王英杰基于ANSYS的汽车传动轴有限元分析与优化设计

摘要

ANSYS 有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。传动轴是最常件的零件，该零件结构较为简单，操作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。目前很多传动轴都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。.

本设计是基于ANSYS 软件来汽车传动轴行分析。与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。对零件的设计和优化有很大的参考作用。

正是因为上述优点，我在本设计中运用UG 来建立三维模型。再将此模型导入ANSYS 软件来对其进行分析。

关键词：传动轴，三维建模，ANSYS，动静态分析

A b st r ac t

ANSYS (f i n i t e e l e m e n t) package i s a m u l t i-p ur po s e f i n i t e e l e m e n t method for computer des i gn program that can be used to s o l ve the structure, fluid, e l ec tr i c i ty,

e l ec tr o m ag n et i c

f i e l ds and co lli s i on problems. So it can be applied to the following

i ndus tr i es: aerospace, au tom o t i v e,bi o m ed i ca l,b r i dge s,c on s tr uc t i on,e l ec tr o ni cs,h ea vy machinery, mi cro-el e ct r o m echa ni ca l systems, sports equipment and so on.

Tr an s mi ss i on s h a f t i s the most common a r egu l a r part, the part structure i s s i m p l e, convenient o pera t i on, high pr ec i s i on, low pr i c es, it has been w i d e l y used. At pr ese n t, many have made the appro pr i at e Tr an s mi ss i on s h a f t i mpr o v e m e n t s,it has been gr ea t l y enhanced app li c a bi li ty.

The des i gn i s based on ANSYS s o f t ware to Tr an s m i ss i on s ha f t by the line of s p i nd l e. Compared with the tr adi t i on a l c a l cu l at i on,computer-based f i n i t e e l e m e n t an a l y s i s method can be f a s t er and more accurate r es u l t s.Set the correct m o de l,dividing the right grid, and set a reasonable s o l ut i on process, an a ly t i ca l m o de l can ac curat e l y access t h e various parts of the stress and de f o r m at i on r es u l t s. On the part of the des i gn a nd

op t i mi za t i on has great r ef ere n c e.

It i s because of these advantages, the use of this des i gn in my UG to crea t e

t h r ee-di m e ns i on a l model Tr a ns m i ss i on s h a f t. Then this model was i n tr o duce d by t h e ANSYS s o f t wa r e to i t s line of a n a ly s i s.

Key Words: Tr an smiss i on s h af t，t h r ee-d i me n si on al mo d e li ng，ANSYS，d y n am i c and s t a t i c a n al y s i s目录

摘要.............................................................................................................................. - 1 -Abs tr ac t ............................................................................................................................. -2 -目录.............................................................................................................................. - 2 -第1 章绪论..................................................................................................................... - 4 -

1.1 选题的目的和意义............................................................................................. - 4 -

- 2 -

1.2 选题的研究现状及发展趋势.............................................................................. - 4 -

1.3 传动轴知识........................................................................................................ - 5 -

1.4 传动轴的结构特点............................................................................................. - 5 -

1.5 传动轴重要部件................................................................................................. - 6 -

1.6 传动轴常用类型................................................................................................ - 7 -第2 章本课题任务和研究方法...................................................................................... - 8 -

2.1 课题任务............................................................................................................ - 8 -

2.2 分析方法............................................................................................................. - 8 -

3.3 本课题的研究方法............................................................................................. - 9 -

3.4 有限元方法介绍................................................................................................ - 9 -

3.4.1 概述.................................................................................................................. - 9 -

3.4.2 基本思想......................................................................................................... - 9 -

3.4.3 特点................................................................................................................ -10 -

3.5 ANSYS 软件简介............................................................................................. -11 -第4 章确定汽车传动轴研究对象和UG 建模............................................................. -12 -

4.1 确定汽车传动轴研究对象概述........................................................................ -12 -

4.2 汽车传动轴（变速箱第二轴）的3D 建模设计............................................. -14 -

4.2.1 进入UG 的操作界面............................................................................ -14 -第5 章汽车传动轴的有限元分析................................................................................ -21 -

5.1 有限元分析的基本步骤............................................................................ -21 -

5.2 有限元分析过程与步骤........................................................................... -22 -

5.2.1 转换模型格式........................................................................................ -22 -第六章总结和传动轴的优化设计分析........................................................................ -41 -结论................................................................................................................................ -41 -参考文献........................................................................................................................ -42 -致谢.............................................................................................................................. -43 -

第1 章绪论

1.1 选题的目的和意义

随着计算机技术的日益普及和FEA 技术的蓬勃发展，人们已经广泛采用计算机有限元仿真分析来作为传动轴强度校核的方法。而传动轴向重载、高速、低噪、高可靠性方向发展，现代传动轴设计对传动系统的静、动态特性提出了更高的要求。传动轴设计的主要内容之一是传动轴。因此，建立比较精确的分析模型，准确的掌握轮齿应力的分布特点和变化规律具有重要的意义。

本文采用在UG 等CAD 软件中建立模型,然后导入到ANAYS 中进行分析相比，既省时省力，又克服了模型转换过程中容易出现的一些问题。根据有限元分析结果，与赫兹公式计算结果进行对比，验证了分析结果的可靠性，在保证结构安全可靠运行的条件下，提高设计制造的效率，降低设计研制成本。

本课题从弹性力学的基本理论出发，以传动轴的有限元分析为重点，ANSYS10.0 为软件平台，借助计算机对传动轴进行迅速、高效地强度设计分析，正应了当今市场的需求。

1.2 选题的研究现状及发展趋势

近年来，随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析方法在工程设计和分析中，已成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径。有限元作为CAE 技术中的一种关键计算方法，自20 世纪中叶产生以来，以其独有的魅力得到了越来越广泛的发展和应用。目前，已出现了不同形态的有限元方法，并由此产生了一批非常成熟的通用和专业的有限元商业软件。

ANSYS 软件是美国ANSYS 公司研制的融合结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析与一体的大型通用有限元分析(FEA)软件。其用户涵盖了核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、电子、造船、汽车交通、国防军工、土木工程地矿、水利、日用家电和教学科研等众多领域。该软件可在大多数计算机和操作系统上运行，ANSYS 文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。其基于M ot i f 的菜单系统，让用户能够方便地通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择。另外，ANSYS 能与多数CAD 软件结合使用，实现数据的共享和交换，如A ut o C A D、I-DE A S、Pr o/E ng i n ee r、N A STR A N、Al ogo r 等，是现代产品设计中的高级CAD 工具之一。在相继收购了ICEM、CFX、CENTURY DYN A M I C S、AA VID THERMAL、FLUENT 等世界著名有限元分析程序制造公司并将其产品和ANSYS

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整合之后，ANSYS 实际上已成为世界上最通用和有效的商业有限元软件。在我国，ANSYS 软件经过多年的经营，商业版用户已达数百家，遍及各个领域，与此同时，70%以上的理工大学均用ANSYS 进行科学研究及教学。

1.3 传动轴知识

传动轴是连接或装配各项配件而可移动或转动的圆形物体配件，一般均使用轻而抗扭性佳的合金钢管制成。对前置引擎后轮驱动的车来说是把变速器的转动传到主减速器的轴，它可以是好几节由万向节连接。

1.4 传动轴的结构特点

重型载货汽车根据驱动形式的不同选择不同型式的传动轴。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、伸缩套和万向节组成。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。一般万向节十字轴、十字轴承和凸缘叉等组成。斯太尔系列重型汽车使用的传动轴万向节采用滚柱十字轴轴承，配合以短而粗的十字轴，可传递较大的转距。在轴承端面设有蝶形弹簧，以压紧滚柱。十字轴的端面增加了具有螺旋槽的强化尼龙垫片，可防止大夹角或大转距传递动力时烧结。

传统结构的传动轴伸缩套是将花键套与凸缘叉焊接在一起，将花键轴焊在传动轴管上。而GWB 公司的传动轴一改传统结构，将花键套与传动轴管焊接成一体，将花键轴与凸缘叉制成一体。并将矩形齿花键改成大压力角渐开线短齿花键，这样既增加了强度又便于挤压成形，适应大转矩工况的需要。在伸缩套管和花键轴的牙齿表面，整体涂浸了一层尼龙材料，不仅增加了耐磨性和自润滑性，而且减少了冲击负荷对传动轴的损害，提高了缓冲能力。

该型传动轴在凸缘花键轴外增加了一个管形密封保护套，在该保护套端部设置了两道聚氨酯橡胶油封，使伸缩套内形成厂一个完全密封的空间，使伸缩花键轴不受外界沙尘的侵蚀，不仅防尘而且防锈。因此在装配时在花键轴与套内一次性涂抹润滑脂，就完全可以满足使用要求，不需要装油嘴润滑，减少了保养内容。

1.5 传动轴重要部件

万向节是汽车传动轴上的关键部件。在前置发动机后轮驱动的车辆上，万向节传动轴安装在变速

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在发动机前置后轮驱动（或全轮驱动）的汽车上，由于汽车在运动过程中悬架变形，驱动轴主减速器输入轴与变速器（或分动箱）输出轴间经常有相对运动，此外，为有效避开某些机构或装置（无法实现直线传递），必须有一种装置来实现动力的正常传递，于是就出现了万向节传动。万向节传动必须具备以下特点：a、保证所连接两轴的相对位置在预计范围内变动时，能可靠地传递动力；b 、保证所连接两轴能均匀运转。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；c 、传动效率要高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易。对汽车而言，由于一个十字轴万向节的输出轴相对于输入轴（有一定的夹角）是不等速旋转的，为此必须采用双万向节（或多万向节）传动，并把同传动轴相连的两个万向节叉布置在同一平面，且使两万向节的夹角相等。这一点是十分重要的。在设计时应尽量减小万向节的夹角。

1.6 传动轴常用类型

十字轴式刚性万向节传动轴在汽车传动系中用得最广泛，历史也最悠久。平时所说的传动轴一般指的就是十字轴式刚性万向节传动轴。十字轴式刚性万向节主要用于传递角度的变化，一般由突缘叉、十字轴带滚针轴承总成、万向节叉或滑动叉、中间连接叉或花键轴叉、滚针轴承的轴向固定件等组成。突缘叉一般与变速箱、驱动桥或别的传动轴等连接。突缘叉是一个带法兰的叉形零件，一般采用中碳钢或中碳合金钢的锻造件，也有采用球墨铸铁的砂型铸造件和中碳钢或中碳优质合金钢的精密铸造件。突缘叉一般带一个平法兰，也有带一个端面梯形齿法兰的。十字轴带滚针轴承总成一般包括四个滚针轴承、一个十字轴、一个滑脂嘴。滚针轴承一般由若干个滚针、一个轴承碗、一个多刃口橡胶油封（部分带骨架）组成。在某些滚针轴承中，还有一个带油槽的圆形垫片，有尼龙的，也有采用铜片或其他材料的，主要用于减小万向节轴向间隙，提高传动轴动平衡品质。万向节叉是一个叉形零件，一般采用中碳钢或中碳合金钢的锻造件，也有采用中碳钢的精密铸造件。滚针轴承

的轴向固定件一般是孔（或轴）用弹性挡圈（内外卡式），或轴承压板、锁片、螺栓等。

第2 章本课题任务和研究方法

2.1 课题任务

利用有限元软件ANSYS10.0 的结构分析模块对汽车传动轴进行有限元分析。通过建立汽车传动轴的几何模型、有限元模型，对分析模型进行结构应力分析，学会对有限元分析结果进行分析和优化。

2.2 分析方法

依照图示的此种方法对钢板弹簧的接触应力和钢板弹簧应力进行仿真分析。在分析钢板弹簧的应力是需要注意的是右图在划分网格类型和定义边界条件中间所应夹一接触对的建立的方框，对于应力仿真分析大致与右图的分析方法一致。

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3.3 本课题的研究方法

由于ANSYS 自身的建模比较繁琐，采用借助第三方3D 设计软件建立模型，然后导入到ANSYS 分析，也是目前比较公认的快捷方法。本课题借助UG 设计3D 模型。

3.4 有限元方法介绍

3.4.1 概述

在科学技术领域内，对于许多力学问题和物理问题，人们已经得到了它们遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相应的定解条件，但能用解析法得出精确解的只是少数方程性质比较简单，且几何形状相对规则的问题，而对于大多数问题，由于方程的某些非线性性质的特征或求解区域几何形状的复杂，不能得到解析结果。部分问题可以通过简化得到简化状态下的解答，但过多的简化会导致解答误差很大甚至完全错误。因此，人们经过多年来的寻找，建立和发展了另一种求解途径和方法——数值解法。有限单元法就是其中得以广泛应用的一种。有限单元法是用于求解各类工程实际问题的方法。应力分析中的稳态、瞬态、线性、非线性的问题以及热力学、流体力学、电磁学和高速冲击动力学问题都可以通过有限元方法得到解决。自从20 世纪60 年代C l ough第一次提出“有限单元法（或称有限元法）” 这个名称以来，经过40 多年的发展，它如今已经成为工程分析中应用最广泛的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视，伴随着计算机科学和技术的飞速发展，有限单元法现已成为计算机辅助设计和计算机辅助制造的重要组成部分。

3.4.2 基本思想

数值分析的任务，就是从无限维空间转化到有限维空间，把连续系统转变为离散系统的结构。有限元法是利用场函数分片多项式逼近模式来实现离散化过程的，也就是说，有限元法依赖于这样的有限维子空间，它的基函数系是具有微小支集的

函数系，这样的函数系与大范围分析相结合，反映了场内任何两个局部地点场变量的相互依赖关系。任何一个局部地点，它的影响函数和影响区域，正是基函数本身

和它的支集。在线性力学范畴里，场内处于不同位置的力相互作用产生的能量可用双线性泛函B(Φi,Φj)来表示，其中Φi,Φj正是相应的点的基函数。B(Φi,Φ j)的大小与Φi,Φj支集的交集大小有关，如果两个支集的测度为零，则B(Φi,Φ

j)=0，因此，离散化所得到的方程的系数矩阵是稀疏的。若区域分割得愈细，则支集不相交的基函数对愈多，矩阵也就愈稀疏，这给数值解法带来了极大的方便。

3.4.3 特点

（1）物体离散化将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称为单元剖分。离

散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来，单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况下，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量也就越大。）所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构体，而是由新材料的众多单元以一定方式连接成的离散物体。因此，用有限元分析计算所获得的结果只是近似值，但划分单元数目非常多且合理，则所获得的结果就与实际情况基本相符。

（2）单元特性分析

(a) 选择位移模式在有限元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移

法；选择节点力作为

基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体和结构体在离散化之后，就可以把单元中的一些物理量，如位移、应变和应力等用节点位移来表示，这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法就将位移表示为坐标变量的简单函数，这种函数称为位移模式或位移函数。

(b) 分析单元的力学性质根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置

及其含义等，找出单元节

点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。

(c) 计算等效节点力

物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元，但是对于实

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际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效地移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。

(3) 单元组集

利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程：

K*q=f

其中：K 是整体结构的刚度矩阵；q 是节点位移列阵；f 是载荷列阵。

(4) 求解未知节点位移求解有限元方程式可以得出位移。这里，可以根据方程组的

具体特点来选择合

适的计算方法。通过上述分析可以看出，有限元的基本思想是“一分一合”，分是

为了进行单元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析。

3.5 ANSYS 软件简介

ANSYS 软件是融合结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析与一体的大型通用有限元分析(FEA)软件。它是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS 公司开发的，并能与多数CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如Pr o/E ng i n ee r、N A STR A N、Al ogo r、I-DE A S、Auto C A D 等，是现代产品设计中的高级CAD 工具之一。ANSYS 软件是第一个通过I SO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会ASME、美国核安全局NQA 及近20 种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内，它第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院17 个部委推广使用。

ANSYS 软件主要包括三部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块Prepro ce ss o r、分析计算模块S o l ut i on、后处理模块Po s t p r o ce ss o r。前处理模块Preprocessor 提供了一个强大的实体建模和网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块So l ut i on包括结构分析、流体力学分析、电磁场分析、声场分析。压电分析及多物理场的耦合分析，可模拟多重物理介质的相互作用，具有灵敏度分析和优化分析能力；后处理模块Postprocessor 可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来。

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第 4 章 确定汽车传动轴研究对象和 UG 建模

4.1 确定汽车传动轴研究对象概述

本设计是根据东方之子 1.8L 手动豪华车型而开展的，设计中所采用的相关参数 均来源于此种车型：

主减速比：4.782 最高时

速：190km/h 轮胎型

号：205/65R15 发动机

型号：SQR481F C 最大扭

矩：170Nm/4500 最大功

率：95kw/5750

最高转速：6000r/min 奇瑞东方之子 1.8L 豪华型

某些轿车和货车的变速器，采用仅在好路和空载行驶时才使用的超速档。采用 传动比小于 1（0.7~0.8）的超速档，可以更充分地利用发动机功率，降低单位行驶 里程的发动机曲轴总转数，因而会减少发动机的磨损，降低燃料消耗。但与传动比 为 1 的直接档比较，采用超速档会降低传动效率。

有级变速器的传动效率与所选用的传动方案有关，包括传递动力的齿轮副数 目、转速、传递的功率、润滑系统的有效性、齿轮及轴以及壳体等零件的制造精度、 刚度等。

三轴式和两轴式变速器得到的最广泛的应用。

三轴式变速器如图 1-1 所示，其第一轴的常啮合齿轮与第二轴的各档齿轮分别 与中间轴的相应齿轮相啮合，且第一、第二轴同心。将第一、第二轴直接连接起来 传递扭矩则称为直接档。此时，齿轮、轴承及中间轴均不承载，而第一、第二轴也 传递转矩。因此，直接档的传递效率高，磨损及噪音也最小，这是三轴式变速器的 主要优点。其他前进档需依次经过两对齿轮传递转矩。因此。在齿轮中心距（影响 变速器尺寸的重要参数）较小的情况下仍然可以获得大的一档传动比，这是三轴式 变速器的另一优点。其缺点是：处直接档外其他各档的传动效率有所下降。

图1-1轿车中间轴式四档变速器

1—第一轴；2—第二轴；3—中间轴

两轴式变速器如图1-2 所示。与三轴式变速器相比，其结构简单、紧凑且除最到档外其他各档的传动效率高、噪声低。轿车多采用前置发动机前轮驱动的布置，因为这种布置使汽车的动力-传动系统紧凑、操纵性好且可使汽车质量降低6%~10%。两轴式变速器则方便于这种布置且传动系的结构简单。如图所示，两轴式变速器的第二轴（即输出轴）与主减速器主动齿轮做成一体，当发动机纵置时，主减速器可用螺旋锥齿轮或双面齿轮；当发动机横置时则可用圆柱齿轮，从而简化了制造工艺，降低了成本。除倒档常用滑动齿轮（直齿圆柱齿轮）外，其他档均采用常啮合斜齿轮传动；个档的同步器多装在第二轴上，这是因为一档的主动齿轮尺寸小，装同步器有困难；而高档的同步器也可以装在第一轴的后端，如图示。

两轴式变速器没有直接档，因此在高档工作时，齿轮和轴承均承载，因而噪声比较大，也增加了磨损，这是它的缺点。另外，低档传动比取值的上限（i gⅠ=4.0~4.5）也受到较大限制,但这一缺点可通过减小各档传动比同时增大主减速比来取消。

图 1-2 两轴式变速器

1—第一轴；2—第二轴；3—同步器

有级变速器结构的发展趋势是增多常啮合齿轮副的数目，从而可采用斜齿轮。后者比直齿轮有更长的寿命、更低的噪声，虽然其制造稍复杂些且在工作中有轴向力。因此，在变速器中，除低档及倒档外，直齿圆柱齿轮已经被斜齿圆柱齿轮所代

替。但是在本设计中，由于倒档齿轮采用的是常啮式，因此也采用斜齿轮。

由于所设计的汽车是发动机前置，后轮驱动，因此采用中间轴式变速器。

变速箱第二轴图纸

4.2 汽车传动轴（变速箱第二轴）的3D 建模设计

4.2.1 进入UG 的操作界面

1 选择桌面上的UG NX5.0

2 新建空白文件，输入文件名

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3、进入建模环境

4、进入草图环境

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5、绘制汽车传动轴第二轴的草图

6、旋转生成3D 实体

7、倒角

8、建立键槽基准面

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9、草绘键槽

10、切除键槽

11、倒角

12、生成完整的3D 模型

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