轿车万向传动装置设计及有限元分析.doc

1、摘要本文首先介绍了万向传动装置的工作原理和在汽车上的应用。然后确定研究方法，参考车辆原始数据设计出万向传动轴主要零件的尺寸、选定使用材料并进行强度校核，根据校核结果调整设计方案。最终确定所有零件的尺寸数据。利用三维建模软件对万向传动装置主要零件进行三维建模，并装配。接着使用有限元分析软件对其主要部件进行分析，得出静态数据和频率数据，包括应力、应变的大小分布。最后分析设计的可行性，并优化方案。关键词：万向传动装置、设计计算、三维建模、有限元分析IAbstractThis paper mainly introduces the working principle of universal tran

2、smission device and its application in automobile. Then make a method for developing the reference vehicle original data to design a universal transmission shaft of the main parts size, selected using materials and strength check, adjust the design scheme according to the verification results. Deter

3、mine the size of all parts of the final data. The three-dimensional modeling of the main parts of the universal transmission device using 3D modeling software, and assembly. Then the finite element analysis software is used to analyze the main components, and the static data and frequency data are o

4、btained, including the size distribution of stress and strain. Finally, the feasibility of the design is analyzed, and the optimization scheme is designed.Key words: Automotive Universal Transmission Device; Design Calculation; 3D Modeling; Finite Element Analysis目录摘要IIIAbstractIV1绪论11.1 选题的意义11.2万向

5、传动装置在汽车上的应用11.3课题研究方法22 万向传动装置结构方案的确定32.1参考车辆的主要数据32.2万向传动装置设计步骤规划32.3万向传动轴类型选择42.4万向节类型选择52.5主要零件材料和工艺的选择73万向传动装置设计93.1万向传动轴载荷计算93.2十字轴的设计103.3轴承的设计113.4传动轴的设计123.5花键轴的设计134万向传动装置的三维建模154.1轴承零件的三维建模154.2十字轴的三维建模164.3万向节叉的三维建模184.4传动轴的三维建模194.5万向传动装置的装配215万向传动轴有限元分析23结论30参考文献31致谢32III 1 绪论1绪论1.1 选题的

6、意义万向传动装置在汽车的很多方面都有应用。汽车万向传动装置能够在两根相对位置不断变化的两根轴之间实现动力传递。即使两根轴不在同一条直径线上或者以万向节为顶角两轴作为两边，他们所形成的角度在行驶过程中发生改变，整个传动机构依旧能够依靠万向传动装置有效的传递动力。为了使两轴的转速相等，要保持万向节两边的轴与万向节的夹角相等。它主要由万向节、传动轴和中间支承组成。当汽车的发动机为前置，而后轮或者全部车轮为驱动轮时就需要万向传动轴。而且，因为存在汽车在行驶时悬架位置不断改变，这将导致万向传装置两边的两根轴的相对位置也会不断发生改变，所以万向传动轴上又添加了伸缩花键。合理地解决了相对闻之变化的问题。本次

7、设计考虑到整个车身的布置方案，和实际使用情况，合理地修改了设计方案，使得整车的设计更合理，充分发挥汽车的性能。传动轴是由轴管、万向节、伸缩花键等零件组成。连接万向传动轴上花键的伸缩套能根据变速器和驱动桥之间无论是距离还是角度的变化自动调整以适应传动需要。万向节由十字轴、十字轴承和凸缘叉等组成。当变速器的输出轴与驱动桥的输入轴的两轴线所形成的夹角在传动过程中发生改变时，通过万向节也能够实现在两轴之间传递动力的关键装置。不仅万向传动轴的设计很重要，传动轴的位置布置也相当重要，它会影响到万向传动装置性能的发挥，还会影响轴两端所连接的零件的损耗速度，包括主减速器、变速器、分动器、十字万向节等。不合理的

8、车身布置还会影响到驾驶感受。所以本设计除了考虑它的零件尺寸和弯曲强度，扭曲强度之外还需要临界转速，根据分析再进行方案优化，调整布置。1.2万向传动装置在汽车上的应用用于发动机前置后轴驱动汽车的变速器和驱动桥之间。所谓的前置后驱，顾名思义就是这类汽车将所有动力输出装置都固定在了车辆前端的车架上，包括发动机、电动机、变速器、离合器等，而后轮作为驱动轮推动车辆前进。由于驱动轮与车架之间不是刚性连接，存在一组弹性元件。所以这样的车辆他的动力输出轴不仅在轴线上与驱动轮的轴线保持重合，而且还会由于汽车在行驶过程中加减速，路面不平等情况产生外力致使连接驱动轮与车架之间的弹性元件发生弹性形变，两轴的相对位置也

9、很难维持在同一平面内。为了能够让动力再任何情况下都能顺利传递给驱动轮，就需要在两者之间增加万向传动装置。另外，由于变速器与后驱动轮的车桥之间的相对距离很大，为了减小传动轴受弯扭矩的影响和零件的生产及制作工艺，通常我们会将传动轴分成了两段，前后两段传动轴之间用支承固定并增加万向节。万向传动装置还用于四驱或者多轴驱动的SUV或者越野汽车上。分动器一般位于变速器与驱动桥之间，其作用是增大变速器的最大传动比，增加扭矩，从而增大驱动力。由于动力在传递过程中各装置之间的输入轴和输出轴的轴线不在同一平面内，所以需要万向传动装置来实现动力传递。有些重型汽车发动机的输出轴和变速器的输入轴的轴线也不再同一轴线上，

10、中间的动力传递就需要万向传动装置。这样发动机和变速器就可以分开固定。最普通的前置前驱的车辆上也有万向传动轴的应用。由于前轮既是驱动轮，又要承担转向的作用，即转向轮在转向过程中仍需要传递动力，所以在驱动桥的半轴上也需要用万向节连接。如此才能够在两轴夹角变化的同时传递动力。若车辆采用的是独立悬架则在两侧的驱动桥的半轴上都需要万向节。反之，则仅需在转向轴上连接一个万向节。万向传动装置在转向系中也有很广泛的应用。在某些汽车中，设计师为了方便驾驶室的整体布置，便在转向盘和转向器之间添加了万向传动装置，这样就能够在转向盘与转向器不在同一轴线时也能够实现动力传递。同时方便了转向系的布置。1.3课题研究方法1

11、.首先分析万向传动装置在汽车上的应用和其工作原理。结合所学汽车构造、理论力学、材料力学、机械设计原理等内容设计出万向传动装置的各个零件尺寸，并进行理论上的强度校核。2.结合三维建模软件对设计出的零件进行三维建模，并进行装配。3.利用有限元分析软件对装置的主要部位进行分析，得到零件的应力分布和频率分析。然后可以对零件的设计进行优化，有效提高零件的使用性能。15 2 万向传动装置结构方案的确定2 万向传动装置结构方案的确定2.1参考车辆的主要数据表2.1 汽车规格配置表长度（mm）4856发动机最大功率（kW/rpm）160/5500宽度（mm）1820发动机最大扭矩（Nm/rpm）330高度（m

12、m）1475传动轴支承长度（mm）880轴距（mm）2800主减速器传动比3.7轮距（前）（mm）1600最高转速（rpm）7000轮距（后）（mm）1600接近角（）27轮胎型号（前/后）265/65R17离去角（）22整车整备质量（kg）2300后轴轴承品质（kg）1280总排量（L）1965驱动方式前置四驱2.2万向传动装置设计步骤规划1.确定设计方向，结合车辆的实际情况并对比各种设计方案选择合适的万向传动轴和万向节类型。定出万向传动装置的主要组成部件。2.零件尺寸设计和力学分析，根据已确定的万向传动装置的类型再结合图2.1汽车规格配置表设计出零件的尺寸，并进行校核。通过分析弯矩扭矩剪应

13、力，对设计的尺寸、材料、工艺方面进行优化。3.根据设计出的零件尺寸，用三维建模软件PROE、CATIA等对万向传动装置的主要零部件进行三维建模，之后还需进行装配，形成完整的万向传动装置。4.仿真分析，用ANSYS或CATIA等有限元分析软件，对万向传动装置的主要零件进行应力大小及分布和动力学分析。最终优化设计方案。2.3万向传动轴类型选择传动系统不仅类型多种多样，包括机械式、液力式、电力式等，而且本身结构复杂，发动机输出的动力需要经过离合器、变速器、主减速器和差速器才能传递至驱动桥的半轴，整个传动系统无法布置在同一轴线上。所以为了动力传递必须增加万向传动装置。同时，考虑到传动系统有不同的布置方

14、案，万向传动装置的布置和零件设计方案也需要调整。当传动系统的布置方式为发动机前置前驱、发动机后置后驱或者发动机中置时，变速器的输出轴与驱动桥的输入轴之间的距离较短。通常采取的布置方案是两个万向节和一根可伸缩的万向传动轴进行动力传递。这样不仅能够最大程度上简化传动系统，而且能够解决由于在行驶过程中万向传动装置连接的两轴之间相对位置不断变化所产生的负面作用。万向传动轴中的滑动花键副是最重要的组成部分之一，在滑动花键副的最大伸缩量下，滑动花键通过与伸缩套管的配合能够消除两轴之间轴线距离的变化，从而保证动力传递。花键上可以使用耐磨涂层以增加使用寿命。当传动系统的在布置方式为前置后驱或者全轮驱动时，由于

15、变速器与后驱动轮的车桥之间的相对距离很大，为了减小传动轴受弯扭矩的影响和零件的生产及制作工艺，通常我们会将传动轴分成了两段，前后两段传动轴之间用支承固定并增加万向节。本次设计的车辆为全轮驱动的万向传动装置，由于车辆在行驶过程中连接车架和驱动桥的减震器会发生弹性形变，所以驱动桥和减速器输出轴之间的相对位置不断变化，所以我们选用带滑动花键副的万向传动轴。这种传动轴在满足使用要求的前提下，能够很大程度上降低成本，简单的结构也降低了对生产工艺的要求。结合我在材料力学中学习到的知识，本次设计的万向传动轴主要用来传递扭矩，而在转轴传递扭矩时，从径向截面来看，越外的地方传递有效力矩的作用越大。在转轴需要传递较大力矩时，就需要较粗的轴径。而由于在轴心部位传递力矩的作用较小，所以一般采用空心的，能用最少的材料达到最高的使用性能。所以本次设计的万向传动轴也采