某型SUV傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)與計(jì)算

1、河北工業(yè)大學(xué)2014屆本科畢業(yè)論文河 北 工 業(yè) 大 學(xué)畢 業(yè) 論 文作 者： 原囡囡 學(xué) 號(hào)： 100280 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 系(專業(yè))： 車輛工程 題 目： 某型SUV傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)與計(jì)算 指導(dǎo)者： 劉璇 講師 評(píng)閱者： 2014年 6月 7日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要題 目 某型SUV傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)與計(jì)算摘要：隨著人類科學(xué)水平越來(lái)越好，人們的生活質(zhì)量水平越來(lái)越高，汽車的使用也日益頻繁。作為汽車傳動(dòng)系中非常重要的一部分，傳動(dòng)軸對(duì)于前置后驅(qū)的汽車而言，其重要性更為突出，其主要作用是將變速器輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的扭矩和功率傳遞到汽車后橋，起到了連接變速箱與后橋，是汽車傳動(dòng)系的一條大動(dòng)脈。傳動(dòng)軸由軸管，

2、萬(wàn)向節(jié)，伸縮花鍵及中間支撐等組成。本文將在給定的參數(shù)下，計(jì)算設(shè)計(jì)出軸管與十字軸萬(wàn)向節(jié)的尺寸并計(jì)算校核其強(qiáng)度基本滿足要求。運(yùn)用UG建立三維模型，運(yùn)用AutoCAD建立二維模型，使用UG中的Nastran模塊對(duì)其進(jìn)行有限元分析。目的是通過(guò)分析結(jié)果來(lái)了解傳動(dòng)軸的工作情況，探求各參數(shù)對(duì)其性能的影響，從而設(shè)計(jì)出更好的傳動(dòng)軸。關(guān)鍵詞： 傳動(dòng)軸 計(jì)算校核 有限元分析 強(qiáng)度 31河北工業(yè)大學(xué)2014屆本科畢業(yè)論文畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要Title A certain type of SUV shaft design and calculationAbstractWith the improvement of

3、human science, people's quality of life is getting better and better, the use of cars are increasingly frequent. The shaft is an integral part of automobile driving part, is mainly used to transmit the torque and power of the rotary motion. For front engine rear drive car, drive shaft is particu

4、larly important, he has been connected to the transmission and driving axle, motor drive train is a great artery.By universal joint drive shaft, spline with escalation, the shaft tube, intermediate support, etc. This article will under given parameters, the calculation design the axial tube and the

5、size of the cross shaft universal joint and calculated the strength of basic meet the requirements. Using UG to establish three-dimensional model, using AutoCAD 2d model is set up, using Nastran module of UG to finite element analysis. Purpose is through the analysis to understand the performance of

6、 the drive shaft, to explore the effects of various parameters on its performance, so as to design better drive shaft.Keywords： Drive shaft; Calculated and check; Strength; The finite element analysis;目 錄1 緒論51.1 課題背景51.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀51.3 常見(jiàn)的萬(wàn)向節(jié)及其工作原理61.4 課題內(nèi)容92 萬(wàn)向傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算92.1 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)校核計(jì)算過(guò)程92.2 傳動(dòng)軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

7、及校核計(jì)算102.3 計(jì)算機(jī)輔助繪圖153 建立萬(wàn)向傳動(dòng)軸模型193.1 軟件介紹193.2 實(shí)體建模203.3 本章小結(jié)214 萬(wàn)向傳動(dòng)軸的仿真分析224.1 Nastran軟件介紹224.2 有限元分析過(guò)程及結(jié)果224.3 分析所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的不足與改進(jìn)方法274.4 模態(tài)分析27結(jié) 論28參 考 文 獻(xiàn)29致 謝301 緒論1.1 課題背景隨著人類社會(huì)的發(fā)展越來(lái)越好，人民生活水平的質(zhì)量越來(lái)越高，汽車的使用也越來(lái)越頻繁。作為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，在前置引擎后輪驅(qū)動(dòng)的汽車中，傳動(dòng)軸重要性更為突出，其主要功能是將變速器的輸出轉(zhuǎn)矩和功率傳輸?shù)胶筝S的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，起到了連接變速箱與后橋，是汽車傳動(dòng)

8、系的一條大動(dòng)脈。汽車所安裝的萬(wàn)向傳動(dòng)軸大部分由傳動(dòng)軸、萬(wàn)向節(jié)和中間支撐等構(gòu)成。不同的行駛情況下傳動(dòng)軸所受力矩由汽車驅(qū)動(dòng)輪（后輪）載荷決定。汽車在加速、爬坡或滿載時(shí)傳動(dòng)軸所受力矩較大。汽車行駛時(shí)，由于后軸的跳動(dòng)，變速器和后驅(qū)動(dòng)橋的相對(duì)位置也會(huì)不斷的發(fā)生變化，使傳動(dòng)軸與變速器之間產(chǎn)生軸向位移，伸縮花鍵可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。根據(jù)汽車的工作情況來(lái)設(shè)計(jì)汽車的傳動(dòng)軸，使其能夠承受傳動(dòng)載荷，結(jié)構(gòu)盡可能簡(jiǎn)單，便于拆裝，壽命足夠長(zhǎng)。從而使汽車減少材料使用，減輕質(zhì)量，降低油耗，使產(chǎn)品擁有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。如果按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸然后檢驗(yàn)其性能耗時(shí)長(zhǎng)，效率低，成本高且檢驗(yàn)性能的過(guò)程也比較復(fù)雜。現(xiàn)如今，我們可

9、以利用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)建模然后分析，利用cad制出二維圖紙，利用UG制出三維模型并且可以利用UG中的Nastran模塊來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)出的模型進(jìn)行模擬分析從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。這樣不僅提高了工作效率，更節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀作為汽車的最為重要的傳動(dòng)部件，傳動(dòng)軸所連接的兩軸一般不在同一軸心，甚至在工作時(shí)還有可能不斷發(fā)生相對(duì)位置的變化，這就要求傳動(dòng)軸材料性能必須很好，因此一般用金屬材料來(lái)制造汽車傳動(dòng)軸。包括傳動(dòng)軸軸管、滑動(dòng)花鍵副、萬(wàn)向節(jié)和中間支承結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)軸使用金屬材料，那么在使用過(guò)程中為了對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行保養(yǎng)，要定期向其中注入潤(rùn)滑油，注潤(rùn)滑油的過(guò)程又累又臟，不僅增加了駕駛?cè)藛T的負(fù)擔(dān)還浪費(fèi)時(shí)間。另外傳動(dòng)軸

10、用金屬材料，在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生磨損，使傳動(dòng)軸產(chǎn)生噪音、降低傳動(dòng)效率、使用壽命縮短。為了減少磨損，省去潤(rùn)滑的過(guò)程，美國(guó)最先開(kāi)始研究傳動(dòng)軸涂覆層技術(shù)，并于1966年申請(qǐng)專利成功。此工藝將尼龍1010、尼龍12、尼龍11材料粉末加上粘結(jié)劑涂在金屬傳動(dòng)軸的表面上。這種方法一定程度上改善了傳動(dòng)軸的性能和應(yīng)用，但是并未對(duì)部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，其性能強(qiáng)度也并無(wú)大的改善。隨后出現(xiàn)了纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料傳動(dòng)軸，此技術(shù)逐漸解決了傳統(tǒng)的金屬傳動(dòng)軸的缺點(diǎn)，而且隨著此技術(shù)的發(fā)展，傳動(dòng)軸的性能也日臻完善。傳動(dòng)軸涂層尼龍技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)發(fā)展的很成熟了，河南許昌傳動(dòng)軸總廠每年生產(chǎn)的尼龍涂敷汽車傳動(dòng)軸達(dá)到總成900000套，其中輕型汽

11、車傳動(dòng)軸280000套,中型汽車傳動(dòng)軸340000套，重型汽車傳動(dòng)軸280000套。在全世界購(gòu)買汽車零部件的情況下，我國(guó)自立的零部件出產(chǎn)企業(yè)面臨著低端產(chǎn)品勞動(dòng)力本錢太高沒(méi)利潤(rùn)，高端產(chǎn)品又無(wú)充足的競(jìng)爭(zhēng)力的兩重壓力，未來(lái)那些技術(shù)上和規(guī)模上占據(jù)優(yōu)勢(shì)的，擁有較大的發(fā)展空間的是那些具有良好品牌形象的企業(yè)。國(guó)際汽車零部件行業(yè)格局呈現(xiàn)以零件供應(yīng)商為底座，以模塊供應(yīng)商為塔身，以系統(tǒng)供應(yīng)商為塔尖的金字塔形，相應(yīng)利潤(rùn)分配也是零件供應(yīng)商最低，模塊供應(yīng)商中間，系統(tǒng)供應(yīng)商最高。而我國(guó)的汽車零部件行業(yè)總體正處于利潤(rùn)率低，存活都有困難的塔底位置。于是，那些踴躍拓展上端進(jìn)行業(yè)務(wù)，致力邁向模塊供應(yīng)商或系統(tǒng)供應(yīng)商的零部件企業(yè)，或

12、者專心于達(dá)成技術(shù)晉級(jí)或建設(shè)品牌的零部件范疇的廠商將在這場(chǎng)競(jìng)賽中鋒芒畢露。最先生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸的是生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的公司：美國(guó)摩里遜公司。通用汽車公司載重汽車應(yīng)用該公司生產(chǎn)的傳動(dòng)軸。采用的碳纖維復(fù)合材料可以使如今的一件代替原來(lái)的兩件，其質(zhì)量相比鋼材傳動(dòng)軸可以減輕60%，每個(gè)傳動(dòng)軸可以減輕9Kg。1984年，福特公司大膽的在汽車領(lǐng)域使用玻璃纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸。傳統(tǒng)金屬材料的抗扭曲強(qiáng)度連這種材料的一半都不及，這種材料的扭矩力測(cè)試結(jié)果為17793N遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)安全值10000N，玻璃纖維在作為受力材料時(shí)還要遜色于碳纖維復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量都很高，可以有效的降低汽車總質(zhì)

13、量，從而降低油耗節(jié)約能源。資料表明：使用碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸可以至少比傳統(tǒng)金屬傳動(dòng)軸減輕40%的質(zhì)量，傳動(dòng)軸兩端的金屬鏈接部件也可以使用碳纖維復(fù)合材料來(lái)減輕質(zhì)量。汽車運(yùn)動(dòng)部件如傳動(dòng)軸等的質(zhì)量每減輕百分之一，可以節(jié)油百分之二，而其他普通部件質(zhì)量每減輕百分之一，只能節(jié)油百分之一。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料傳動(dòng)軸在汽車領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，并且相對(duì)于傳統(tǒng)金屬傳動(dòng)軸的汽車，NVH性能得到了大幅提升，使汽車駕駛者所處的環(huán)境變的安靜怡人。 目前由幾家大型外資企業(yè)控制著國(guó)內(nèi)的傳動(dòng)軸市場(chǎng)，中國(guó)對(duì)于碳纖維傳動(dòng)軸的研究和生產(chǎn)迫切需要提高。由于碳纖維成本較高，碳纖維傳動(dòng)軸的大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化較為困難，美國(guó)碳纖維在汽車

14、工業(yè)中的使用作了研究調(diào)查, 結(jié)論是只有碳纖維的價(jià)格降低至16.5美元以下時(shí)，碳纖維與鋼材才有競(jìng)爭(zhēng)的可能。但其性能的優(yōu)秀及使汽車輕量化的作用仍使得制造商對(duì)其有很大興趣。1.3 常見(jiàn)的萬(wàn)向節(jié)及其工作原理萬(wàn)向節(jié)按其在扭轉(zhuǎn)方向上是否有明顯的彈性可分為撓性萬(wàn)向節(jié)和剛性萬(wàn)向節(jié)。剛性萬(wàn)向節(jié)又可分為不等速萬(wàn)向節(jié)（如常用的十字軸式萬(wàn)向節(jié)），準(zhǔn)等速萬(wàn)向節(jié)（如雙聯(lián)式萬(wàn)向節(jié)、三銷軸式萬(wàn)向節(jié)等）和等速萬(wàn)向節(jié)（球叉式萬(wàn)向節(jié)、球籠式萬(wàn)向節(jié)等）。傳動(dòng)軸在底盤(pán)的布置如圖1-1圖1-1 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)示意圖1 十字軸式剛性萬(wàn)向節(jié)1-套筒；2-十字軸；3-傳動(dòng)軸叉；4-卡環(huán)；5-軸承外圈；6-套筒叉圖1-2 十字軸式剛性萬(wàn)向

15、節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖汽車上使用最多的不等速萬(wàn)向節(jié)就是十字軸式剛性萬(wàn)向節(jié)，十字軸式萬(wàn)向節(jié)相鄰兩軸的最大交角可以達(dá)到15°20°。圖1-2中所示的十字軸式萬(wàn)向節(jié)由兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)叉，四個(gè)滾針軸承和一個(gè)十字軸等組成。十字軸2的兩對(duì)軸頸分別放入兩萬(wàn)向節(jié)叉上的孔中。這樣在主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，從動(dòng)軸在繞十字軸中心做任意方向的擺動(dòng)的同時(shí)又不影響其隨主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到了萬(wàn)向傳動(dòng)的目的。滾針軸承5裝在十字軸的軸頸和萬(wàn)向節(jié)叉上的孔之間，滾針軸承外圈使用卡環(huán)進(jìn)行軸向定位。十字軸上一般留有注油嘴并有油路通向軸頸以潤(rùn)滑軸承，潤(rùn)滑油可以從注油嘴通過(guò)油路到達(dá)十字軸軸頸的滾針軸承處。 十字軸式剛性萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)效率高，結(jié)

16、構(gòu)簡(jiǎn)單。但是當(dāng)兩軸之間有夾角時(shí)不能做到等角速度傳動(dòng)，因此會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。2 雙聯(lián)式萬(wàn)向節(jié)1、4-萬(wàn)向節(jié)叉；2-十字軸；3-油封；5-彈簧；6-球碗；7-雙聯(lián)叉；8-球頭圖1-3 雙聯(lián)式萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖雙聯(lián)式萬(wàn)向節(jié)實(shí)際上是一套將傳動(dòng)軸長(zhǎng)度縮小到極限的雙十字軸式萬(wàn)向節(jié)等速傳動(dòng)裝置，也是最為常見(jiàn)的準(zhǔn)等速萬(wàn)向節(jié)，雙聯(lián)叉7相當(dāng)于傳動(dòng)軸及兩端處在同一平面上的萬(wàn)向節(jié)叉。3 球籠式萬(wàn)向節(jié)1-主動(dòng)軸；2、5-鋼帶箍；3-外罩；4-保持架（球籠）；6-鋼球；7-星形套（內(nèi)滾道）；8-球形殼（外滾道）；9-卡環(huán)圖1-4 球籠式萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖O-萬(wàn)向節(jié)中心；A-外滾道中心；B-內(nèi)滾道中心；C-鋼球中心；-兩軸交角（鈍角

17、）圖1-5 球籠式萬(wàn)向節(jié)工作原理圖球籠式萬(wàn)向節(jié)在工作時(shí)，外滾道的中心A與內(nèi)滾道的中心B分別位于萬(wàn)向節(jié)中心O的兩邊，且與O等距，即AO=BO。兩個(gè)三角形COA與COB全等，故AOC=BOC。此時(shí)鋼球求新C到主動(dòng)軸的距離a和到從動(dòng)軸的距離b相等，從而保證了從動(dòng)軸與主動(dòng)軸以相等的角速度旋轉(zhuǎn)。 由于球籠式等速萬(wàn)向節(jié)里的六個(gè)鋼球全部受力，承載能力強(qiáng)，甚至可以在兩軸交角達(dá)到42°情況下傳遞扭矩，并且其結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便，因而得到了廣泛的應(yīng)用。1.4 課題內(nèi)容本課題的目標(biāo)是首先設(shè)計(jì)計(jì)算校核傳動(dòng)軸各部件強(qiáng)度是否達(dá)標(biāo)，然后利用UG軟件建立模型并利用Nastran對(duì)其進(jìn)行有限元分析，從而進(jìn)一步驗(yàn)證其強(qiáng)度

18、是否達(dá)標(biāo)，并通過(guò)修改參數(shù)，最終設(shè)計(jì)出合理的傳動(dòng)軸。首先計(jì)算出傳動(dòng)軸各部件的尺寸，并通過(guò)計(jì)算對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核。然后利用AutoCAD繪制二維圖紙。根據(jù)所繪制的二維圖紙和計(jì)算參數(shù)使用UG軟件建立三維模型并將其裝配成一體。利用UG里的Nastran模塊對(duì)模型進(jìn)行有限元分析并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整參數(shù)，最終設(shè)計(jì)出合理的傳動(dòng)軸。2 萬(wàn)向傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算2.1 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)校核計(jì)算過(guò)程 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)校核計(jì)算流程如圖2-1：圖2-1 傳動(dòng)軸計(jì)算流程圖2.2 傳動(dòng)軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及校核計(jì)算1 軸管直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核考慮到實(shí)心的傳動(dòng)軸其傳動(dòng)臨界速度比空心的心要小，且使用材料多，質(zhì)量大，所以一般都做成空心的。根據(jù)傳動(dòng)軸

19、的工作狀況，參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，參考其他suv車型參數(shù)選?。?。D，d軸管外徑與內(nèi)徑。第一段傳動(dòng)軸長(zhǎng)度。第二段傳動(dòng)軸長(zhǎng)度。兩端自由支撐、壁厚均勻的等截面?zhèn)鲃?dòng)軸的計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速()為：其中：D,d軸管的外徑與內(nèi)徑（mm）。 L傳動(dòng)軸的支撐長(zhǎng)度，取兩萬(wàn)向節(jié)的中心距（mm）。第一段傳動(dòng)軸長(zhǎng)度，第二段傳動(dòng)軸長(zhǎng)度。將兩段傳動(dòng)軸長(zhǎng)度分別代入得： 。傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n與發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的關(guān)系： 其中i為變速器傳動(dòng)比。任務(wù)書(shū)中給出： 發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速：，變速器各檔速比：一檔4.325；二檔2.385；三檔1.533；四檔1.000 ；五檔0.834；倒檔4.138。 所以傳動(dòng)軸最大轉(zhuǎn)速 其中=0.834。由于傳動(dòng)軸動(dòng)平衡的誤差的

20、影響，實(shí)際臨界轉(zhuǎn)速要低于計(jì)算的值。取安全系數(shù)，將兩傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速分別代入得：=3.70，=2.44。兩者皆大于2.0，所以軸管內(nèi)外徑符合要求。2 軸管的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的校核校核扭轉(zhuǎn)應(yīng)力： 其中為許用應(yīng)力，取=359高合金鋼（40Cr、40MnB等）、中頻淬火抗拉應(yīng)力980 ，工程應(yīng)用中扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為抗拉應(yīng)力的0.50.6，取該系數(shù)為0.55，由此可取扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為539 ，參考GB 3077-88式中：傳動(dòng)軸計(jì)算轉(zhuǎn)矩（），（）。發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（），變速器一檔的傳動(dòng)比，動(dòng)載系數(shù) 對(duì)于性能適中的SUV，選=1.5。D,d傳動(dòng)軸外徑與內(nèi)徑（mm）。任務(wù)書(shū)給出發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩：=193

21、000，=4.325，代入得：=1252087.5 D=59.5mm d=56.5mm 代入得：=162MPa<=359MPa所以符合要求。3 花鍵齒側(cè)擠壓應(yīng)力的校核傳動(dòng)軸花鍵齒側(cè)擠壓應(yīng)力的校核： ；式中：傳動(dòng)軸計(jì)算轉(zhuǎn)矩（），花鍵的外徑與內(nèi)徑（mm）， Z花鍵齒數(shù)，L花鍵有效長(zhǎng)度。 許用擠壓應(yīng)力，花鍵取=192。（詳見(jiàn)汽車設(shè)計(jì)390頁(yè)）各數(shù)據(jù)為=1252087.5，參考其他同類車型，取傳動(dòng)軸的花鍵=28mm，=25mm；傳動(dòng)軸的花鍵Z21，L75mm。代入得傳動(dòng)軸的動(dòng)力端花鍵齒擠壓應(yīng)力=40MPa<=192MPa。所以符合要求。4 十字軸萬(wàn)向節(jié)連接支承匹配與校核 十字軸及萬(wàn)向節(jié)叉計(jì)

22、算如下圖a：十字軸 b：萬(wàn)向節(jié)叉圖2-2 十字軸及萬(wàn)向節(jié)叉校核計(jì)算用圖（1）設(shè)作用于十字軸軸頸重點(diǎn)的力為F，則：式中，萬(wàn)向傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩（）；主、從動(dòng)叉軸的最大夾角； R合力F作用線到十字軸中心之間的距離（mm）。其中=1252087.5，=4°，R=35mm代入得F=17930.6N（2） 十字軸軸頸根部的彎曲應(yīng)力和切應(yīng)力應(yīng)滿足： 式中十字軸軸頸直徑（mm）；十字軸油道孔直徑（mm）；s合力F作用線到軸頸根部的距離（mm）；許用彎曲應(yīng)力，為250360MPa；切應(yīng)力許用值，為80120MPa。取=18.2mm，=2mm，s=11.8mm，代入得=357.55MPa =69.77M

23、Pa兩者皆符合要求（3） 十字軸滾針軸承的接觸應(yīng)力應(yīng)滿足：式中：滾針直徑（mm）；滾針的工作長(zhǎng)度（mm），L為滾針總長(zhǎng)度（mm）；合力F作用下一個(gè)滾針?biāo)艿淖畲筝d荷（N），i滾針列數(shù)，Z每列中的滾針數(shù)。取=4mm，=14mm，i=1，Z=44代入得=1738.1MPa。當(dāng)滾針和十字軸軸頸表面硬度在58HRC以上時(shí)，許用接觸應(yīng)力為30003200MPa，所以符合要求。（4） 萬(wàn)向節(jié)叉與十字軸組成連接支承，在力F作用下產(chǎn)生支承反力，在與十字軸軸孔中心線成45°的B-B截面處，萬(wàn)向節(jié)叉承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，起彎曲應(yīng)力和扭應(yīng)力應(yīng)滿足：式中：W，截面B-B處的抗彎截面系數(shù)和抗扭截面系數(shù)，矩形截面

24、：，；橢圓形截面：，；h，b矩形截面的高和寬或橢圓形截面的長(zhǎng)軸和短軸；k與h/b有關(guān)的系數(shù)；彎曲應(yīng)力許用值，為5080MPa，扭應(yīng)力的許用值，為80160MPa。取a=16mm，e=35mm，b=12mm，h=64mm，得知k=0.282，矩形截面代入得：=76.6MPa，=110.4MPa，符合要求。表2-1 系數(shù)k的選取h/b1.01.51.752.02.53.04.010k0.2080.2310.2390.2460.2580.2670.2820.312（5）影響十字軸萬(wàn)向節(jié)的傳動(dòng)效率有輸出端與輸入端的軸間夾角，裝配和加工精度等各條件因素有關(guān)，當(dāng)25°時(shí)，可按下式計(jì)算（取=4&#

25、176;）式中，0為傳動(dòng)效率，f為萬(wàn)向節(jié)叉與軸頸的摩擦因數(shù)，d1為十字軸軸頸直徑，R為合力的作用線到十字軸中心之間的距離。本課題所采用滾針軸承，取f=0.08，代入數(shù)值得：0=99.8% 故十字軸萬(wàn)向節(jié)符合傳動(dòng)效率要求。2.3 計(jì)算機(jī)輔助繪圖傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通常在紙上用手繪草圖開(kāi)始設(shè)計(jì)，從手繪草圖變?yōu)槭掷L工作圖的工作繁重并且不易于修改，效率低下。如今運(yùn)用AutoCAD軟件來(lái)繪圖可以將繁重的工作交由計(jì)算機(jī)快速完成，并且能夠快速的對(duì)圖形進(jìn)行檢查及修正，利用計(jì)算機(jī)還可以對(duì)圖形進(jìn)行處理工作，如：縮小、放大、旋轉(zhuǎn)、平移和編輯等，方便實(shí)用。繪圖步驟： （1）設(shè)置圖層，設(shè)置線型、顏色及線寬。圖中畫(huà)法按照GB/

26、T4457.4-2002選取制圖，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的粗細(xì)線線寬比例為2：1并且應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選取0.5或0.7mm為粗線線寬，本課題選用0.5mm的粗線線寬，其余線寬為0.25mm。（2）按照標(biāo)準(zhǔn)繪制出A0，A1，A2，A3，A4圖紙的模板，標(biāo)準(zhǔn)如表2-2：表2-2 各圖紙模板參數(shù)幅面代號(hào)A0A1A2A3A4B×L841×1189594×841420×594297×420210×297a25c105（3）根據(jù)要求，選擇A0圖紙繪制總裝圖,繪制傳動(dòng)軸一使用A1圖紙，繪制傳動(dòng)軸二用A1圖紙，繪制滑動(dòng)節(jié)叉與固定節(jié)叉用A3圖紙，繪制十字軸用A4圖紙。總裝圖

27、使用1:2縮小，其余1:1繪圖。繪制圖形時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照按GB/T14690-1993標(biāo)準(zhǔn)。（4）繪制好圖形后，根據(jù)GB/T4458.4-2003標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和說(shuō)明。無(wú)論繪制圖形時(shí)的比例尺是多少，標(biāo)注時(shí)候均標(biāo)注其實(shí)際尺寸。（5）填寫(xiě)標(biāo)題欄信息及技術(shù)說(shuō)明，所有文字格式均嚴(yán)格按照GB/T14691-1993標(biāo)準(zhǔn)來(lái)填寫(xiě)。（6）完成二維圖紙的繪制。圖2-3 裝配圖俯視圖圖2-4 裝配圖正視圖圖2-5 傳動(dòng)軸一的二維圖圖2-6 傳動(dòng)軸二的二維圖圖2-7 滑動(dòng)節(jié)叉的二維圖3 建立萬(wàn)向傳動(dòng)軸模型3.1 軟件介紹 集CAD/CAM/CAE于一體的3D參數(shù)化軟件UG，是當(dāng)今世界上計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和制造軟件

28、中最先進(jìn)的之一，它涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及工程和制造中的全套的開(kāi)發(fā)流程，為用戶提供了全面的產(chǎn)品全生命周期解決方案，是當(dāng)今最先進(jìn)的產(chǎn)品全生命周期管理軟件之一。 （1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)：利用零件建模模塊可以建立各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維參數(shù)化實(shí)體、利用產(chǎn)品裝配模塊可以將各部件裝配起來(lái)形成裝配模型，利用工程圖模塊可以繪制部件詳細(xì)模型，能夠自動(dòng)生成工作圖紙；多個(gè)設(shè)計(jì)人員之間可以同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)然后相互協(xié)助；可以用UG來(lái)設(shè)計(jì)各種類型的產(chǎn)品，并支持設(shè)計(jì)產(chǎn)品的外觀以及虛擬的裝配產(chǎn)品并進(jìn)行各種分析，省去了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中制造樣品的過(guò)程。 （2）產(chǎn)品分析：利用有限元分析模塊，可以分析產(chǎn)品模型的受力、受熱，還可以進(jìn)行模態(tài)分析，從分析結(jié)果的云圖顏

29、色上可以直觀的看出產(chǎn)品各部件受力或者變形等情況。利用結(jié)構(gòu)分析模塊，可以分析產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)的狀況、是否產(chǎn)生干涉等，并且可以分析產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)的速度。 （3）產(chǎn)品加工：加工模塊可以根據(jù)產(chǎn)品的模型模擬出生產(chǎn)時(shí)刀具的路徑，自動(dòng)生成數(shù)控機(jī)床能夠接受的數(shù)控加工指令代碼，省去了數(shù)控機(jī)床的編程過(guò)程。（4） 產(chǎn)品宣傳：UG的可視化渲染功能可以生成逼真的藝術(shù)照片以及動(dòng)畫(huà)，企業(yè)可以直接將產(chǎn)品模型發(fā)布到網(wǎng)上進(jìn)行宣傳。UG6.0的特點(diǎn)有：（1）具有統(tǒng)一的主模型數(shù)據(jù)庫(kù)，真正實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM/CAE等各模塊之間的無(wú)數(shù)據(jù)交換的自由切換，從而實(shí)現(xiàn)并行工程。 （2）采用復(fù)合建模技術(shù)，能夠?qū)⑶娼?、?shí)體建模、顯示幾何建模、線框建模

30、與參數(shù)化建模融為一體。 （3）實(shí)體造型時(shí)的基礎(chǔ)是基于特征(如立方體、球、圓柱、圓錐、倒角等)的建模和編輯方法，形象直觀，類似于工程師傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并能用參數(shù)驅(qū)動(dòng)。 （4）曲面設(shè)計(jì)采用非均勻有理B樣條作為基礎(chǔ)，可以用多種方法生成復(fù)雜的曲面，特別適合于汽車外形設(shè)計(jì)、汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)等復(fù)雜曲面造型。 （5）具有友好的用戶界面，絕大多數(shù)功能都可以通過(guò)圖標(biāo)實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行對(duì)象操作時(shí)，具有自動(dòng)推理功能，在每個(gè)操作步驟中，都有相應(yīng)的提示信息，以便于用戶做出正確的選擇。3.2 實(shí)體建模 打開(kāi)UG，新建模型進(jìn)行建模。根據(jù)計(jì)算所得參數(shù)，利用草圖，拉伸，布爾運(yùn)算等功能來(lái)建立各部件模型。圖3-1 傳動(dòng)軸一的三維模型圖3-2

31、 帶花鍵的滑動(dòng)節(jié)叉模型 建立完各部件立體模型后運(yùn)用UG軟件對(duì)各部件進(jìn)行裝配，添加適當(dāng)?shù)募s束，生成裝配圖。圖3-3 裝配圖3.3 本章小結(jié) 運(yùn)用UG軟件的強(qiáng)大功能，建立草圖并進(jìn)行約束之后對(duì)草圖進(jìn)行拉伸回轉(zhuǎn)等操作來(lái)建立三維模型。用同樣方法建立完所有部件的三維模型后，通過(guò)UG的裝配功能，對(duì)零件添加適當(dāng)?shù)募s束，將各部件模型裝配到一起成為裝配體，用來(lái)進(jìn)行下一步的有限元分析。4 萬(wàn)向傳動(dòng)軸的仿真分析4.1 Nastran軟件介紹 Nastran，即 NASA Structural Analysis System，是 1966 年美國(guó)國(guó)家航空航天局 (NASA) 為滿足當(dāng)時(shí)航空航天工業(yè)對(duì)結(jié)構(gòu)分析的迫切需求，

32、主持開(kāi)發(fā)大型應(yīng)用有限元程序。它支持大量通用工程仿真：線性靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析、非線性分析、模態(tài)分析、結(jié)構(gòu)屈曲分析、穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱傳遞、復(fù)合材料和焊接分析。全球主要制造商都采用該工具來(lái)滿足關(guān)鍵的工程計(jì)算需求，以越來(lái)越短的設(shè)計(jì)周期時(shí)間創(chuàng)建安全、可靠和優(yōu)化的設(shè)計(jì)。在過(guò)去三十年間，Nastran幾乎成了每個(gè)主要行業(yè)的首選分析解決方案，這些行業(yè)包括航空航天、國(guó)防、汽車、造船、重型機(jī)械、醫(yī)療和消費(fèi)品。成為應(yīng)力、振動(dòng)、結(jié)構(gòu)失效/耐久性、熱傳遞、噪音/聲學(xué)和顫動(dòng)/氣動(dòng)彈性計(jì)算機(jī)輔助分析的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。4.2 有限元分析過(guò)程及結(jié)果 使用UG打開(kāi)已裝配好的裝配圖，點(diǎn)擊開(kāi)始-高級(jí)仿真，在仿真導(dǎo)航器中選擇裝配體右鍵-新建fem，在

33、新建部件文件中選擇NX Nastran模板并確定完成fem文件的創(chuàng)建。圖4-1 新建fem文件指派材料為Steel。創(chuàng)建物理屬性選擇材料為Steel。創(chuàng)建網(wǎng)格收集器。圖4-2 指派材料，物理屬性，創(chuàng)建網(wǎng)格收集器網(wǎng)格收集器創(chuàng)建好后就可以開(kāi)始繪制網(wǎng)格了。圖4-3 對(duì)各部件繪制網(wǎng)格繪制好網(wǎng)格后在仿真導(dǎo)航器中右擊fem文件名，選擇新建仿真，選擇NX Nastran模板并確定來(lái)建立sim文件。在彈出的新建仿真對(duì)話框里點(diǎn)擊確定后會(huì)彈出解算方案對(duì)話框。由于本課題傳動(dòng)軸前端接變速箱，后端接后橋，且中間有中間支撐。所以解算方案類型選擇NLSTATIC 106-多約束。圖4-4 解算方案的選擇 選擇好解算方案類型

34、后點(diǎn)擊確定。開(kāi)始對(duì)模型添加約束和載荷。圖4-5 添加載荷圖4-6 添加約束載荷為作用在滑動(dòng)節(jié)叉的節(jié)叉軸上的來(lái)自于變速箱的扭矩。約束有三處：滑動(dòng)節(jié)叉節(jié)叉軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副，中間支撐的轉(zhuǎn)動(dòng)副，這兩處使用圓柱形約束。固定節(jié)叉處有四個(gè)銷釘形成隨動(dòng)關(guān)系，使用四個(gè)銷釘約束。十字軸與節(jié)叉之間為滑動(dòng)副，應(yīng)對(duì)其面對(duì)面粘合，如下圖：圖4-7 面對(duì)面粘合添加完載荷與約束后開(kāi)始求解：在仿真導(dǎo)航器中選擇Solution右擊選擇求解，點(diǎn)擊確定后開(kāi)始求解。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的等待后求解結(jié)束，在后處理導(dǎo)航器中選中Solution 1右鍵加載，加載完成后就可以查看仿真結(jié)果了。圖4-8 位移圖4-9 應(yīng)力圖4-10 非線性應(yīng)變圖4-11 非線

35、性應(yīng)力4.3 分析所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)的不足與改進(jìn)方法 由仿真結(jié)果可知本次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸能夠承受額定的載荷，但是在十字軸處仍然有應(yīng)力集中比較危險(xiǎn)，可以通過(guò)改變十字軸結(jié)構(gòu)或者采用強(qiáng)度更高的材料來(lái)改善。4.4 模態(tài)分析模態(tài)分析過(guò)程與有限元分析基本相同，只是在新建sim文件時(shí)解算方案類型選擇SEMODES 103-響應(yīng)仿真。仿真結(jié)果如圖4-12至圖4-14圖4-12 模式8圖4-13 模式9圖4-14模式10結(jié) 論本課題為某型SUV傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算，對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算校核。使用AutoCAD繪制了二維圖紙，使用UG建立了三維模型，并且為了進(jìn)一步校核其強(qiáng)度又使用NX Nastran軟件對(duì)其進(jìn)行了有限元分析。通過(guò)此次設(shè)計(jì)，我得知：傳動(dòng)軸雖然結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可是設(shè)計(jì)起來(lái)也是頗為復(fù)雜，所以我們面臨看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題也要認(rèn)真去做。目前國(guó)內(nèi)傳動(dòng)軸還有很多不足，例如精度過(guò)低、結(jié)構(gòu)笨重等問(wèn)題還頗為嚴(yán)重。未來(lái)的傳動(dòng)軸將更多的使用碳纖維之