基于ANSYS的汽車萬向傳動裝置有限元分析

基于ANSYS的汽車萬向傳動裝置有限元分析,基于,ansys,汽車,萬向,傳動,裝置,有限元分析 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文） 設(shè)計(論文)題目： 基于ANSYS的汽車萬向傳動裝置的有 　　　　　　　　 限元分析 學(xué)生姓名： 二級學(xué)院： 班　　級： 提交日期： 目錄 目 錄 摘 要 III Abstract IV 1.緒 論 1 1.1課題研究背景和意義 1 1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 1 1.3 課題研究內(nèi)容與技術(shù)手段 1 1.3.1研究內(nèi)容 1 1.3.2課題研究步驟 1 1.3.3技術(shù)手段 2 2.萬向傳動裝置簡介 3 2.1萬向傳動裝置的類型 3 2.2汽車萬向傳動裝置工作原理 3 2.3 萬向傳動軸的分析思路 3 2.4傳動軸結(jié)構(gòu)方案簡介 4 2.5萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案簡介 4 2.5.1十字軸式剛性萬向節(jié) 4 2.5.2雙聯(lián)式萬向節(jié) 5 2.5.3撓性萬向節(jié) 5 2.6本章小結(jié) 5 3.基于CATIA的萬向傳動裝置的三維建模 6 3.1傳動軸的三維模型的建立 6 3.2十字軸萬向節(jié)叉的三維建模 6 3.3軸承的三維建模 7 3.3.1滾針的三維建模 7 3.3.2軸承保持架的三維建模 7 3.3.3軸承內(nèi)圈建模 8 3.3.4軸承外圈建模 8 3.4十字軸的三維建模 9 3.5萬向節(jié)叉的三維建模 9 3.6萬向傳動軸的裝配 10 4.萬向傳動軸的有限元分析 11 4.1萬向傳動軸的靜力分析 11 4.2萬向傳動軸的模態(tài)分析 17 5.結(jié)論與展望 26 參考文獻(xiàn) 27 致 謝 28 II 摘要 基于ANSYS的汽車萬向傳動裝置有限元分析 摘 要 汽車萬向傳動裝置是汽車傳動系的重要組成部分，其作用是連接不在同一直線上的變速器輸出軸和主減速器輸入軸，并保證在兩軸之間的夾角和距離經(jīng)常變化的情況下，仍能可靠地傳遞動力。本設(shè)計以哈弗H8為參考，利用CATIA軟件對萬向傳動裝置進行三維建模并裝配，然后利用ANSYS軟件對傳動軸進行靜態(tài)分析和模態(tài)分析。通過靜態(tài)分析得出傳動軸的位移、等效應(yīng)力和剪切應(yīng)變，分析其是否符合設(shè)計要求；通過模態(tài)分析得出傳動軸的各階固有頻率，為共振研究提供參考。 關(guān)鍵詞：萬向傳動裝置；CATIA；傳動軸；ANSYS I Abstract Car universal transmission device based on ANSYS finiteelement analysiss Abstract Automotive universal transmission device is an important part of Automobile Powertrain, its role is not in the same straight line connecting the transmission output shaft and the main gear box input shaft, and to ensure that in the case of the angle and the distance between the two shafts constantly changing and still reliably transmitted power. The H8 designed to Harvard as a reference, according to the data of CATIA software, three-dimensional modeling and assembly, and then use ANSYS software middle portion of the drive shaft static analysis and modal analysis. Draw shaft displacement, equivalent stress and shear strain through static analysis, the natural frequencies and the maximum critical speed of the drive shaft through the modal analysis,Provide a reference for resonance. Key words:universal transmission device; CATIA ; drive shaft; ANSYS II 第1章緒論 1.緒 論 1.1課題研究背景和意義 汽車萬向傳動裝置是汽車底盤傳動系的主要總成之一，在工作中承受著巨大的轉(zhuǎn)矩和動載荷。經(jīng)長期使用后，技術(shù)狀況會發(fā)生變化，這會對發(fā)動機向主減速器動力的傳遞造成影響，從而使萬向傳動裝置的傳動效率降低，油耗也會急劇上升，造成經(jīng)濟的損失，失去正常工作的能力。它的主要作用是將一根軸的動力傳遞給另外的一根軸，這兩根軸的位置關(guān)系是軸線相交并且位置會經(jīng)常發(fā)生變化。萬向傳動裝置通常由傳動軸、萬向節(jié)等零部件組成。本課題主要是以萬向傳動裝置中的傳動軸為例，對其進行靜態(tài)分析和模態(tài)分析。通過靜態(tài)分析得出傳動軸的位移、等效應(yīng)力和剪切應(yīng)變云圖，通過模態(tài)分析得出傳動軸的固有頻率和最大臨界轉(zhuǎn)速，為共振提供參考。 1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向 我國汽車業(yè)的高速發(fā)展，而汽車萬向傳動裝置作為汽車底盤傳動系的重要總成之一，其需求量也得到了不斷的提高。雖然我國有很多的萬向傳動軸制造廠，但生產(chǎn)出來的產(chǎn)品與國外的相比，還是有很大的差距的，主要原因是有很多的制造廠還沒有對產(chǎn)品制定出相關(guān)技術(shù)規(guī)范，而在國外的制造廠，他們制定出很多的技術(shù)規(guī)范，而且還對傳動軸進行分析，目的是為了防止汽車在行駛過程中出現(xiàn)異響。展望未來，我國經(jīng)濟繼續(xù)保持高增長速度，我國的經(jīng)濟轉(zhuǎn)型也將繼續(xù)向前推動，國家對基本建設(shè)的投資加大，尤其是汽車生產(chǎn)企業(yè)。在經(jīng)濟全球化的今天，技術(shù)并不能全球化，核心技術(shù)是買不來的，尤其像萬向傳動裝置等技術(shù)，我們基本處于引進來照著搬的套路來的，在大量引進的同時，也失去了很多自主發(fā)展的機會，我國應(yīng)掌握萬向傳動裝置的核心技術(shù)，提高制造核心部件的能力，從而降低損耗、成本和投資風(fēng)險。所以，必須把提高自主創(chuàng)新能力放在首位，加強我們自己的技術(shù)水平，努力做到更好。 1.3 課題研究內(nèi)容與技術(shù)手段 1.3.1研究內(nèi)容 本課題首先運用CATIA軟件對萬向傳動裝置的各部件進行建模然后再將萬向傳動裝置的主要部件傳動軸導(dǎo)入到ANSYS軟件中進行靜態(tài)和模態(tài)分析，得到一些數(shù)據(jù)，以便進行分析得出結(jié)論。 1.3.2課題研究步驟 第一步，分析汽車萬向傳動裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；研究運用有限元對汽車部件進行分析，并將其與汽車設(shè)計、機械制圖、機械設(shè)計、材料力學(xué)、計算機設(shè)計分析軟件等相關(guān)知識有機結(jié)合、熟練運用。 第二步，根據(jù)數(shù)據(jù)，運用CAD/CAE/CAM軟件CATIA進行建模并裝配。 最后，運用有限元分析軟件對萬向傳動裝置中的傳動軸進行靜態(tài)分析和模態(tài)分析。 1.3.3技術(shù)手段 CATIA源于航空航天業(yè)，是法國達(dá)索公司的開發(fā)的，廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)中，在各行各業(yè)的實際應(yīng)用中，其強大的功能得到了他們的認(rèn)可。CATIA的用戶有很多，其中就有很多知名企業(yè)，比如波音、寶馬等等。這些企業(yè)在世界的制造企業(yè)中具有著很高的地位。 ANSYS軟件時美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析軟件，是世界范圍內(nèi)增長速度最快的計算機輔助工程軟件，能與多數(shù)計算機輔助設(shè)計軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。 隨著計算機的普及，電子計算機技術(shù)也得到了快速發(fā)展，而有限元法是其中一種非常有效的分析方法，在當(dāng)今工程分析中獲得很廣泛的應(yīng)用。它已成功地用來求解固體力學(xué)、熱傳導(dǎo)、流體流動、電磁場、聲場等問題。它已成為工程分析的必備工具，解決了大量的實際問題，為國名經(jīng)濟建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn)。 2 第2章萬向傳動裝置簡介 2.萬向傳動裝置簡介 2.1萬向傳動裝置的類型 早在1352年的大教堂時鐘中就出現(xiàn)了萬向傳動裝置了。在1663誕生了虎克萬向節(jié)，也就是十字萬向節(jié)。在同一年內(nèi)又研制出雙聯(lián)式的萬向節(jié)，解決了單個萬向節(jié)的不等速性，并在1901年正式用于汽車的轉(zhuǎn)向輪中。在二十世紀(jì)初，虎克萬向節(jié)和傳動軸，以及后來的等速萬向節(jié)和傳動軸在機械工程和汽車工業(yè)的發(fā)展中起到了極其重要的作用?，F(xiàn)在，根據(jù)在扭轉(zhuǎn)方向上是否有明顯的彈性，萬向節(jié)可分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié)。剛性萬向節(jié)是靠零件的鉸鏈?zhǔn)絺鬟f動力，撓性萬向節(jié)是靠彈性零件傳遞動力的具有緩沖減震作用。 汽車萬向傳動裝置一般由萬向節(jié)、傳動軸和中間支撐組成。它的作用主要是將一根軸的動力傳遞給另外的一跟軸，這兩根軸的位置關(guān)系是軸線相交并且位置會經(jīng)常發(fā)生變化。萬向節(jié)是保證兩軸線夾角的變化，并實現(xiàn)兩軸的等角速傳動。傳動軸是用來傳遞轉(zhuǎn)矩的。中間支撐是為了防止車輛在行駛中由于一些原因引起的位移。 1950年后，傳動軸的產(chǎn)量在不斷提高。1984年由于汽車工業(yè)的快速發(fā)展，帶動了萬向節(jié)的需求。在國內(nèi)，近年來隨著我國汽車業(yè)的高速發(fā)展，帶動我國汽車萬向傳動裝置的需求。萬向傳動裝置可分為閉式和開式兩種： （1） 閉式萬向傳動裝置采用單萬向節(jié)，傳動軸被封閉在套管中，套管與車架做球鉸連接，而與驅(qū)動橋固做定連接。其最大特點是：傳動軸外殼作為推力管來傳遞汽車的縱向力，從而使傳動軸外殼起到了懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機構(gòu)中縱向擺臂的作用，這對于其后懸架拆用螺旋彈簧作為彈性元件是十分必要的。 （2） 開式萬向傳動裝置結(jié)構(gòu)簡單、重量輕。廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車中。 2.2汽車萬向傳動裝置工作原理 萬向節(jié)也叫做萬向接頭，是用來傳遞變角度的動力，兩軸的相對位置是可以變化的，它是汽車萬向傳動裝置的重要組成部分之一。萬向節(jié)是與傳動軸組合來實現(xiàn)動力傳遞的，它們被稱為萬向節(jié)傳動裝置。萬向傳動裝置組成部分一般為萬向節(jié)和傳動軸，有的為了避免共振的發(fā)生，還會在傳動軸的中間添加支撐。在萬向節(jié)配合中，一個零部件（輸出軸）繞自身軸的旋轉(zhuǎn)是由另一個零部件萬向節(jié)（輸入軸）繞其軸的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的。 2.3 萬向傳動軸的分析思路 對于此車的萬向傳動裝置的具體研究思路為： （1）三維建模：運用CATIA的零件設(shè)計模塊對萬向傳動裝置的各零部件進行三維建模； （2）運用裝配模塊對三維實體零件進行組裝； （3）對傳動軸進行靜態(tài)分析和模態(tài)分析； （4）根據(jù)得到的數(shù)據(jù)進行分析并得出結(jié)論。 2.4傳動軸結(jié)構(gòu)方案簡介 萬向傳動軸的組成一般有萬向節(jié)、傳動軸和中間支撐。為了得到較高的強度和剛度，傳動軸一般做成空心的，采用薄鋼板卷焊而成的。在轎車上的萬向傳動裝置中，傳動軸基本上都做成空心的。在傳動軸上應(yīng)有花鍵，其作用是實現(xiàn)傳動長度的變化?；ㄦI與鍵槽之間的空隙不能過大，且應(yīng)該按照裝配標(biāo)準(zhǔn)來裝配，以免影響動平衡。在萬向傳動軸中存在著軸向滑動阻力和磨損，為了減小這個現(xiàn)象，一般采用的方法是在制造花鍵時對其進行磷化處理或者在花鍵表面噴涂上尼龍層。還有的是在安裝時在花鍵的槽內(nèi)裝置滾動元件。汽車總布置的設(shè)計決定了傳動軸的長度和夾角及它們的變化范圍。應(yīng)保證傳動軸在長度處在最大值時，花鍵套和軸有足夠的配合長度，而在長度處在最小時不頂死。傳動軸的夾角大小直接影響到萬向傳動裝置的壽命、效率和不均勻性。 當(dāng)傳動軸的長度一定時，其橫截尺寸的選擇應(yīng)具有足夠的強度和足夠高的臨界轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速是指當(dāng)傳動軸轉(zhuǎn)速達(dá)到某一時刻出現(xiàn)的共振現(xiàn)象，此時的轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速。它的大小由傳動軸的長度和截面尺寸大小決定的。傳動軸應(yīng)還要有足夠的扭轉(zhuǎn)強度。 為了減輕由于傳動軸造成不平衡而產(chǎn)生的振動和噪聲，可以提高滑動花鍵的耐磨性、高速回轉(zhuǎn)時傳動軸的彈性變形等等都能改變傳動軸的不平衡度。傳動軸的不平衡度，轎車在每分鐘轉(zhuǎn)速達(dá)到3000到6000轉(zhuǎn)時應(yīng)不大于25到35g.cm；貨車在每分鐘轉(zhuǎn)速達(dá)到1000到4000轉(zhuǎn)時不大于50到100g.cm。此外，傳動軸總成徑向全跳動應(yīng)不大于0.5到0.8毫米。 在長軸距車輛中的傳動軸一般設(shè)有中間支承。其作用是為了防止產(chǎn)生共振，補償傳動軸的軸向角度方向的安裝誤差。軸承可在軸承座內(nèi)滑動，能夠適應(yīng)其變形和行駛中出現(xiàn)的位移。 本課題中的傳動軸是采用的帶伸縮花鍵的空心傳動軸。傳動軸管用薄鋼板卷焊而成。滑動花鍵可以伸縮以適應(yīng)變速器與驅(qū)動橋之間的距離變化。此外，花鍵軸的鍵齒還進行了磷化處理以減少花鍵副的磨損與滑動阻力。這種傳動軸結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低且傳動效率高。 2.5萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案簡介 2.5.1十字軸式剛性萬向節(jié) 十字軸式剛性萬向節(jié)一般由一個十字軸、兩個萬向節(jié)和四個滾針軸承等組成。其中十字軸是將兩個萬向節(jié)連接在一起，有利于動力的傳遞。兩個萬向節(jié)與十字軸相連是為了當(dāng)一個萬向節(jié)在運動時，另外一個萬向節(jié)也可以隨之而動，而運動的方向可以圍繞著十字軸的中心任意擺動。四個滾針軸承是安裝在十字軸的四個軸頸上，這樣有利與提高傳動效率和減小磨損。在安裝了滾針軸承之后對其進行潤滑密封裝置，潤滑是為了減小滾針軸承和十字軸的磨損，延長使用壽命，密封裝置是為了防止?jié)櫥偷男孤┖突覊m的進入，從而提高它的傳動效率。密封設(shè)置一般采用橡膠密封圈，其有利于提高密封性能。這種十字軸式的剛性萬向節(jié)能夠被廣泛的應(yīng)用于傳動裝置是因為它的結(jié)構(gòu)簡單，傳動可靠性強，成本低。但其也有不足之處，那就是萬向節(jié)的不等速性。造成這種情況的原因就是單個萬向節(jié)在兩軸之間存在著夾角的情況下，傳遞動力時會使兩軸的角速度不相等。 2.5.2雙聯(lián)式萬向節(jié) 雙聯(lián)式萬向節(jié)一般由兩個萬向節(jié)和一個雙聯(lián)叉組成的。有的在其中裝有分度機構(gòu)，是為了讓兩軸的角速度相等。而偏心十字軸式雙聯(lián)萬向節(jié)當(dāng)中是沒有設(shè)置分度機構(gòu)的，但也可使兩軸的角速度近似相等。此萬向節(jié)的優(yōu)點有可以在兩軸夾角較大時傳遞動力，還有工作可靠性強、傳動的效率高。其缺點就是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零件多。這種萬向節(jié)在增大主銷內(nèi)傾角之后才能用于汽車的轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋。這種沒有設(shè)置分度機構(gòu)的雙聯(lián)式的萬向節(jié)，只有在軍用越野車中的得到廣泛應(yīng)用。 2.5.3撓性萬向節(jié) 撓性萬向節(jié)能夠減小傳動系的扭轉(zhuǎn)振動、動載荷和噪聲，其結(jié)構(gòu)簡單，在使用中不需要潤滑，一般用于兩軸間夾角不大的傳動場合。 本課題中的萬向傳動裝置中的萬向節(jié)是采用的十字軸式剛性萬向節(jié)作為萬向節(jié)，因為兩軸之間夾角不大。 2.6本章小結(jié) 首先對萬向傳動裝置做出了一些說明，簡介了萬向傳動裝置的工作原理，其次確定選擇哈弗H8為參考，總結(jié)對萬向傳動軸的研究思路，對傳動方案做出一些簡介。 6 第3章基于CATIADE 萬向傳動裝置的三維建模 3.基于CATIA的萬向傳動裝置的三維建模 3.1傳動軸的三維模型的建立 打開CATIA軟件，進入“零件設(shè)計”模塊，將文件名改為“傳動軸”，繪制出傳動軸的三維模型圖，如圖3.1所示。 圖3.1傳動軸的三維圖形 然后繪制出花鍵軸、萬向節(jié)叉（焊接于傳動軸），如圖3.2所示。 圖3.2傳動軸完整的三維圖 3.2十字軸萬向節(jié)叉的三維建模 打開CATIA軟件，進入“零件設(shè)計”模塊，將文件名改為“十字軸萬向節(jié)叉”，繪制出十字軸式萬向節(jié)叉模型，如圖3.3所示。 圖3.3十字軸式萬向節(jié)叉 3.3軸承的三維建模 3.3.1滾針的三維建模 打開CATIA軟件，進入“零件設(shè)計”模塊，將文件名改為“滾針”，繪制出滾針三維模型，如圖3.4所示。 圖3.4滾針的三維模型 3.3.2軸承保持架的三維建模 打開CATIA軟件，進入“零件設(shè)計”模塊，將文件名改為“軸承支架”，繪制出軸承支架三維模型，如圖3.5所示。 圖3.5軸承支架 3.3.3軸承內(nèi)圈建模 打開CATIA軟件，進入“零件設(shè)計”模塊，將文件名改為“軸承內(nèi)圈”，繪制出軸承內(nèi)圈三維模型，如圖3.6所示。 圖3.6軸承內(nèi)圈三維圖 3.3.4軸承外圈建模 打開CATIA軟件，進入“零件設(shè)計”模塊，將文件名改為“軸承外圈”，繪制出軸承外圈三維模型，如圖3.7所示。 圖3.7軸承外圈的三維模型 3.4十字軸的三維建模 打開CATIA軟件，進入“零件設(shè)計”模塊，將文件名改為“十字軸”，繪制出十字軸三維模型，如圖3.8所示。 圖3.8十字軸的三維模型 3.5萬向節(jié)叉的三維建模 打開CATIA軟件，進入“零件設(shè)計”模塊，將文件名改為“萬向節(jié)叉”，繪制出萬向節(jié)叉三維模型，如圖3.9所示。 圖3.9萬向節(jié)叉的三維模型 3.6萬向傳動軸的裝配 打開CATIA軟件，進入“裝配設(shè)計”模塊，將文件名改為“裝配圖”，根據(jù)裝配步驟進行裝配，并對各部件著色，如圖4.10所示。 圖4.10裝配圖 11 第4章萬向傳動軸的有限元分析 4.萬向傳動軸的有限元分析 4.1萬向傳動軸的靜力分析 靜力分析用于求解靜力載荷下結(jié)構(gòu)的位移應(yīng)變等。本課題是借助有限元分析軟件 ANSYS對萬向傳動軸進行了靜力分析，獲得了位移云圖、等效應(yīng)變云圖和剪切應(yīng)變云圖。 分析步驟如下： 1.建立分析項目 啟動ansys workbench并建立分析項目如圖4.1所示，在項目管理區(qū)創(chuàng)建靜力學(xué)分析項目A。 圖4.1建立分析項目 2.添加材料庫 進入主項目下的engineering data，添加材料。材料選用45鋼，彈性模量為210Gpa，泊松比為0.269，密度為7850kg/m3，如圖4.2所示。 圖4.2添加材料 3.導(dǎo)入三維模型 返回主界面，雙擊geometry模塊，設(shè)置單位為mm，點擊file菜單下的import external geometry file，導(dǎo)入catia建立的幾何模型。點擊generate，生成幾何模型，如圖4.3所示。 圖4.3模型的導(dǎo)入 4.添加材料模型屬性 返回主項目，點擊model模塊。點擊geometry下的Part。在details of part1中設(shè)置模型材料為45鋼。如圖4.4所示。 圖4.4添加材料模型屬性 5.網(wǎng)格劃分 選擇實體，并設(shè)置劃分網(wǎng)格尺寸為10mm，是為了得到精確的分析結(jié)果，如圖4.5、圖4.6所示。 圖4.5網(wǎng)格尺寸的劃分 圖4.6網(wǎng)格劃分后 6.添加約束 給傳動軸的大端添加位移約束，約束其X、Y、Z三個方向的自由度。如圖4.7所示。 圖4.7添加約束 7.施加壓力 給軸的小端添加載荷。選擇軸的小端，根據(jù)《機械設(shè)計基礎(chǔ)》書上的內(nèi)容傳動軸在滿載時所受到的力一般為1590N.mm繞軸線的力矩。如圖4.8所示。 圖4.8施加壓力 8.進入求解設(shè)置 設(shè)置求解選項。選擇直接求解方式。如圖4.9和4.10所示。 圖4.9求解方式的選擇 圖4.10開始求解 點擊生成應(yīng)力應(yīng)變云圖，如圖4.11所示，從圖中可以看出，在傳動軸的小端處位移最大為0.25mm。 4.11傳動軸位移云圖 點擊生成等效應(yīng)力云圖，如圖4.12所示，從圖中可以看出，在軸徑變化處的等效應(yīng)力最大為213Mpa。 4.12傳動軸等效應(yīng)力云圖 點擊生成剪切應(yīng)變云圖，如圖4.13所示，從圖中可以看出，在軸徑變化處的剪切應(yīng)變最大為0.0015mm。 4.13傳動軸剪切應(yīng)變云圖 點擊生成剪切應(yīng)力云圖，如圖4.14所示，從圖中可以看出，在軸徑變化處的剪切應(yīng)力最大為123Mpa。 4.14最大剪切應(yīng)力云圖 通過靜態(tài)分析可知，在對傳動軸的小端處施加1590N.mm繞軸線的力矩時，其最大總體變形位移為0.25mm，最大等效應(yīng)力為213Mpa，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.0015mm，最大剪切應(yīng)力為123Mpa，根據(jù)選用材料45鋼的強度特性，抗拉強度不小于600Mpa，屈服強度不小于355Mpa，從《機械設(shè)計基礎(chǔ)》書上查得45剛的最大許用剪切應(yīng)力一般為155Mpa。因為此傳動軸的最大剪切應(yīng)力123Mpa小于155Mpa，所以此傳動軸是合理的。 4.2萬向傳動軸的模態(tài)分析 機械結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析主要包括模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、隨機振動分析和結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動力分析。由于汽車系統(tǒng)工作過程的復(fù)雜性，以及對隨機振動諧波無法精確測量，所以現(xiàn)代汽車設(shè)計過程中，無法通過CAE軟件精確地模擬出制動系統(tǒng)隨機振動特性和結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動力特性。本節(jié)將通過ANSYS Workbench，對傳動軸進行模態(tài)分析，獲得零件的固有頻率，分析結(jié)構(gòu)對振動的影響。 模態(tài)分析主要應(yīng)用的在以下幾個幾個場合：（1）對結(jié)構(gòu)性能的評價（2）對零部件動態(tài)設(shè)計的預(yù)測與優(yōu)化（3）對零部件診斷與故障的預(yù)報（4）對聲音的控制 分析步驟如下： 1.建立分析項目 啟動ansys workbench并建立分析項目如圖4.15所示，在項目管理區(qū)創(chuàng)建分析項目A。 圖4.15建立分析項目 2.導(dǎo)入三維模型 雙擊geometry模塊，設(shè)置單位為mm。如圖4.16所示。 圖4.16單位設(shè)置 點擊file菜單下的import external geometry file，導(dǎo)入catia建立的幾何模型。點擊generate，生成幾何模型，如圖4.17所示。 圖4.17生成幾何模型 3. 添加材料庫 點擊主項目下的engineering data，添加材料。材料選用45鋼，如圖4.18彈性模量為210Gpa，泊松比為0.269，密度為7850kg/m3 ，如圖4.19所示。 圖4.18材料的添加 圖4.19參數(shù)的設(shè)定 4.添加材料模型屬性 返回主項目，點擊model模塊。點擊geometry下的Part，在details of part1中設(shè)置模型材料為45鋼，如圖4.20所示。 圖4.20添加材料模型屬性 5.網(wǎng)格劃分 選擇實體，并設(shè)置劃分網(wǎng)格尺寸為5mm，是為了得到精確的分析結(jié)果，如圖4.21、圖4.22所示。 圖4.21定義網(wǎng)格尺寸 圖4.22網(wǎng)格劃分后 統(tǒng)計計算出節(jié)點數(shù)為118191，單元數(shù)為78828，如圖4.23所示。 圖4.23統(tǒng)計圖 6. 模態(tài)求解設(shè)置 本次求解無預(yù)應(yīng)力，所以Pre-Stress設(shè)置為none，設(shè)置邊界條件。約束傳動軸小端x, y, z三個方向的自由度。如圖4.24所示。 圖4.24約束自由度 設(shè)置提取模態(tài)階數(shù)為12階，并采用迭代求解法，如圖4.25所示。 圖4.25模態(tài)階數(shù)的設(shè)置 7. 求解 設(shè)置完成之后單擊solve，開始求解。得到1~12階固有頻率，如圖4.26所示。 圖4.26固有頻率 模態(tài)分析就是求結(jié)構(gòu)的固有頻率，模態(tài)振型，模態(tài)質(zhì)量，阻尼比等，而在實際分析中一般只求結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型。觀察1至12階模態(tài)振型圖，如圖4.27到4.38所示。 4.27一階振型 觀察一階振型圖可知，其固有頻率為116.07Hz，振動形式為XZ平面的軸向擺動。 4.28二階振型 觀察二階振型圖可知，其固有頻率為116.08Hz，振動形式為XY平面的軸向擺動。 4.29三階振型 觀察三階振型圖可知，其固有頻率為824Hz，振動形式為XZ平面的一階彎曲。 4.30四階振型 觀察四階振型圖可知，其固有頻率為824.01Hz，振動形式為XY平面的一階彎曲。 4.31五階振型 4.32六階振型 4.33七階振型 4.34八階振型 4.35九階振型 4.36十階振型 4.37十一階振型 4.38十二階振型 振型描述： 對傳動軸進行自由模態(tài)分析，研究其1至12階模態(tài)的振型和固有頻率。傳動軸的1 至12階自由模態(tài)的固有頻率及其振型描述見表4.1所示，觀察模態(tài)振型圖4.27到4.38所示。 表4.1傳動軸112階固有頻率及振型描述 階數(shù) 固有頻率（Hz） 振型描述 1 116.07 XZ平面的軸向擺動 2 116.08 XY平面的軸向擺動 3 824 XZ平面的一階彎曲 4 824.01 XY平面的一階彎曲 5 1207.2 徑向拉伸 6 2207.2 XZ平面的二階彎曲 7 2207.2 XY平面的二階彎曲 8 2302.1 X方向的軸向壓縮 9 3913.9 X方向的軸向拉伸 10 3999.9 XZ平面的三階彎曲 11 3999.9 XY平面的三階彎曲 12 6192.4 XY平面的四階彎曲 結(jié)果分析： 由振動理論知，在結(jié)構(gòu)的振動過程中，起主要作用的是較低階固有頻率所對應(yīng)的振型，較高頻率對應(yīng)的振型在振動過程中對結(jié)構(gòu)的振動影響較小，并且由于結(jié)構(gòu)中阻尼的存在，高頻率所對應(yīng)的振型將迅速衰減。 從傳動軸的前12階自由模態(tài)可以發(fā)現(xiàn),它們的固有頻率大致在1000Hz以上，隨著階次的增加，其頻率也相應(yīng)增加。 從汽車在實際行駛的的情況來看，由于道路不平引起的頻率不會很大。除此之外，從發(fā)動機各個部件之間可能存在動態(tài)干擾的這個角度來看，并且考慮到發(fā)動機轉(zhuǎn)速在3000到5000轉(zhuǎn)每分鐘的范圍內(nèi)，它們的基本頻率為16.67到50赫茲之間，而本課題傳動軸的最低諧次頻率為116赫茲，很有可能會被發(fā)動機工作時引起的自激振動而引起共振，所以為了避免共振的發(fā)生，可以在傳動軸的中間添加支撐，或者通過增大傳動軸的直徑來提高固有頻率，從而避免共振，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計才是合理的。 本章小結(jié) 對萬向傳動軸做了靜力分析和模態(tài)分析，通過觀察傳動軸的靜力狀態(tài)下獲得的云圖，得到了最大總體變形位移為0.25mm，最大等效應(yīng)力為213Mpa，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.0015mm，最大剪切應(yīng)力為123Mpa，通過分析知道了這個傳動軸是合理的。模態(tài)分析得到了十二階振型圖，通過觀察分析得到傳動軸固有頻率。得到最低諧次頻率為116赫茲，通過分析比較得知這根傳動軸很有可能會被發(fā)動機工作時引起的自激振動而引起共振，所以為了避免共振的發(fā)生，可以在傳動軸的中間添加支撐，或者通過增大傳動軸的直徑來提高固有頻率，從而避免共振，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計才是合理的。 26 第5章結(jié)論與展望 5.結(jié)論與展望 本設(shè)計首先介紹了本課題的研究背景，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，研究方法與技術(shù)手段等；接著根據(jù)汽車的原始參數(shù)確定了萬向傳動裝置的結(jié)構(gòu)方案，并繪制出萬向傳動裝置的各部件和裝配圖。本課題完成工作可總結(jié)如下幾點： 1） 確定萬向傳動裝置的結(jié)構(gòu)方案，本課題是十字軸式可伸縮萬向傳動裝置。 2） 根據(jù)數(shù)據(jù)利用CATIA對各部件進行三維建模，并進行裝配。 3） 利用ANSYS對萬向傳動軸的中間部分進行靜態(tài)分析和模態(tài)分析，通過靜態(tài)分析得出傳動軸的位移、等效應(yīng)力和剪切應(yīng)變云圖，分析其是否符合設(shè)計要求；通過模態(tài)分析得出傳動軸的各階固有頻率。為共振研究提供參考。 通過這次設(shè)計，掌握了如何在CATIA軟件中進行建模，如何利用ANSYS對模型進行靜態(tài)和模態(tài)分析。通過觀察傳動軸的靜力狀態(tài)下獲得的云圖，得到了其最大總體變形位移為0.25mm，最大等效應(yīng)力為213Mpa，最大剪切應(yīng)變?yōu)?.0015mm，最大剪切應(yīng)力為123Mpa，通過分析比較知道了此傳動軸是合理的。模態(tài)分析得到了十二階振型圖，通過觀察分析得到傳動軸固有頻率。得到最低諧次頻率為116赫茲，通過分析比較得知此傳動軸很有可能會被發(fā)動機工作時引起的自激振動而引起共振，所以為了避免共振的發(fā)生，可以在傳動軸的中間添加支撐，或者通過增大傳動軸的直徑來提高固有頻率，從而避免共振，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計才是合理的。 展望未來，我國經(jīng)濟繼續(xù)保持高增長速度，我國的經(jīng)濟轉(zhuǎn)型也將繼續(xù)向前推動，國家對基本建設(shè)的投資加大，尤其是汽車生產(chǎn)企業(yè)。在經(jīng)濟全球化的今天，技術(shù)并不能全球化，核心技術(shù)是買不來的，尤其像萬向傳動裝置等技術(shù)，我們基本處于引進來照著搬的套路來的，在大量引進的同時，也失去了很多自主發(fā)展的機會，我國應(yīng)掌握萬向傳動裝置的核心技術(shù)，提高制造核心部件的能力，從而降低損耗、成本和投資風(fēng)險。所以，必須把提高自主創(chuàng)新能力放在首位，加強我們自己的技術(shù)水平，努力做到最好。 27 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1] 陳家瑞．汽車構(gòu)造：下冊 [M].第3版.北京:機械工業(yè)出版社，2009. 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CATIA V5機械設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社，2001. 29 致謝 致 謝 時間就在這不經(jīng)意間緩緩流走，大學(xué)生活也即將帷幕，而畢業(yè)設(shè)計是我們在大學(xué)的最后一個艱巨的任務(wù)。在這幾個月的時間里，是我們在大學(xué)生活中最充實的一段時間，這是我們走向工作崗位的一此很好的鍛煉，也為將來的道路奠定基礎(chǔ)。在設(shè)計的過程當(dāng)中，老師一直嚴(yán)格要求我們，這也使得我們在設(shè)計的過程中能夠按時完成每一步。并且在一定的時間內(nèi)跟我們會面開會，并針對我們所存在的一些問題提出解決方案，她的這份敬業(yè)精神和工作態(tài)度，給我樹立了一個榜樣。 在這里，要特別感謝本次設(shè)計的指導(dǎo)老師智淑亞老師的悉心教誨和幫助。從一開的選題到最后的正文，指導(dǎo)老師智淑亞都會對我們所做的文檔仔細(xì)審查并提出修改意見，并給我們極大的鼓舞和支持。 由于我的能力和水平有限，在設(shè)計中難免存在一些缺點和不足，希望老師批評指正，以便我能及時發(fā)現(xiàn)錯誤并改正。 30