基于ANSYS的汽车传动轴有限元分析及优化说明书.doc

目 录摘 要Abstract1绪论11.1课题研究的目的和意义11.2课题国内外研究现状及发展趋势11.3传动轴的结构特点和常用类型21.4有限元方法和ANSYS软件简介31.5课题研究内容52汽车传动轴的设计计算62.1汽车传动轴的设计要求62.2汽车传动轴主要参数确定73汽车传动轴模型建立103.1汽车传动轴模型简化103.2汽车传动轴三维建模104汽车传动轴的有限元分析124.1传动轴的静态分析124.2传动轴的频率分析155传动轴的优化设计分析205.1优化方案的制定204.2优化的过程与结果206结论与展望23参考文献24致谢25I 基于ANSYS的汽车传动轴有限元分析及优化摘 要汽车传动轴作为一个动力传递的机构，在汽车传动系统中占据着重要的地位，它主要的功能就是配合驱动桥和变速箱将发动机的动力向车轮传递，进而驱动汽车往前运动。课题以大众cc轿车为对象对汽车传动轴进行研究分析。首先对传动轴进行结构类型选择，将汽车正在运动的时候传动轴全部承受的外部载荷计算出来，以这个载荷为基础计算传动轴的长度尺寸和直径尺寸，这些都是传动轴基本的参数依据。在建模的时候利用的是目前非常流行的CATIA软件，最终通过有限元分析软件ANSYS对传动轴模型进行仿真分析，具体包括静态分析和模态分析，在分析的时候载荷具体的情况是在小端施加扭转力距载荷，然后计算输出应力图的结果，最终根据这个应力图结果来对最大的应力是不是满足许用应力要求进行判断。模态分析的目的就是为了获得固有频率，在工作的时候要让这个固有频率避开最高车速时对应的频率，从而避免共振。最后对传动轴进行了优化设计，为传动轴设计提供参考依据。关键词：传动轴、三维建模、有限元分析、优化Finite element analysis and optimization of automotive transmission shaft based on ANSYSAbstractAutomotive transmission shaft as an institution of power transfer to a occupies the important position in the automobile drive system, its main function is to cooperate with the drive axle and gearbox transfer engine power to the wheels, and then drive the car forward movement. In this paper, the automobile transmission shaft is analyzed by the Volkswagen cc sedan. To drive shaft structure type selection in the first place, the car was movement transmission shaft all under external load is calculated, based on the load calculation of the shaft length and diameter size, these are the basic parameters based on the shaft. When modeling using is currently very popular CATIA software, finally through the finite element analysis software ANSYS simulation analysis was carried out on the transmission model, including static analysis and modal analysis, the analysis of the load when the specific situation is on the small side imposing torsional torque, load, and then calculate the output the result of the stress diagram, finally according to the results of the stress diagram to the maximum stress is meet the requirement of the allowable stress of judgment. The purpose of modal analysis is to get the natural frequency, and to avoid the resonance by allowing the natural frequency to avoid the frequency of the top speed at work. Finally, the design of transmission shaft is optimized, which provides reference for the design of transmission shaft.Key words：Transmission shaft, 3d modeling, finite element analysis, optimization1绪论1.1课题研究的目的和意义计算机技术目前来说已经发展到了一个令人惊叹的地步，而且FEA技术的发展也是与目共睹的，目前在对汽车的传动轴进行较核计算的时候主要使用的手段就是有限元仿真，汽车传动轴的发展有清晰的目标，那就是可靠性要高，另外载荷也很高，传动也朝高速化方向发展，因此在传动轴设计的时候，必须要求有非常好的动态特性和静态特性。如果要想达到这个目的，必须要先建立非常准确的三维模型，然后在这个基础上对传动轴在载荷的作用下应力的变化规律进行准确的分析。本课题对传动轴进行建模的时候，采用的是CATIA软件，将模型建立好之后再导入到ANSYS当中进行模拟分析，这样可以有效避免的模型转换出现的问题，另外节省了时间和精力。在进行有限元分析之后，将所得到的分析结果和之前预定的计算数据相比较，最后再来判断之前的计算结果是不是准确可行的。一方面要保证传动轴工作的时候满足额定的载荷需求，另外还要保证它运行的安全性，这样可以有效的提高研发的效率，同时可以降低生产制造成本。为了顺应当今市场的需求，本课题以传动轴的有限元分析为重点，ANSYS14.0软件为平台，所依据的基本理论就是弹性力学的理论，采用模拟分析的方式对传动轴进行强度分析和强度较核计算。1.2课题国内外研究现状及发展趋势近些年，由于计算机技术发展的速度大大出乎人们的意料，有限元分析方法慢慢的在工程计算中发挥着越来越重要的作用，它已经成为了解决那些通过传统的计算方法没有办法解决的问题的一个重要手段，而且有限元作为一种非常重要的计算方法也是计算机辅助分析领域的重要分支。有限元分析诞生的时期是20世纪的50年代，它在计算领域有着非常独特的优势，有限元一经问世便就广为重视，目前有限元具体的分析方法有各种各样的形式，并且在市场上已经有一大批的专业软件面世。ANSYS软件是目前应用最为广泛的一款工业有限元分析软件，可以进行电磁场、热、声场、结构、流体和耦合场的多种分析。1开发初期是为了应用于电力行业，而现在则涉及了国防军工、土木、工程地矿、水利、机械制造，能源分析，造船工业，航空航天工业，等众多的领域，绝大部分的计算机系统都可以兼容ANSYS软件，而且用户在进行软件操作的时候，可以方便的通过非常经典的windows界面进行操作。与此同时ANSYS可以Pro/Engineer、AutoCAD、NASTRAN、I-DEAS、Alogor等多种CAD软件进行数据交换与共享。在将ANSYS与AAVID、CENTURY、DYNAMICS、FLUENT、ICEMCFX等多个世界著名有限元分析软件整合之后。发展到现在，ANSYS已经成为了市场占有率最高以及商业化程度最高的有限元分析软件，在中国销售软件的市场占有率也遥遥领先，在工程计算领域绝大部分的高校领域都是采用ANSYS软件作为有限元教学的对象。1.3传动轴特点和类型1.3.1传动轴的结构汽车在最开始诞生的时候采用的传动方式是链传动，直到上个世纪的40年代才由链传动改为轴传动，而且一开始是采用实心轴传动，之后才改为空心轴传动的，对发动机和传动轴来说，它在布置方位上属于纵向布置，车轮的布置方位是横向的，因此必须要在这两者之间加装一个万向节。汽车传动轴在工作的时候，一方面可以在两个轴之间传递运动和力距，甚至还可以在两个轴的位置在变化的时候可以传递运动和动力，如果汽车的传动方式是前置后驱，传动轴主要就是将变速器的动力向主减速器传递，在这传递的环节过程中必须安装若干个万向节。对于普通的汽车发动机而言，它的动力传输路线是这样子的，首先动力由发动机产生，然后传到变速器，之后由传动轴将动力传递给后桥减速器，最后传递给驱动轮。驱动轴安装的位置一般是在钢板弹簧的下面，但是变速箱一般是安装在大梁上面的，那么这两者之间的位置就必然会因为汽车的运动以及钢板弹簧发生的变形而产生位置变化，所以传动轴本身也是在发生角度变化的，驱动轴的和变速器的轴线之间的左相距也会发生变化，因此必须要安装伸缩节和万向节来适应这种变化。对于那些老式结构的伸缩套而言，它主要是由凸缘叉和花键套焊接在一起，并且在传动主管上面焊接着花键轴，目前经过改进的传动轴是将传动轴管和花键套焊接在一起，同时凸缘叉和花键轴也制作成一个整体，并且将花键的齿形也经过了改造，改造成为渐开线短齿花键形式，一方面强度大大增加了，另外一方面在制造加工的时候也更为方便。2同时可以适应转矩工况的需要，为了增加使命的自润滑性和耐磨性，在花键轴的齿表面通过特殊的工艺方法增加了一层尼龙材料，可以有效的减少外界的各种冲击负荷，增加两者之间的缓冲效果。另外还增加了一个密封保护套，这种保护套的内部安装有聚氨酯橡胶油封，因此在整个伸缩套的内部是一个相对密封的部位，外界的各种各样的杂质就不会侵入到伸缩花键轴的内部，同时还可以防锈防尘，在具体进行装配的时候，需要在轴套和花键轴的内部加装润滑脂，一次性满足润滑条件。1.3.2传动轴的类型汽车的传动轴主要有以下两种形式，开放式的和全封闭式两种。对开放式的传动轴而言，整个传动轴是暴露在外界环境当中的，而全封闭式的传动轴是一个密闭的环境。开放式的传动轴而言它具有一系列典型的特点，比如维修保养非常方便，另外装配的时候也容易实施，因此应用非常广泛。另外一种分类方式就是按照万向节的类型来进行分类的，比如万向节可以分为弹性万向节和刚性万向节两种，所谓的刚性万向节，它在传递动力的时候依靠的是铰链的方式，挠性万向节主要是依靠弹性零件，比如弹簧来传递动力，这样的挠性万向节在传递动力的时候还兼有减震的作用，刚性万向节还可以进行细分，比如还可以分为等速万向节、准等速万向节以及非等速万向节等等，如何区分不等速度和等速呢？主要是指从动轴在转动的时候，根据在一个旋转周期当中的角速度是否是保持不变来区分。1.4有限元方法和ANSYS软件简介1.4.1 概述在工程计算这个领域，有大量的力学计算问题和工程计算问题亟待人们去解决，一般来说目前人们经过大量的研究已经得到了最基本的方程，比如偏微分方程，甚至这些方程的定解条件也经过人们的长期努力被确定下来。但是即便如此，也只有相当少的一部分性质非常简单的方程，而且边界条件比较容易的方程能够采用解析的方法来求解，大部分的实际问题由于它的非线性性质特征或者是边界条件非常复杂，还没有办法直接得到解析结果。当然其中有一部分可以经过一定程度的简化以后用解析方法求解，但是这样往往会导致比较大的计算误差，因此，另外一种非常有效的方法，也就是数值解法诞生了，而数值解法有很多种形式，有限单元法就是其中一种非常经典的方式，比如用在力学分析当中的非线性问题、动态问题、静态问题、工程热力学当中的流体问题，电磁学领域里面的冲击动力学问题等等都可以采用这种方法去有效的解决。在上个世纪60年代的时候有限元法被Clough首次提出来，目前这种方法已经风靡全球。1.4.2 有限元基本思想所谓的数据分析实际上就是将原来无限的空间进行有限处理，将那些原来连续的系统经过离散化之后变成离散空间结构，有限元分析方法主要是利用场函数来实施离散化过程的，换句话说有限元分析法实际上是以有限维度子空间为基础的，它由一系列函数系组成基函数系，通过这些基函数系与外部的大范围分析有机结合起来，然后，在对整个场内任意两个局部地点的相互内在依赖关系进行反映，任何一个局部地点对应的影响区域或者影响函数实际上就是基函数的支集，如果将区域进行越来越细的分割，那么对于这些支集而言，它们就会产生越来越多的互不相交的基函数。1.4.3有限元特点（1）物体离散化 在这一个单元里面其实就是这些离散化的过程对一个具体的结构进行分离，将它们转变成为一个个离散的单元构成的计算模型，当然在离散之后依靠单元间的节点才能够连接起来的，根据具体问题具体情况，例如性质、描述变形形态、计算情况等来确定节点的数量、性质还有设置情况。当然，如果将单元划分的特别的细致，那么在发生变形的时候就会和实际的变形状况更加的接近，但是过分细致的单元划分必然造成计算量庞大的问题，单元的划分也并不是说越细越好。进行离散化之后，那些原来一个整体的结构已经变成了离散的，而这个离散的物体实际上就是进行有限元分析的对象，它已经不再是原来结构体了。所以用上述这种方式分析计算所得出的结论只是一个近似值，当拆分的单元数量越多越合理时这个值就会越趋近于实际的值。（2）单元特性分析(a) 首先介绍一下位移模式，在有限元分析方法当中所谓的位移法是指选取节点位移作为分析的未知量，而立法的定义是指选择的节点力作为未知量，混合化指的是前面的节点力法和节点位移法的混合。从计算对角度来说，位移法比较容易实现自动化，因此这种方法在具体应用的时候比较广泛，采用位移法的时候，进行初步离散化之后就可以将目标物理量，比如应力应变或者是物体的位移用节点位移来代替，在具体的分析过程中可以采用近似函数来描述单元当中为一的分布情况，一般来说位移实际上是以坐标为变量的函数，简称位移函数。(b) 描述一下分析单元的力学特征，主要是根据单元的节点数目、形状尺寸以及单元本身的含义或者是位置等等因素，每一个单元内部的节点位移和集体利益之间的关系式描述出来，这一步非常关键，需要应用到基础的物理学领域里面的弹性力学理论来建立方程式，并且建立单元的刚度矩阵，在有限元分析当中这一步非常关键。(c) 接下来对节点力进行计算，一旦结构离散化工作完成之后，必须作出一个假设，那就是单元与单元之间的传递情况，对于实际的物理结构来说，它们在空间上和结构上都是连续的，力在进行传递的时候实际上通过公共边进行传递的，因此在有限元分析当中，单元边界上面的集中力以及表面力等等体积力在转移的时候必须是等效转移，因此必须要用等效的节点力来作为分析对象。(3) 单元组集在进行有限元方程构造的时候需要利用边界条件或者是平衡条件，将各个原来没有联系的单元进行重新的连接，可以用有限元方程：K*q=f来进行描述，K代表的是刚度矩阵；q代表的是位移列阵；f代表的是载荷列阵。3(4) 求解未知节点位移 如果对有限元方程式进行求解的话，最终可以得出位移结果，再进行具体的计算的时候一定要首先分析方程组自身的结构特点，通过前面的分析过程可以得出结论，一分一合实际上是进行有限元计算的最基本的思想，所有的分析实际上就是对单元进行分析，所谓的合和实际上就是对整个结构进行最终的整体分析。1.4.4 ANSYS软件简介ANSYS软件应用的领域非常广泛，比如在电磁场耦合领域、流体力学的计算领域、结构分析领域等等都有它的影子。它是一种通用性非常强的有限元分析软件，由美国ANSYS公司开发，而且这种软件和很多的计算机辅助绘图软件是兼容的，在数据传递和数据交换的时候非常的便利，因此获得了极为广泛的应用，也是一种非常高级的CAD工具。ANSYS软件的整体结构有三大块组成，分别是前处理、分析计算以及后处理。前处理模块主要是对网格进行划分的工具，当然也可以进行实体建模，但是不是特别方便，分析模块主要是对构建好的有限元模型进行边界条件设置，分析过程实现，比如声场分析，流体力学、结构力学分析等等，并且还可以模拟耦合物理场之间的相互作用，在分析的时候还可以进行可视化操作。后处理模块主要就是将分析的结果以各种各样的本直线的等高线图或者是云图的形式显示出来，用户可以通过各种各样的操作来将最终的结果按照自己所需要的方式，比如切片显示方式、流迹显示显示出来。1.5课题研究内容本课题研究的对象车型是大众的一款经典车型cc，通过对这款车的传动轴进行有限元分析，首先，对传动轴进行参数分析，这主要依据的是汽车本身的动力学参数，然后对汽车在正常行驶的时候加载到传动轴上面的各种外界载荷计算完毕之后，根据结果来对传动轴的长度和直径进行确定，从而提供最终的设计依据。最后是建模过程，采用功能极为强大的CATIA三维建模软件对传动轴进行建模，然后将建好的模型导入到ANSYS软件当中，对其进行频率分析和静态分析，根据分析的结果来判断传动轴是否满足之前的力学要求，并且根据分析的结果对轴的结构进行重新的优化设计，频率分析的结果可以作为最终避免轴在传动过程中发生共振的依据。262汽车传动轴的设计计算2.1汽车传动轴的设计要求汽车传动轴设计的基本要求：1.保证在预定的范围之内传动轴之间的夹角以及两根轴之间的相对位置变化必须是合理的，在传递运动和动力的时候必须是稳定而可靠的。2.尽最大可能程度保证两个轴在运转的时候速度是一致的。3.万向节之间具有一定的夹角，这可能带来附加载荷，但是因此而产生的噪声或者振动必须不超过最大值，而且应当保证在正常行驶的过程中避免共振现象。4.转动的时候必须保证一定的效率，另外还有足够长的使用寿命、结构在维护的时候非常方便。汽车的传动轴是汽车上面一个极为关键的部件，它将发动机的动力传动给减速箱或者是主减速器，对于那些发动机前置、驱动轮在后面或者是全轮驱动的汽车而言，悬架很有可能因为路况的变化而发生弹性变形，此时输出轴和驱动桥两根轴之间的夹角位置很有可能会发生变化，这个时候必须要设置一个可以进行弹性伸缩的万向传动轴。有一些汽车在布置的时候，根据具体的情况或者是之前的设计要求分动器和变速器或者是离合器与变速器之间有一段距离。这是考虑到这一段间隔，很难保证轴的同心度或者是车架的变形量，因此必须采用挠性万向节传动或者是十字轴万向传动轴，如果驱动桥还是当作转向来使用的话，还必须采用等速传动轴来保证车轮转向的时候精准度的要求。汽车的种类多种多样，而且同一品牌的汽车也有不同的车型，这些车性能不同，驾驶的时候驱动力也不尽相同，有的时候汽车的结构也会对传动过程产生一些干扰影响，因此会导致一些不可预知的变化，因此必须要根据实际的情况来对整个传动轴的方案进行设计和选型，由于小型车辆驱动桥和变速器之间的距离往往靠的比较近，汽车在运动的时候产生相对运动也是不可避免的因素，工作可能出现一些不稳定的状况，如果采用可伸缩的万向节传动轴就可以保证动力在传输的时候十分稳定。汽车在行驶过程中，一定要适应悬架变化的具体状况，另外分动器或者变速器的轴线之间夹角很有可能是处于一种动态变化过程当中的，然后这些重要的装置在布置上是有一定要求的，必须将分动器、变速器或者是变速至离合器之间保证一段距离，保证同轴度是很难实现的，因此必须要采用万向传动轴来吸收它们之间的轴向误差，由于十字轴万向传动机构结构非常紧凑，而且生产组装方便，另外维护性也非常好，更为关键的是它内部有一个滑动花键，该滑动花键可以保长度在一定范围内动态调整。滑动花键在伸缩的时候产生了一个轴向阻力，这个是不利的，一般来说需要减小这个阻力，因此采用喷涂尼龙层的办法来减少阻力，另外还可以在滑动槽里面放入滚动元件提高传动的效率，但是这样必然会增加制造成本。在传动轴的形式上面还有一个实心轴和空心轴传动的选择问题，空心轴传动的时候可以获得相对来说更大的临界转速，另外由于它是空心的，所以在同等质量的条件下转矩更大，因此一般现在都是采用空心轴来进行动力传递。在前面的分析工作做完之后，接下来就是要进行传动轴的具体结构选择，包括它的一些重要参数，比如直径和长度。对于传动轴来说，相关的设计规范已经对它的长度进行了确定，一般来说厂家根据规范来进行参数的选择，由于本课题所研究的对象是一个前置发动机，传动轴和变速器、驱动桥以及发动之间的相对安装位置实际上有着千丝万缕的联系，如果这些参数比如安装位置、车距已经确定了的话，那么实际上传动轴长度参数也就随之确定下来。传动轴的长度参数一旦已经确定，接下来要做的工作就是确定直径大小，在进行直径设计的时候主要考虑的就是传动轴的临界转速以及传动过程中的最大力距，如果直径选的越大的话，传动轴这两个参数也就越大，但是传动轴直径过大必然消耗过多的材料以及占用更大的空间，因此会间接的导致成本上升，所以必须选择一个合适的直径。通过以上分析分析，对汽车传动轴进行设计的时候具体遵循的步骤如下，首先轴的形式必须是空心的，另外在进行运动和力矩传递的时候它的长度是可以自动调整的，由于轴在具体传动过程中需要承受比较高的转速，因此根据这一运动工况选择的的材料是45号钢，45号钢的主要优点就是能够抵抗很大的扭转强度。汽车在行驶过程中前后悬挂很有可能因为路况的变化而不断得在发生变化，则分动器的主线和变速器的轴线之间的夹角也必然在不断的发生变化，在这个时候可以采用伸缩花键来吸收这些变化，由于伸缩花键在运动过程中承受了一定的阻力，因此它的表面必须要经过磷化处理或者是喷涂尼龙层的办法来克服这种阻力，最后经过对比发现，采用空心传动轴并且上面附带花键的轴的形式可以满足动力学的要求，并且制造成本非常低、结构简洁。2.2汽车传动轴主要参数确定2.2.1原始参数通过搜集资料以及考虑到汽车的具体运行工况，将主要的参数在表2.1中列举出来表2.1汽车(参照大众cc)主要参数2.2.2传动轴的设计及参数的确定（1）由于在本课题中选择的对象是一种前置前驱的车型，因此在进行载荷确定的时候，是根据变速器挂在一档时候的传动比以及发动机对外输出的最大扭距来计算 （2-1）离合器动载系数，取2；发动机最大扭矩，280N.m；变速器一档传动比，3.46；分动器最高档传动比1；K变矩系数，1.9；k0最大变矩系数2.8；传递效率，取0.97；n驱动桥个数 1。带入公式2-1得3570.99N.m（2）汽车行驶的时候驱动轮很显然是不可以打滑的，根据这一工作条件来确定传动轴的最大扭距， （2-2）G2满载载荷为：N；m2加速度最大时的后轴转移系数1.2；附着系数，0.85；rr车轮滚动半径321.65mm；im主减速器主动齿轮到车轮之间的传动比，可取1；i0主减速器传动比3.6nm ；主减速器从动齿轮到车轮之间的传动效率，为0.95。4将以上数字带入公式2-2得1161.99Nm综上，计算最终扭矩 1161.99Nm（3）确定传动轴的尺寸轴距可以用来确定传动轴最终的长度距离，在进行传动轴的内径和外径大小的时候主要依据的就是传动轴在传动过程中的临界转速和传动例句时候的强度参数，临界转速实际上是和共振现象息息相关的，同时还可以保证这一情况出现的时候传动轴不会发生断裂，必须由传动轴具体的结构尺寸来确定。设计传动轴的长度尺寸和内外径尺寸，传动轴的最高转速在前面已经知道，此时再加上一个安全系数就可以确定最终的临界转速，然后再根据公式2-3将整个内径和外径的范围确定下来，最终可以获得传动轴的内径外径大小，具体的步骤如下所示：根据表2-1可以查到大众cc发动机转速为6000 rpm，在这个基础上，选取安全系数，1.2，最终得到的临界转速是7200 rpm。传动轴的长度不能太长，一旦超过一定程度就必须设置中间支撑点，这主要是为了保证总体布置要求以及临界转速的要求，由于该车型的轴距是2712，因此可以以此为依据选择中间支承长度是11003.6mm。根据公式2-3 （2-3）Dc外径；dc内径；Lc支承长度。得出结果，又通过查相关技术手册得Dc=53mm, dc=48mm。（4）校核扭转强度。 （2-4）式中：T1最终扭矩（Nmm）；受到的最大扭转应力许用扭转应力：300Mpa。得到结果，小于许用应力。因此传动轴满足设计要求。3汽车传动轴模型建立3.1汽车传动轴模型简化由于本课题有限元分析的对象主要是传动轴轴管，故可以对汽车传动轴进行简化，万向节叉可以省略，只对传动轴轴管部分进行建模。3.2汽车传动轴三维建模采用非常经典的CATIA软件对传动轴进行建模的时候，和其它的三维建模软件没有本质区别，都是先草绘然后旋转等一系列操作形成三维模型。通过CATIA制作的三维图能够被大部分软件识别，进行分析等一系列操作。（1）打开CATIA软件，进入草图环境开始建模，如图3.2.1所示。图3.2.1草图建模环境（2）在x y平面绘制轴的草图，如图3.2.2所示。图3.2.2传动轴草图（3）完成草绘后延轴线旋转，生成完整的3D模型如图3.2.3所示。图3.2.3传动轴三维模型建模完成，然后将已经建立好的传动轴模型导入到有限元分析软件ANSYS当中进行分析。4汽车传动轴的有限元分析ANSYS目前在全世界的仿真领域当中具有无可替代的地位，它的功能极为强大，所以应用的范围也是极为广泛的，另外它和目前世界上主流的三维建模软件是兼容的，在信息交换和数据共享方面有着无可替代的作用。在本次传动轴的有限元计算当中，由于整个传动轴结构非常简单，因此只需要用到该软件的一小部分功能，但是在实际的设计当中，传动轴具体的工作情况比较复杂，因此在计算的时候需要考虑的因素也必然会更多，和真实的计算情况相比，传动轴忽略了一些对计算结果没有决定性影响的细节，当然这也会使得最终的仿真结果存在一定的误差。4.1传动轴的静态分析（1）导入模型将模型导入到ANSYS Workbench，点击Static Structural，右击Geometry，选择Browse,选择传动轴模型，导入ANSYS，打开新窗口：Design Modeler，点击Generate，生成模型如4.1.1。图4.1.1几何模型（2）对模型的材料属性进行定义。双击Engineering Data，单击鼠标右键，选择工程数据源命令。选择General Materials。因为传动轴的材料是45钢，所以选择A3材料Structural Steel（结构钢）。由于该材料为软件自带的材料，故不需要重新输入密度，弹性模量等属性，如图4.1.2所示。图4.1.2材料设置（3）网格划分。双击Model，点击Mesh，点击Mesh选项，采用软件默认格式，生成3697个节点和1933个单元，如图4.1.3所示。图4.1.3 传动轴有限元模型（4）对模型定义约束，施加载荷。点击Analysis Setting，点击上方Environment的Supports选项，选择Fixed Support，点击大端，点击Apply，施加固定约束；点击Loads选项，选择Moment，在左下角填入1161.99，点击小端，点击Apply，完成小端扭转力矩。如图4.1.4所示。图4.1.4施加载荷（5）上面工作完成之后再来对模型进行求解。点击Solution，点击Equivalent，点击solve按钮，得到传动轴的应力图如4.1.5。图4.1.5 应力图通过图4.1.5最终显示出来的应力分布云图可以非常清楚的看到，传动轴所受到的应力值的最小值是147.8MPa，而最大的应力是302MPa，而且这个最大应力发生的位置是在中间的位置，但是，许用应力是300MPa，很显然这个计算结果是不满足要求的。也就是最大应力值已经超过了材料的许用应力值，因此须对传动轴的结构进行改进设计。4.2传动轴的频率分析在具体的行驶过程中，由于路面各种各样的不同路况很有可能对传动轴带来各种附加的振动载荷，传动轴在传递运动的过程中发生共振现象，共振带来的危害是有目共睹的，它一方面可以使传动轴产生极大载荷，进而导致传动轴发生疲劳破坏，而且它还可以将这种振动传递到车身，很难保证汽车在这种共振的情况下还能够稳定的行驶。因此必须要对传动轴进行频率分析，频率分析的结果是获得最终的固有频率，然后将它作为传动轴设计的一个重要参考依据，传动轴传动最高的转速必须避开传动轴的固有频率，也就是说固有频率必须比最高转速对应的频率高出15%，要采取的步骤如下：（1）导入模型。选择Modal，右击Geometry，点击replace Geometry，选择三维模型文件，导入ANSYS，双击Geometry，点击Generate，生成三维建模。5如图4.2.1。图4.2.1 几何模型（2）划分网格。双击Model，打开Mechanical，点击Mesh，点击Mesh选项，点击Generate Mesh，默认设置无需改动，划分网格生成1933个单元和3697个节点，网格划分结束后得到有限元模型。6如图4.2.2。图4.2.2 传动轴有限元模型（3）对模型施加约束。点击Analysis Setting，点击Supports选项，选择Fixed Support，选择传动轴大端，点击Apply，大端施加固定约束完成，如图4.2.3。图4.2.3 传动轴添加约束（4）进行求解。点击Solution，点击Total选项，点击右侧solve，求解结束后将Mode栏改为2，进行第二次求解，得到Mode为两种不同的结果，如图4.2.4-4.2.8所示图4.2.4传动轴各阶固有频率图4.2.5 传动轴一阶模态图4.2.6 传动轴二阶模态从上面两个计算云图可以知道，在前面两节的模态仿真结果中可以清晰的显示出来，传动轴带小端的位置震动是最大的，这个位置所受到的载荷必然也是最大的，因此这个地方需要采取一些补救措施，比如安装橡胶套环，这是一个弹性元件，它可以改变整个传动轴的有效刚度从而减少振动能量，起到缓冲作用。图4.2.7 传动轴三阶模态图4.2.8传动轴四阶模态从上面有两个模态可以清晰的看出来，这两种模态下传动轴的最大振动部位在中间位置，显示出来的固有频率值分别是223Hz和229Hz，这两个计算值很显然大于传动轴在最高转速下对应的频率值136 Hz，所以已经很好的绕开了共振范围。实际上传动轴在具体传递运动和动力的时候，它并不是单独工作的，而是和轴套轴承以及安装在上面的万向节共同配合工作的，因此实际上发生共振的条件不是那么容易产生的，当然这些和它配合的零件在安装问题和零件的质量问题也会影响到传动时候的使用应力，因此必须要选择那些比较好的零件，这在一定程度上可以改善传动轴的工作条件，帮助传动轴抵抗由于发生共振产生的各种疲劳破坏。但是这些方法只是辅助性的，它并不能从根本上解决共振发生的，另外由于这些辅助零件在配合的时候可能产生一定程度的零件不匹配问题，在实际的应用当中还要经过反复的实验以及和计算相配合最终来确定最佳方案，由于本人在这方面的经验和能力都是不足的，因此就不再展开详细的叙述。通过以上分析可知，作为传动过程中非常重要的一个零件，传动轴所受到的载荷实际上是相当大的，如果采用的是普通的材料根本就没有办法满足传动过程中的应力要求以及疲劳要求，在仿真环境下所依据的外界环境是其受到的极限应力，但是传动者在实际的工作过程中载荷值一般不会达到这么大的值，而共振现象一般也只有在传动轴转速对应的频率和它的固有频率非常接近的时候才会发生，而且它所受到的最大载荷值也是在这个时候发生的，正是考虑到这一点，必须要对传动轴的最高转速进行限制，只有这样才能够避免因为发生共振而导致的最大载荷值出现，进而导致轴的破坏。5传动轴的优化设计分析5.1优化方案的制定为了使传动轴受到的应力尽可能的小，需要对传动轴进行结构上的优化。我将选择传动轴的尺寸作为输入参数，传动轴的等效应力及整体变形作为优化的输出参数。既在不改变传动轴长度的情况下，优化的内径来使得传动轴变形量降低。大致的步骤为选取十个样本；长度外径不变，内径变化范围40-50mm；计算十个样本，选出最优解。下面对传动轴进行优化。5.2优化的过程与结果（1）首先选取样本个数，为10，如图5.2.1所示。图5.2.1样本个数（2）在保证长度和外径不变的情况下，选择内径为变量，变化范围为40-50mm。如图5.2.2所示。图5.2.2设置变量范围（3）接着选择其中的10个样本，通过计算得出最优解。如图5.2.3和5.2.4所示。图5.2.3 10个样本图5.2.4计算结果（4）通过优化得出3个最优解，如图5.2.5示。图5.2.5最优3解（5）最终从这3个解中取最优解，此时的内径为40.75mm。如图5.2.6。图5.2.6最优解（6）最后得到优化后的传动轴应力图，如图5.2.7所示。图5.2.8优化后的传动轴应力图从上述的应力图可知，在保证传动轴长度和外径不变的情况下，优化后的内径减小为40.75mm。此时的传动轴受到的最大应力为168.94Mpa，远远小于传动轴的许用应力300Mpa，作用在轴的小端。设计符合要求。6结论与展望本文采用的是前置前驱轿车的传动轴。研究的重点是用CATIA软件对传动轴三维建模，然后导入ANSYS中进行静态分析和模态分析。在分析进行的时候，首先进行的是静态分析，具体分析的方法就是通过对小端施加扭距，然后在ANSYS软件中经过一系列的分析之后得出应力分布图，来判断整个传动轴的最大应力值有没有超过材料的许用应力，静态分析结束后，本文继续对传动轴进行模态分析，通过其固有频率比传动轴最高转速对应的频率高15%以上，确定传动轴不会发生共振。7根据上述有限元分析结果，与计算结果进行对比，验证了设计计算的可行性，在保证结构能够安全可靠运行的状况下，提高了设计制造的效能，降低了设计研制成本。8 经过分析研究，得出以下结论：（1）通过有限元静态分析得出的应力图可知，传动轴所受的最大应力小于许用应力，符合标准。（2）通过有限元模态分析可知，传动轴的固有频率远大于传动轴最高转速时对应的频率，符合标准。由于本人的专业能力的限制以及经验不足，本课题在进行的过程中仍然存在着一些不足之处，比如仿真所依据的参数和实际的传动情况肯定会有出入，由此会带来一定的计算误差，但是经过校核之后使用应力的条件是满足的。作为最复杂的一个环节，它涉及到的是众多学科的交叉内容，比如材料力学、理论力学、机械设计以及汽车理论等方面的知识，因此这一部分的计算量特别大，在具体的优化过程中需要不断的调整某些参数。传动轴在工作的时候一定要避免发生共振，因为共振一方面可能导致载荷突然增大，从而对传统造成损害，还有可能影响汽车驾驶过程中的整体稳定性以及乘坐的舒适性等等，因此在今后对减小传动轴共振的研究中，可以从调整传动轴固有频率和对传动轴增加动态吸振器两方面着手。具体对汽车传动轴进行设计的时候，实际上方案是非常多的，可以在零部件的材料上面以及结构的创新设计上面做文章，这些都可以在一定程度上解决共振问题。参考文献1 宋日恒 张治国. 基于ANSYS的笔记本电脑包装件跌落仿真研究D. 浙江科技学院学报, 20092 王赟. 收割机传动轴改良新技术D. 北京农业, 20133 周照程. 烟岗水电站钢岔管结构受力分析及体型优化D. 西安理工大学, 20094 刘怀金 朱晓. 传动轴在整车中的布置设计D. 轻型汽车技术, 2013.5 陈洁鹰. 2MW风力机叶片优化设计及其关键性能仿真研究D. 东北大学, 20126 赵永东 丁闯 江鹏程 冯辅周. 面向装备PHM系统的可测试传动轴结构设计与分析D. 装甲兵工程学院学报, 20137 尹长城 马迅 陈哲. 基于ANSYS Workbench传动轴的模态分析D. 湖北汽车工业学院学报, 20138 周俊 刘英林. 管片拼装机传动齿轮应力的有限元分析D. 科学之友(B版), 20099 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