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1、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 学生姓名： 指导教师： 职 称： 副教授 The Graduation Design for Bachelors DegreeThe Design of Automobile Universal Transmission Device Based on Finite Element AnalysisCandidate: Specialty：Vehicle EngineeringClass：B07-1Supervisor：Associate Prof. Heilongjiang Insti
2、tute of Technology 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
3、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。全套图纸，加153893706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 a
4、nd 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 transmis
5、sion 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 c
6、arried 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 desig
7、n 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 d
8、esign 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 im
9、prove 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 DesignI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。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
10、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。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
11、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
12、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。刚性万向节是靠零件的铰链式传递动力，又分为不等速万向节、准等速万向节和等速万向节；挠性万向节是靠弹性零件传递动力的，具有缓冲减震作用1。现在汽车万向传动装置一般是由万向节、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
13、。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。在1950年后,传动轴的产量达到数以万计。1984年主要由于汽车工业的增长，生产了三千五百万套虎克万向节传动轴，一亿二千万套等速万向节传动轴，一亿三枢轴式万向节传动轴。在国内，近年来随着我国汽车业的高速发展，带动我国汽车传动轴需求持续大幅增长。2007年中国汽车传动轴的需求已经突破992万根，产值达到45亿。2008年汽车销量达到938万两，而作为汽车零部件的汽车传动轴需求量也接近1900万套，产值达到50亿元。倒2010年我国汽车传动轴总销售额
14、达到87亿之多，因次国内也出现一批传动轴制造的厂家。但产品的性能与国外相比仍有相当大的差距，具体表现在两个方面：绝大多数轿车厂家对等速万向节产品没有制定出相应的技术规范，而国外公司对驱动轴和传动轴的技术规定达67款之多，其中严格规定驱动半轴总成和传动轴总成的振动频率，目的是避免和发动机、轮胎以及其他传动系部件发生共振，从而更加全面合理地设计汽车底盘；零件供应商，易随意组合中心固定型等速万向节和伸缩型等速万向节，从而造成总成的失衡，使汽车产生异常振动，出现异响2。对于创立自主知识产权的汽车厂家来说，造出一流汽车仍有很长的路要走。1.3 汽车万向传动装置设计主要内容与设计思路课题研究对象是后轮驱动
15、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。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，是非常重要和必须的。在此基础上，再进行万向传动装置设计不但可以获得最佳的万向传动装置基本参数，还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。1. 设计的主要内容本设计选择万向传动轴的优化，设计基本要求如下：（1）保证所连接的两轴的夹角及相对位置在一定范围内变化时，能可靠而稳定的传递动力；（2）保证所连接的两轴尽可能等速运转；（3）使用有限元分析软件ANSYS对万向传动装置的设计零部件进行静态分析，完成万向传动装置主要部件的优化设计从而解决工艺合理、成本低、可靠性高的设计要求；（4）在CAE分析的基础上完成设计图纸。2. 设计的基本技术路线设计的技术路线如图1.1所示。调研并查阅相关资料确定汽车万向传动装置主要参数万向传动装置的主要零部件的设计主要零部件的建模主要零部件的静态分析主要零部件的优化设计优化后尺寸确定用Pro/E完
