齿侧工作表面面积较小，在大的轴向摩擦力作用下将加速伸缩花键的磨损，引起不平衡及振动。应提高键齿表面硬度及光洁度，进行磷化处理、喷涂尼龙，改善润滑。可减小摩擦阻力及磨损。也有用滚珠或滚柱的滚动摩擦代替花键齿间的滑动摩擦的结构如图2.2

28、所示。图2.2 带有滚柱的汽车传动轴1滚柱；2带有滚柱内滚道的传动轴管；3带有滚柱外滚道的轴管花键应有可靠的润滑及防尘措施，间隙不宜过大，以免引起传动轴振动。内、外花键应对中，为减小键齿摩擦表面间的压力及磨损应使键齿长与其最大直径之比不小于2。花键齿与键槽应按对应标记装配，以免破坏传动轴总成的动平衡。动平衡的不平衡度由点焊在轴管外表面上的平衡片补偿。装车时传动轴的仲缩花键一端不应靠近后驱动桥，而应靠近变速器或中间支承，以减小其轴向摩擦力及磨损。中间支承用于长轴距汽车的分段传动轴，以提高传动轴的临界转速，避免共振，减小噪声。它安装在车架横梁或车身底架上，应能补偿传动轴的安装误差及适应行驶中由于弹

29、性悬置的发动机的窜动和车架变形引起的位移，而其轴承应不受或少受由此产生的附加载荷。以前中间支承多采用自位轴承，目前则广泛采用坐于橡胶弹性元件上的单列球轴承如图2.1，图2.3。橡胶弹性元件能吸收传动轴的振动，降低噪声，承受径向力，但不能承受轴向力。设计时应合理选择支承刚度，避免在传动轴常用转速内产生共振。摆臂式中间支承的摆臂用于适应中间传动轴轴线在纵向平面内的位置变化如图2.4。6×6越野汽车传动轴的中间支承常安装在中驱动桥壳上,多采用两个圆锥滚子轴承，轴承座应牢固地固定在中桥壳上如图2.5所示。 图2.3 汽车传动轴的中间支承(a)传动轴及其中间支承；(b)-(e)中间支承方案1一

30、挠性万向节；2、4一前、后传动轴；3一弹性中间支承；5一平衡片；6一橡胶套；7一横梁图2.4 摆臂式中间支承圈2.5 越野汽车传动轴的中间支承万向节类型汽车用万向节分为刚性的、挠性的、等速的和不等速的几种。汽车除转向驱动桥及带有摆动半轴的驱动桥的分段式半轴多采用等建万向节外，一般驱动桥传动轴均采用一对十字轴万向节。1、普通十字轴万向节普通十字轴万向节如图2.6所示，由两个万向节叉及联接它们的十字轴、滚针轴承及讷封等组成。其结构简单，传动效率高。十字轴万向节的损坏形式主要是十字轴轴颈和滚针轴承的磨损，以及十字轴轴颈和滚针轴承碗工作表面的压痕和剥落。通常认为当磨损或压痕超过0.25时，十字轴万向节

31、就应报废。为了提高其使用寿命。出现了各种有效的组合式润滑密封装置，以润滑和保护十字轴轴颈与滚针轴承如图2.7。 轿车和轻型客、货车常于装配时封入润滑脂润滑以减少车辆的润滑点，这时应采用密封效果较好的双刃口或多刃口橡胶油封。当需定期加注润滑脂时，应如图2.7所示将油封反装以利在加注润滑脂时能将陈油和磨损产物排出。轴蕊中的滚针直径的差值应控制在0.003以内，否则会加重载荷在滚针间的分配不均匀性。滚针轴承的径向间隙过大会使受载的滚针数减少及引起滚针歪斜，间隙过小则可能受热卡住，合适的间隙为0.0090.095。滚针的用向总间隙取0.080.30为宜。重型汽车有时采用较粗的滚针并分成两段以提高其寿命

32、，也有以滚柱代替滚针的结构。为防止十字轴轴向窜动及避免摩擦发热，有的在十字轴轴端和轴承碗之间加装端面滚针轴承。 图2.6 普通十字轴万向节图3.5 十字轴及万向节叉的计算用图(a) 十字轴；(b) 万向节叉十字轴的弯曲应力应不大于；剪切应力应不大于，由钢或20CrMnTi，等低碳合金钢制造，经渗碳淬火处理，表面硬度。将已知数据代入（3.22）、（3.23）得： 因此，十字轴的强度满足设计要求。十字轴滚针轴承的校核十字轴滚针轴承中的滚针直径通常不小于1.6，以免压碎，而且尺寸差别要小，否则会加重载荷在滚针间分配的不均匀性，公差带控制在0.003以内。滚针轴承径向间隙过大时，承受载荷的滚针数减少，

33、有出现滚针卡住的可能性；间隙过小又有可能出现受热卡住或因赃物阻塞卡住。合适的间隙为，滚针轴承的周向总间隙以为好。滚针的长度一般不超过轴颈的长度，这可使其既具有较高的承载能力，又不致因滚针过长发生歪斜而造成应力集中。滚针在轴向的游隙通常不应超过。十字轴滚针轴承的接触应力为 （3.24）为合力作用下一个滚针所受到的最大载荷，有下式确定 =5440.15N （3.25）式中： 滚针直径，； 滚针的工作长度，； 十字轴轴颈直径。因此 滚针轴承的许用载荷检验按下式进行： （3.26）式中：滚针数，；滚针的直径和工作长度，；发动机在最大转矩下的转速，；自发动机至万向节间的变速机构的低档传动比，；万向节工作

34、夹角，。因此十字轴滚针轴承满足设计要求。万向节叉的设计及校核万向节叉在力作用下承受弯曲和扭转载荷，在截面B-B处，见图3.5(b)的弯曲应力和扭转应力分别为 （3.27） （3.28）式中：抗弯截面系数和抗扭截面系数，对于矩形截面：；对于椭圆形截面：；矩形截面的高及宽或椭圆形截面的长、短轴； 与有关的系数，见表3.3。表3.3 的关系h/b1.01.51.752.02.53.04.010k0.2080.2310.2390.2460.2580.2670.2820.312见图3.5(b)。万向节叉由中碳钢35，40，45或中碳合金钢制造，其弯曲应力不应大于5080，扭转应力不应大于80160。合应

35、力为 （3.29）取根据截面关系知； （3.30） （3.31）由式（3.27）、（3.28）、（3.30）、（3.31）得： 因此，通过各方面的计算与校核承受弯曲和扭转载荷满足设计要就，所以本设计的万向节叉的强度满足设计要求。第4章 传动轴总成建模与装配4.1 Pro/ENGINEER软件简介Pro/ENGINEER是美国参数技术公司（PTC）1988年首家推出的使用参数化的特征造型技术的大型CAD/CAE/CAM集成软件。近年来在我国大型工厂、科研单位和部分大学得到了较为普遍的应用，深受广大从事三维产品设计和研究人员的喜爱。是一个全方位的三维产品开发软件，集成了零件、产品装配、模具设计、数

36、控加工。钣金设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、电路布线、装配管路设计等功能模块和专有模块于一体，可以实现DFM (面向制造设计)、DFA（面向装配设计）、ID（逆向设计）、CE（并行工程）等先进的设计方法的特性。Pro/ENGINEER参数化设计的特性：3D（三维）实体模型：三维实体建模可以将用户的设计思想以最真实的三维模型在Pro/ ENGINEER中用户可以方便地对设计模型进行旋转、平移、缩放等操作，可以从各个不同的角度观察模型。另外，借助于Pro/ ENGINEER的系统参数，用户还可以随时计算出产品体积、重心、重量、模型大小，极大的方便了设计人员。单一

37、数据库：Pro/ENGINEER是建立在单一数据库上的。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部俩字一个库，在整个设计过程的任何一处发生变动，都会反应在整个产品设计制造过程的相关环节上，这样确保报数据的正确性、避免反复修改。这种特性的数据结构与工程设计制造的结合，使得整个产品的设计制造严谨、有序，大大缩短了产品的开发周期，优化了整个设计过程。能更快的对市场需求做出反应。基于特征：Pro/ENGINEER是一个采用参数化设计、基于特征的实体模型系统。在设计过程中，采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型。正是因为一特征呢个需哦为设计单元，用户可以随时对这些特征作出合理的修改和调整。这一功能特性给工

38、程设计人员提供了前所未有的简易和灵活。参数化设计：在Pro/ENGINEER中，配合单一数据库，所有在设计过程中所使用的尺寸都保存在数据库中，修改模型和工程图不再繁琐。设计人员只需要更改三维零件的尺寸，则二维工程图、三维装配图、模具等就会依照零件修改过的尺寸作出相应变化，避免了人为修改出现的疏漏情况。参数化设计还使得设计人员可以利用强大的数学运算方式，建立各尺寸的关系式，使得零件的设计更加简捷。4.2利用ProENGINEER软件进行三维实体建模十字轴的实体建模一般零件可以使用拉伸或旋转创建，本设计使用拉伸创建。第一步：草绘模型新建>零件>输入文件名>取消缺省>选择&g

39、t;进入零件模式。拉伸>放置>进入草绘>草绘二维模型，确定所绘图形准确无误后，点击确定。第二步：输入拉伸尺寸、拉伸特征，确定无误后确定拉伸。第三步：用各种命令实现十字轴轴径的创建。 图4.1 十字轴三维效果图凸缘叉的创建 三维图如图4.2所示 图4.2 凸缘叉三维效果图 轴承叉的创建三维图如图4.3所示 图4.3 轴承叉三维效果图 传动轴管的创建三维图如图4.4所示 图4.4 传动轴管与轴承差的三维效果图 带花键的传动轴管的创建三维图如图4.5所示 图4.5 带花键的传动轴管三维效果图第5章 万向传动装置的有限元静力学分析5.1 ANSYS软件简介ANSYS是一种应用广泛的通

40、用有限元工程分析软件。开发初期时为了应用与电力工业，现在其功能已经广泛应用于航空、电子、汽车、土木工程等各个领域，能够满足各行业有限元分析的需要。ANSYS有限元分析软件包括三个模块：前处理模块、分析计算模块、和后处理模块。功能完备预处理器和后处理器（又称与处理模块和后处理模块）使ANSYS具有多种多样的分析能力，包括简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析。可用来求结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题的解答。它还包括优化、估计分析等模块将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为解决现代工程学问题必不可少的工具15。5.2 Pro/E与ANSYS接口的创建利用ANSYS对结构进行有限元

41、分析时，通常需要将Pro/E建立的三维模型，导入ANSYS中进行分析。所以需要将Pro/E三维实体模型通过专用的模型数据转换接口导入到ANSYS中， Pro/E与ANSYS之间的接口技术常用的有以下两种：（1）Pro/E与ANSYS集成接口：ANSYS在默认的情况下是不能直接对Pro /E中的prt(或asm)文件进行直接转换的,必须通过以下对ANSYS设置连接过程进行激活模块:鼠标点击“开始程序ANSYS8.0UtilitiesANS_ADM IN”,出现如下图5.1的对话框,选择configuration optionsOK,接下来的对话框顺序选取。Configuration Connec

42、tion for Pro/EOK，ANSYSMultiphysics & WIN 32OK。图5.1 设置ANSYS连接过程完成后ANSYS提示已在自己的安装目录中成功生成config.anscon文件,如下图5.2所示,记完下config.anscon的路径。在接下来出现的对话框中“Pro/Engireer Installation path”选项后输入Pro/E的起始安装路径如“C: Program Files proeWildfire3.0 ”:“Language used with Pro /Enginee提示在Pro /E目录下建立了一个protk.dat文件。图5.2 Pr

43、o/E的起始安装路径点击确定完成配置,运行Pro /E,工具菜单后面出现了ANSYS8.0,说明连接成功了。运行Pro/E打开某零件三维模型图，点击ANSYS8.0下的ANSYSGeom按钮(如下图5.3所示)，则模型自动导入到ANSYS中，此时ANSYS8.0软件自动打开，点击Plot下的Volume，则模型导入成功。图5.3 导入界面（2）通过IGES( *.igs)格式文件导入：首先, 在Pro/E 环境下建立好零件模型或者完成零部件的装配, 然后, 选择主菜单【文件】下的【保存副本】子菜单, 弹出保存副本对话框后, 文件类型选择IGES( *.igs) ,在【新名称】框内为模型输入新名

44、称,点击【确定】按钮会弹出输出IGES对话框, 在输出IGES 对话框中可以设置输出图元的类型、参考坐标系以及IGES 文件结构。输出的图元类型有: 线框边、曲面、实体、壳、基准曲线和点, 缺省输出图元是曲面, 缺省是输出所有面组, 点击【面组.】选择特定面组输出。可以选择多种图元类型进行输出, 但是不能同时输出曲面和实体或者曲面和壳。单击【定制层.】按钮设置各层的输出特性。文件结构类型有: 平整、一级、所有级别、所有零件, 默认输出为平整。平整: 将组件的所有几何输出到一个IGES 文件。导入到另一个系统时, 该组件就担当一个零件的角色。应将每一个零件分别放到一个层上, 以便在接受系统中能加

45、以区别。一级: 输出一个组件的IGES 文件, 该文件只包含顶级几何( 如组件特征) 。所有级别: 输出一个组件的IGES 文件。用它可创建带有各自的几何和外部参照的元件零件和子组件。该选项支持所有层次。所有零件: 将一个组件作为多个文件输出到IGES, 这些文件中包含所有元件和组件特征的几何信息。零件使用相同的参照坐标系, 使接受系统中的重新装配更加容易。本次技能训练选择实体特征，然后点击【确定】完成。ANSYS 导入IGES( *.igs) 文件的方法有两种: 一种是通过ANSYS软件的用户界面操作导入; 一种是通过输入命令导入。本次技能训练可采用第一种方法。通过用户界面操作导入IGES

46、的步骤是:选择主菜单【File】下的子菜单【Import】的次级子菜单【IGES.】, 弹出导入IGES 属性设置对话框, 在导入IGES 属性设置对话框中可以设置: 是否导入所有数据，是否合并图元, 是否创建实体，是否删除小面。点击【OK】按钮弹出文件路径选择对话框,在文件路径选择对话框中选择好所需精度, 输入IGES 文件路径后, 点击【OK】按钮完成IGES 文件导入。5.3 利用ANSYS对万向传动装置进行有限元受力分析由前面的分析可知，十字轴、万向节和传动轴是万向传动装置中重要的结构件，受力条件较恶劣。所以利用有限元进行分析时，主要分析十字轴、万向节和传动轴即可。5.3.1 十字轴有

47、限元受力分析十字轴式万向节的主动轴及被动轴均向十字轴施加两对力，它们构成两对大小相等、方向相反的力偶。这两对力偶矢量处于主动轴与被动轴所决定的平面内，如不计两轴倾角(很小，可忽略)，则构成两力偶的力均处于十字轴轴线平面内。十字轴受力情况如图5.4。图5.4 十字轴受力图通过PRO/E与ANSYS建立的通道导入ANSYS进行分析如图5.5所示。图5.5 PRO/E导入ANSYS通道1、定义属性 单元属性主要包括：单元类型、实常数、材料常数。典型的实常数包括：厚度、横截面面积、高度、梁的惯性矩等。材料属性包括：弹性模量、泊松比、密度、热膨胀系数等。这次定义属性只用到其中的几项。（1）Prefere

48、nces/Structural； （2）Preprocessor/Element Type/ADD Edit Delete/Library of Element Types 第一对话框选择Structural Solid，第二对话框选择Tet 10node 92； （3）Preprocessor/MaterialProps/MaterialModels/Structural/Linear/Elastic/Isotropic/输入EX(弹性模量)值，输入PRXY(泊松比)值。十字轴的材料选用，材料的属性如表5.1所示。表5.1 的材料属性弹性模量（GPa）泊松比抗拉强度（MPa）密度（g/cm&

49、#179;）2000.38007.82、网格划分 ANSYS为用户提供了两种常用的网格划分类型：自由和映射。自由划分，体现在没有特定的准则，对单元形状无限制，生成的单元不规则，基本适用于所有的模型。自由网格生成的内部节点位置比较随意，用户无法控制。映射网格划分要求面或体形状满足一定规则，它生成的单元形状比较规则，适用于形状规则的面和体。这次主要采用自由网格划分，轴模型自由划分可采用以下两种途径，大家可以观察划分的网格有何区别。途径一：划分网格：Meshing/MeshTool选中Smart Size复选框（精度从1到10，1为最高，网格最细，但划分耗时长，一般设为5），单击Mesh/Pick

50、All；途径二：划分网格：Meshing/Size Cntrls/ManualSize/Global/Size，密度为20。此次分析采用途径一对十字轴进行划分，为了提高划分速度，精度取8，划分后效果如下图5.6所示。 图5.6 网格划分结果3、约束、加载求解 ANSYS中载荷(Loads)包括边界条件和模型内部或外部的作用力。在结构分析中，载荷主要有：位移、力、压力、弯矩、温度和重力。载荷主要分为六大类：DOF约束(自由度约束)、力(集中载荷)、表面载荷、体载荷、惯性力及耦合场载荷。DOF约束(DOF constraint)：用户指定某个自由度为已知值，在结构分析中约束是位移和对称边界条件。力

51、(集中载荷)(Fome)：施加于模型节点的集中载荷，如结构分析中的力和力矩。表面载荷(SurfaceLoad)：作用在某个表面上的分布载荷，如结构分析中的压力。体载荷(Body loads)：作用在体积或场域内，如结构分析中的温度和重力。惯性载荷(Inertia loads)：结构质量或惯性引起的载荷，如重力加速度、角速度和角加速度，主要在结构分析中使用。耦合场载荷(Coupled-field loads)：它是一种特殊的情况，从一种分析中得到的结果用作另一种分析的载荷，如热分析中得到的节点温度可作为结构分析中的体载荷施加到每一个节点 。 对剪刀式举升机结构进行分析时我们进行面力分析，即加的为

52、表面载荷。加载步骤如下:（1）Solution/Analysis Type/New Analysis/Static；（2）Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Areas；选择轴的两个端面进行约束，这里有ALL DOF(全约束)、UX（X方向位移）、UY（Y方向位移）、UZ（Z方向位移）、ROTX（X方向旋转）、ROTY（Y方向旋转）、ROTZ（Z方向旋转），根据实际分析，应用ALL DOF(全约束)；（1） Solution/Define Loads/Apply/Structural/Pressure/On areas加

53、载压强的大小（注意方向），受力F最大时产生的压强值：（2） 约束和受载如图5.7所示。图5.7 约束及加载（3）求解Solve/CurrentLS/Ok/Close。4、查看结果及分析（1）查看变形结果： General PostProc/Plot Results/Deformed Shape/Ok;(变形结果可动画演示：PlotCtrls/Animate/ Deformed Shape/Ok,可直观观察轴的变形情况)General PostProc/Plot Results/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/DOF Solution;总变形如面分析下图

54、。 图5.8 总变形情况变形量分析：从图中可以看出总方向最大变形为0.112853mm，可见十字轴的变形量很小，充分满足刚度要求。（2）查看应力结果：General PostProc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solu/Stress/SX,SEQV（综合应力）； 图5.9 综合应力情况 应力结果分析：数值显示，蓝色部位应力值最小，红色部位应力值最大。综合应力最大值为74MPa。的抗拉强度为，无论是单个方向的最大应力，还是综合应力值均充分满足强度要求。通过有限元分析可知，所设计的十字轴轴及选用的材料均符合要求。5.3.2 凸缘叉有限元受力分析法兰盘各螺栓点均向凸缘叉施加力，它们构成一对大小相等、方向相反的力偶。力偶的力均处于凸缘叉轴线平面内。加载压强的大小（注意方向），受力F最大时产生的压强值：求解Solve/CurrentLS/Ok/Close。查看变形结果： General PostProc/Plot Results/Deformed Shape/Ok;(变形结果可动画