2865 基于ANSYS的汽車傳動軸有限元分析與優(yōu)化設(shè)計

2865 基于ANSYS的汽車傳動軸有限元分析與優(yōu)化設(shè)計,基于,ansys,汽車,傳動軸,有限元分析,優(yōu)化,設(shè)計 第三屆中國 CAE 工程分析技術(shù)年會論文集 485 汽車變速 器二軸有限元分析 魯守衛(wèi) 業(yè)紅玲 (安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 合肥 230036) 摘要摘要摘要摘要 ：：： ： 在 Unigraphics 軟件中建立二軸三維模型 ，通過接口程序?qū)⒛Ｐ蛯?dǎo)入 ANSYS 環(huán)境中 ，建立二軸有限元 模型 。運(yùn)用有限元理論對二軸進(jìn)行了彎曲和扭轉(zhuǎn)工況的計算 ，獲得對應(yīng) 工況下的應(yīng)力 、應(yīng)變 、扭矩情況 。對二軸 進(jìn)行了模態(tài)分析 ，得出 基本振型和相關(guān)頻率 。探討 了其 受力特性和 動態(tài)性能 ，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計提供了理論依據(jù) 。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 ：：： ：二軸 有限元 模態(tài)分析 Finite Element Analysis of Vehicle Transmission Output Shaft Lu Shou-Wei , Ye Hong-Lin Engineering College of Anhui Agricultural University Hefei 230036 China, Abstract:Out Shaft three-dimensional mode is built by software Unigraphics. The software Ansys is used to build the finite element mode of the output shaft. Calculations have been done in regard to plane bending and utmost torsion of output shaft based on the finite element method. Modal analysis is researched. 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(jī)傳遞到驅(qū)動輪上轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)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(guān)鍵零件 ，其結(jié)構(gòu) 剛度 直接影響 變速器正常工作 ，導(dǎo)致 齒輪磨損和 工作噪聲 變大 。因此對二軸進(jìn)行結(jié)構(gòu) 剛度 特性 分析 十分必要 。結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)的效應(yīng) ，即由于穩(wěn)態(tài)外載引起的系統(tǒng)或部件的位移 、應(yīng)力 、應(yīng)變和力 。動態(tài)特性是指隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu) 剛度 特性 。其分 析結(jié)果 對二軸結(jié)構(gòu)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(jìn)行 有限元分析時 ,首先要建立準(zhǔn)確的實(shí)體模型 。按照 變速器二軸的二維圖尺寸 ，用Unigraphics軟件進(jìn)行 三維實(shí)體 建模 。實(shí)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(jìn)行合理簡化 ，一些微小的細(xì)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(dǎo)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(diǎn)的 Solid186單元 。進(jìn)行有限元 網(wǎng)格劃分 （如圖 2所示 ），單元總數(shù) 25285，節(jié)點(diǎn)總數(shù) 37628。 圖1 二軸三維實(shí)體圖 第三屆中國 CAE 工程分析技術(shù)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(zhuǎn)矩又要承受彎矩 ，產(chǎn)生彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形 。如果二軸 剛度 不夠 ，就會影響正常工作并產(chǎn)生不良后果 。在計算前 ，要進(jìn)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(zhuǎn)工況扭轉(zhuǎn)工況扭轉(zhuǎn)工況扭轉(zhuǎn)工況 扭轉(zhuǎn)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(fù)換檔時 。計算扭轉(zhuǎn)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(fù)向的軸頸處約束除 X向轉(zhuǎn)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(jìn)行 模態(tài)分析 ，主要用于確定結(jié)構(gòu)或機(jī)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(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo) ，使方程組解耦 ，成為一組用模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)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(kuò)展模態(tài) ；（ 4）觀察結(jié)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 qφ= ， [ ]φ 、 { }q 分別為模態(tài)矩陣和模態(tài)坐標(biāo) ，上式可變換為模態(tài)解耦方程 ： { } { } { } [ ] { }20 020 0Tn nq q q fξω ω φ? ? ? ?? ? ? ?+ =? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?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(shù)年會論文集 487 ( )2r r r r rK M j C q Fω ω? + = （ 3） 式中 { }Tr rF fφ= ， rM ， rK ， rC 分別為模態(tài)質(zhì)量 、剛度和阻尼 。由（3）式得 ： ( )2 rr r r rFqK M j Cω ω= ? + （ 4） 則結(jié)構(gòu)上某點(diǎn)的響應(yīng)為 ： ( )1nl lr rrx qω ?== ∑ （ 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(jié)果及評價與模態(tài)分析結(jié)果及評價與模態(tài)分析結(jié)果及評價與模態(tài)分析結(jié)果及評價 4．．． ． 1 彎曲工況結(jié)果分析彎曲工況結(jié)果分析彎曲工況結(jié)果分析彎曲工況結(jié)果分析 最大應(yīng)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(yīng)力為138.27MPa， 20CrMnTi材料的屈服強(qiáng)度為 840MPa，則安全系數(shù)為 6.07＞ [S]， [S]為復(fù)合安全系數(shù)， [S]≥1.5～ 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(yīng)力云圖 圖 4 二軸 彎曲工況 變形圖 4．．． ． 2 扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果扭轉(zhuǎn)工況結(jié)果 分析分析分析分析 扭轉(zhuǎn)工況下 ，高應(yīng)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(yīng)力在軸頸與齒輪結(jié)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(zhuǎn)在 齒輪 后端的軸身 處。變形量為 0.00102mm。符合扭轉(zhuǎn)剛度要求 。 圖 3 二軸扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖 圖 4 二軸扭轉(zhuǎn)工況變形圖 第三屆中國 CAE 工程分析技術(shù)年會論文集 488 4．．． ． 3 模態(tài)分析及結(jié)果模態(tài)分析及結(jié)果模態(tài)分析及結(jié)果模態(tài)分析及結(jié)果 按上述建立的有限元模型 對二軸 進(jìn)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(jié)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(jié) 構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yán)重影響 變速器 的工作 。嚴(yán)重時會導(dǎo)致二軸的斷裂 ，在二軸 設(shè)計時應(yīng)盡量避免這些情況的發(fā)生 。 5 結(jié)束語結(jié)束語結(jié)束語結(jié)束語 （ 1）針對汽車變速器二軸進(jìn)行力有限元靜態(tài)剛度和動態(tài)特性分析 ，其分析結(jié)果為結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化提供理論參考 。需要進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)來驗(yàn)證理論分析的結(jié)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(shè)計上有很大的潛力和空間 。從工況分析的結(jié)果來看 ，軸的設(shè)計和載荷的布置方面還有待改進(jìn) 。 （ 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(xiàn)參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) : [1] 徐灝主編 . 機(jī)械設(shè)計手冊 (二版 , 第4卷) [M] . 北京 :機(jī)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(jī)械 ,2005,(1): 55～56 [3] 易日編著 . 使用 ANSYS6. 1進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析 [M]. 北京 :北京大學(xué)出版社 , 2002, 11 [4] 韋德駿 . 材料力學(xué) [M]. 北京 :機(jī)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(shù)研究中心 電話 ： 022-84771717（辦公室 ） 13662142845（手機(jī) ） 電子郵箱 ： lswwt007@163.com 地址 ：天津市 59號信箱中國汽車技術(shù)研究中心科研處王務(wù)林轉(zhuǎn)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