基于ANSYS的汽車傳動軸有限元分析與優(yōu)化設計【含有限元】【說明書+CAD+UG】

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The mode shapes and frequency of the output shaft are obtained as well as the distribution of stress, strain, torsion moment. The dynamic characteristics and the static characteristics are discussed after calculations. Reliably theoretical basis for the improvement of design is provided and proposal for optimization is offered. Key words: Output Shaft Finite Element Method Modal Analysis 1 前言前言前言前言 變速箱是用來改變發(fā)動機傳遞到驅動輪上轉矩和轉速的 ，目的是使汽車在不同的行駛工 況下獲得不同的牽引力和速度 。二軸是汽車變速箱中傳遞扭矩的關鍵零件 ，其結構 剛度 直接 影響 變速器正常工作 ，導致 齒輪磨損和 工作噪聲 變大 。因此對二軸進行結構 剛度 特性 分析 十 分必要 。結構 剛度 特性分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性 ，靜態(tài)特性是指固定不變的載荷作用下結構 的效應 ，即由于穩(wěn)態(tài)外載引起的系統(tǒng)或部件的位移 、應力 、應變和力 。動態(tài)特性是指隨時間 變化的載荷對結構或部件的影響 ，主要用模態(tài)頻率來衡量 。利用有限元分析方法可以充分解 析二軸的結構 剛度 特性 。其分 析結果 對二軸結構和尺寸的優(yōu)化 ，以及 使其 具備良好的動靜態(tài) 特性有著重要的意義 。 2 二軸有限元模型建立二軸有限元模型建立二軸有限元模型建立二軸有限元模型建立 在對 汽車變速器二軸進行 有限元分析時 ,首先要 建立準確的實體模型 。按照 變速器二軸的二維圖尺寸 ， 用Unigraphics軟件進行 三維實體 建模 。實體三維圖如 圖1所示 。在建立有限元模型前要對計算模型進行合理 簡化 ，一些微小的細節(jié)可以忽略 ，這對分析精度的影 響不大 。這樣 既可以節(jié)省時間又保證了精度 。然后將 建立好的模型導入 ANSYS中。根據(jù)表 1所示的材料參數(shù) 選用單元類型為六面體 20節(jié)點的 Solid186單元 。進行 有限元 網格劃分 （如圖 2所示 ），單元總數(shù) 25285，節(jié) 點總數(shù) 37628。 圖1 二軸三維實體圖 第三屆中國 CAE 工程分析技術年會論文集 486 表 1 二軸材料參數(shù) 圖 2 有限元模型 3 計算工況選擇計算工況選擇計算工況選擇計算工況選擇 3 1 靜態(tài)載荷工況分析靜態(tài)載荷工況分析靜態(tài)載荷工況分析靜態(tài)載荷工況分析 汽車在行駛過程中 ，由于各個檔位上的齒輪要受圓周力 、徑向力和軸向力作用 ，則二軸 既要承受轉矩又要承受彎矩 ，產生彎曲變形和扭轉變形 。如果二軸 剛度 不夠 ，就會影響正常 工作并產生不良后果 。在計算前 ，要進行工況分析和載荷與約束的施加 。 3 1 1 彎曲工況彎曲工況彎曲工況彎曲工況 二軸為齒輪軸 ，其彎曲工況發(fā)生在 工作時二軸的 垂直振動和 由齒輪傳遞的徑向力 作用在 軸上時 。計算彎曲剛度時 ，采用約束和載荷為 ：在兩端軸頸處約束 6個方向的自由度 ，在載荷 施加處約束除 Z向外的所有 5個方向的自由度 。載荷施加位置為軸的中心處 。 3 1 2 扭轉工況扭轉工況扭轉工況扭轉工況 扭轉工況發(fā)生在汽車行駛過程中 ，駕駛員根據(jù)路況不同反復換檔時 。計算扭轉剛度時 ， 采用約束和載荷為 ：在 Z正向的軸頸處約束 6個方向的自由度 ，在 Z負向的軸頸處約束除 X向轉 動外的其它自由度 。載荷施加在 軸頭齒輪上和花鍵聯(lián)接處 。 3 2 動態(tài)載荷工況動態(tài)載荷工況動態(tài)載荷工況動態(tài)載荷工況 分析分析分析分析 動態(tài)分析即進行 模態(tài)分析 ，主要用于確定結構或機器部件的振動特性 ，模態(tài)分析方法就 是將線性定常系統(tǒng)振動微分方程中的物理坐標變換為模態(tài)坐標 ，使方程組解耦 ，成為一組用 模態(tài)坐標及模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程 ，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù) 。模態(tài)分析主要包括四個步 驟（ 1）建立模型 ；（ 2）加載并求解 ；（ 3）擴展模態(tài) ；（ 4）觀察結果 。 多自由度系統(tǒng)的一般方程為 ： M x C x K x f+ + =& & （ 1） 式中 x q= ， 、 q 分別為模態(tài)矩陣和模態(tài)坐標 ，上式可變換為模態(tài)解耦方程 ： 2 0 0 2 0 0 T n nq q q f + = O O & & O O （ 2） 其中 ，第 r 階模態(tài)方程為 ： 材料 20CrMnTi 彈性模量 3206 10 Mpa 泊松比 0 3 密度 3 37.8 10 kg m 屈服極限 840 Mpa 剛度 極限 1080 Mpa 第三屆中國 CAE 工程分析技術年會論文集 487 ( )2r r r r rK M j C q F + = （ 3） 式中 Tr rF f= ， rM ， rK ， rC 分別為模態(tài)質量 、剛度和阻尼 。由（3）式得 ： ( )2 rr r r r Fq K M j C = + （ 4） 則結構上某點的響應為 ： ( ) 1 n l lr r r x q = = （ 5） 4 靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài)靜態(tài) 剛度剛度剛度剛度 與模態(tài)分析結果及評價與模態(tài)分析結果及評價與模態(tài)分析結果及評價與模態(tài)分析結果及評價 4 1 彎曲工況結果分析彎曲工況結果分析彎曲工況結果分析彎曲工況結果分析 最大應力發(fā)生在 直徑變化處 （如圖 3），是由 于軸徑變化較大 造成的 ，最大應力為 138.27MPa， 20CrMnTi材料的屈服強度為 840MPa，則安全系數(shù)為 6.07 S， S為復合安全系 數(shù)， S1.5 1.8，則滿足剛度的需求 。最大垂直位移發(fā)生在 花鍵 B處，最大水平位移在 齒輪后 端（如圖 4 ）， 最大 位移為 0.0122mm，變形量小于 許用繞度 y=(0.01 0.03)m， m齒輪模數(shù) ， m=2.25。符合彎曲剛度要求 。 圖 3 二軸 彎曲工況 應力云圖 圖 4 二軸 彎曲工況 變形圖 4 2 扭轉工況結果扭轉工況結果扭轉工況結果扭轉工況結果 分析分析分析分析 扭轉工況下 ，高應力區(qū)域出現(xiàn)在 軸頭與花鍵軸過渡處 以及軸徑變化處 (如圖 5)，最大應力 在軸頸與齒輪結合部位 。由于 齒輪 與軸頸 過渡直徑相差過大 造成 。變形圖 （如圖 6所示 ），最 大扭轉在 齒輪 后端的軸身 處。變形量為 0.00102mm。符合扭轉剛度要求 。 圖 3 二軸扭轉工況應力云圖 圖 4 二軸扭轉工況變形圖 第三屆中國 CAE 工程分析技術年會論文集 488 4 3 模態(tài)分析及結果模態(tài)分析及結果模態(tài)分析及結果模態(tài)分析及結果 按上述建立的有限元模型 對二軸 進行了動態(tài)特性分析 ，分析頻率為 0 2000Hz。利用 Block Lanczos 方法提取 10 階模 態(tài)，表 1 為二軸 的計算固有頻率 。 由計算結果可以看出 ， 200Hz 以下有 2 表 1 二軸的計算固有頻率 階模態(tài) ， 200 1000Hz 有 4 階模態(tài) ， 1000 1500Hz 有 1 階模態(tài) ， 1500 2000Hz 有 2 階 模態(tài) 。在 200 1000Hz 間有 4 階模態(tài) ，較為 密集 。由于較低階的振型對結 構振動的影響 程度要高于高階振型 ，因此低階模態(tài)決定了結 構的動態(tài)特性 。第 1 階和第 2 階振型頻率間隔 較小 ，易引起振動疊加 。而 200 1000Hz 間模態(tài)密集 ，極其容易 與其它零部件作用 引起 共振 。這些都嚴重影響 變速器 的工作 。嚴重時 會導致二軸的斷裂 ，在二軸 設計時應盡量避免 這些情況的發(fā)生 。 5 結束語結束語結束語結束語 （ 1）針對汽車變速器二軸進行力有限元靜態(tài)剛度和動態(tài)特性分析 ，其分析結果為結構改 進和優(yōu)化提供理論參考 。需要進一步進行試驗來驗證理論分析的結果 。 （ 2）二軸的剛度符合要求 ，甚至還有一些剛度富余 ，因此在輕量化設計上有很大的潛力 和空間 。從工況分析的結果來看 ，軸的設計和載荷的布置方面還有待改進 。 （ 3）通過模態(tài)分析得出二軸的固有頻率 ，避免與其它零部件或車身發(fā)生共振耦合 。 參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻 : 1 徐灝主編 . 機械設計手冊 (二版 , 第4卷) M . 北京 :機械工業(yè)出版社 , 2000, 6 2 謝逸泉 . 利用有限元分析軟件 ANSYS計算軸的剛度 J. 現(xiàn)代機械 ,2005,(1): 5556 3 易日編著 . 使用 ANSYS6. 1進行結構力學分析 M. 北京 :北京大學出版社 , 2002, 11 4 韋德駿 . 材料力學 M. 北京 :機械工業(yè)出版社 , 1996, 5 作者作者作者作者 簡介簡介簡介簡介 ： ： 姓名 ：魯守衛(wèi) 單位 ：中國汽車技術研究中心 電話 ： 022-84771717（辦公室 ） 13662142845（手機 ） 電子郵箱 ： 地址 ：天津市 59號信箱中國汽車技術研究中心科研處王務林轉魯守衛(wèi) 階次 頻率 （ HZ） 1 166.4 2 188.3 3 417.5 4 574.3 5 709.4 6 936.4 7 1004.3 8 1436.8 9 1887.5 10 1926.6