传动轴优化设计

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 tANSYS (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 cf i e l ds and co lli s i on problems. So it can be applied to the followingi 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 ndop 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 et 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。

等速万向节传动轴总成结构主参数的最优化设计等速万向节传动轴总成结构主参数的最优化设计一、引言在汽车、机械设备等领域中，等速万向节传动轴总成是一种重要的传动装置，其性能对整个系统的稳定性和效率起着至关重要的作用。

对等速万向节传动轴总成的结构主参数进行最优化设计具有重要意义。

本文将对等速万向节传动轴总成的结构主参数进行深入探讨，并提出最优化设计的相关建议。

二、等速万向节传动轴总成的概述等速万向节传动轴总成是一种能够实现转动轴的等速传动和角偏差补偿的重要装置。

它通常由内套管、外套管、滚珠、保持架、密封圈等部件组成。

其中，内外套管的长度、直径，滚珠的数量和尺寸，保持架的结构等都是决定传动轴总成性能的关键参数。

三、等速万向节传动轴总成结构主参数的优化设计1. 内外套管长度和直径的优化内外套管的长度和直径直接影响着传动轴的承载能力和稳定性。

在进行最优化设计时，需要综合考虑传动轴总成的实际工作环境和使用要求，通过有限元分析等方法确定内外套管的最佳尺寸，以确保其在工作中具有良好的耐久性和稳定性。

2. 滚珠数量和尺寸的优化滚珠的数量和尺寸直接影响着传动轴的传动效率和扭矩传递能力。

在最优化设计中，需要通过仿真计算和试验验证等手段确定最佳的滚珠数量和尺寸，以实现传动轴在工作时的平稳传动和良好的功率输出。

3. 保持架结构的优化保持架作为传动轴总成中的重要部件，其结构设计对于传动轴的使用寿命和性能起着关键作用。

在最优化设计中，需要考虑保持架的材料、形状和加工工艺等因素，以确保其具有良好的刚性和耐磨性，同时尽量减小其重量和功耗。

四、个人观点和理解在进行等速万向节传动轴总成结构主参数的最优化设计时，我认为需要充分考虑传动轴总成的工作环境和使用要求，以及材料和加工工艺的实际条件。

通过综合运用计算机辅助设计、有限元分析、试验验证等方法，可以实现对传动轴总成结构主参数的科学、合理和有效的优化设计。

五、总结与回顾通过对等速万向节传动轴总成结构主参数的最优化设计进行深入探讨，我们可以得出以下结论：内外套管的长度和直径、滚珠数量和尺寸、保持架结构等参数的最优化设计，能够显著提高传动轴总成的稳定性、传动效率和使用寿命，从而为相关设备和系统的性能提升提供有力支持。

某型号空心传动轴的优化设计机械工程 2015J103 张媛媛欲设计如图1-1所示的某型号空心传动轴 ,其中D 和d 分别为空心轴的外径和内径 ,轴长L=4m 。

轴的材料密度ρ=7.8×10³kg/m ³ ,剪切弹性模量G=80GPa ,许用剪切成功[r]=40MPa ,单位长度许用扭转角[Ø]=1°/m ,轴索传递的功率P=5.5kW ,转速n=200r/min 。

在满足许用条件和结构尺寸限制条件的前提下对该空心轴进行优化 ,使该轴的质量最小。

一、确定工作变量图1-1所示传动轴的力学模型是一个受扭转的圆柱桶轴。

其外径D 和内径d 是决定圆轴的重要独立参数 ,故可作为设计变量 ,将其写成向量形式：X=[x 1 ,x 2 ]T =[D,d]T （1-1）二、简历目标函数若取质量最小为优化目标 ,则目标函数空心圆轴的质量可按下式计算： M=4πρL （D ²-d ²）（kg ） （1-2） L可见 ,这是一个合理选择D 和d 而使质量M 最小的优化问题。

注意：再设计时要确定目标变量的单位。

在确定目标函数和约束条件时 ,应保持它们单位的一致 ,即D 、L 的单位为毫米（mm ） ,质量M 的单位为千克（kg ）。

三、上述设计应满足的使用条件和结构尺寸限制如下：（1）扭转强度、根据扭转强度 ,要求扭转剪应力需满足τmax =tW T ≤[τ] (1-3) 式中 ,T 为圆轴所受扭转 ,T=n 9549P (N •m )；W t 为抗扭截面模量 ,W t=D D 16d -44）π（(MPa)。

（2）扭转刚度 ,为了确保传动轴正常工作 ,除满足扭转强度条件外 ,还要限制轴的变形 ,限制即为刚度条件 ,通常要求单位长度的最大扭转度扭转角不超过规定的许用值 ,即Ø=pGI T ≤[Ø] （1-4） 式中 ,Ø为单位长度扭转角（rad ）；G 为剪切模量(MPa)；I p 为极惯性矩（m 4）。

齿轮传动轴的设计研究及优化引言齿轮传动是一种常用的机械传动方式，它通过齿轮间的啮合来传递动力与运动。

在齿轮传动系统中，齿轮传动轴的设计是至关重要的，它直接影响到齿轮传动的性能与可靠性。

本文将对齿轮传动轴的设计与优化进行研究，以期提供指导工程师们在实际应用中的设计方案选择。

一、齿轮传动轴的设计要求1. 强度要求：齿轮传动轴需要具备足够的强度和刚度，能够承受传递的动力，避免发生变形和破坏。

2. 刚性要求：齿轮传动轴需要具备足够的刚性和稳定性，以减小传动中的振动和变形，保证传动的精度和平稳性。

3. 轻量化要求：在保证强度和刚性的前提下，齿轮传动轴需要尽可能轻量化，减小整个系统的重量，提高效率。

二、齿轮传动轴的设计与优化方法1. 材料选择：齿轮传动轴通常采用高强度合金钢或工程塑料等材料。

选择合适的材料可以保证齿轮传动轴的强度和耐久性。

2. 综合考虑载荷：在设计齿轮传动轴时，需要综合考虑传递的动力和转矩，确定轴的直径和长度。

一般而言，轴的直径应根据刚度和强度的要求选择，而轴的长度则需要根据间隔齿轮的位置、支撑方式和振动要求等因素进行综合考虑。

3. 强度计算：为确保齿轮传动轴的强度，需要进行强度计算。

常用的计算方法有静强度计算和疲劳强度计算。

静强度计算可以通过应力分析、应力集中系数计算等方法来进行，而疲劳强度计算则需要考虑到工作循环次数、载荷和材料疲劳曲线等因素。

4. 刚度计算：为满足齿轮传动的精度和平稳性要求，需要进行刚度计算。

刚度计算可以根据轴的材料性质、几何形状和支撑方式等参数来进行，其中刚度主要包括轴的弯曲刚度和扭转刚度两个方面。

5. 轴表面处理：为减小齿轮传动轴的表面粗糙度和摩擦损失，常进行表面处理。

常见的表面处理方法有渗碳硬化、氮化处理、磨削和抛光等。

通过表面处理可以改善轴的表面硬度和润滑性能，提高齿轮传动轴的使用寿命和效率。

三、齿轮传动轴的优化方法1. 材料优化：在材料选择上，可以考虑使用先进的材料，如高强度钢材、复合材料等。

0引言提升机是工业生产中十分常用的机械装置之一。

机械装置由电动机带动，从而带动钢丝绳，使得容器能够自由升降，实现在井筒中输送物料。

最早的提升装置的卷筒是通过减速器的传动来带动其运转，慢慢发展到现今常用的直流电动机变速电动机（悬臂安装，实现直接传动）和直流慢速电动机，20世纪初，提升机的管理和监视逐步采用计算机控制，随着计算机技术的更新，现代应用的矿井提升机安全性能大大提升，运行速度极大提高，提升量也随之增大，目前已经成为全自动控制的重型矿山设备。

1矿井提升机的组成和分类矿井提升机作为常用的工程设备，组成包括动力系统（电动机）、传动系统（减速器、摩擦轮）、制动系统、操纵系统、测速限速系统、深度指示系统等组成，采用交流或直流电机驱动。

[1]根据提升钢丝绳工作原理，有摩擦式矿井提升机和缠绕式矿井提升机两类。

在摩擦式矿井提升机上，两个容器分别连在提升绳的两端，或者平衡重和容器各连接一端。

提升绳搭挂在摩擦轮上，容器上升通过摩擦轮衬垫与摩擦绳之间摩擦力实现。

根据布置方式不同，摩擦式矿井提升机有机房直接设在地面上的落地摩擦式矿井提升机及机房设在井筒顶部塔架上的塔式摩擦式矿井提升机。

缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种，单卷筒矿井提升机一般一根钢丝绳连一个容器，而卷筒矿井提升机两个卷筒各连一根钢丝绳，连接两个容器，工作时一个容器提升，一个容器降落。

提升绳数量不同，又有单绳和多绳之分。

后者的优点是：可采用较细的钢丝绳及较小直径的摩擦轮，整个设备的外形尺寸小巧，制造方便；物料提升能力大、运行速度高、安全性能好。

井深小于2100米、年产量在120万吨以上的竖井多应用多绳摩擦式矿井提升机。

———————————————————————作者简介:刘晓丽（1983-），辽宁葫芦岛人，工学硕士，副教授，工程师，从事船舶动力工程技术专业教学研究及相关领域科学研究。

基于矿井提升机的传动轴优化设计刘晓丽（渤海船舶职业学院动力工程系，葫芦岛125105）摘要:提升机在工业生产中十分常用的机械装置之一,现代应用的的矿井提升机安全性能大大提升,运行速度极大提高,提升量也随之增大,目前已经成为全自动控制的重型矿山设备。

132研究与探索Research and Exploration ·工艺与技术中国设备工程 2018.07 (上)2016年9月大修期间进行检查，换热器管束无明显腐蚀现象，表面黑灰色，腐蚀前后无明显变化。

由于固体粉末包埋渗铝工艺技术的改进，渗铝钢材料的焊接性能显著提高，碳钢渗铝换热器在高温环烷酸腐蚀部位可使用10年，可完全替代1Cr18Ni9Ti 换热器。

5 结语（1）碳钢渗铝材料具有优良的耐高温环烷酸腐蚀性能，其耐蚀性能是1Cr18Ni9Ti 不锈钢的10～15倍，与316L 耐蚀性能相当。

（2）改进型固体粉末包埋渗铝工艺解决渗层脆性问题，具有良好的焊接性能，适合工业化推广应用。

参考文献：[1]中石化总公司石油化工规划院.炼油厂设备加热炉设计手册第四分册[J].炼油厂的腐蚀与防护,1986，5.[2]中石化防腐石研究中心——洛阳石化工程公司设备所.碳钢渗铝填料耐高酸值辽河油应用研究[J].1996，11.[3]段学章.锦州炼油厂构件腐蚀失效分析[J].中科院沈阳腐蚀所,1995，10.[4]改进型包埋渗铝钢的特性与应用[J].第二届石油石化工业用材研究交流会，2001，（8）:45～48.[5]郑玉贵，敬和民等.环烷酸腐蚀研究的新进展[J].中国国际腐蚀控制大会论文集,2002，11.轴类零件在机械行业中用途广泛，主要起着支撑零部件、承受载荷、传递扭矩的作用。

轴的种类和结构多种多样，承受的载荷不同，其所受应力也不一样。

轴类零件的载荷计算是设计阶段的主要设计内容，传统的轴类零件载荷一般通过机械设计手册等行业规范来计算，过程复杂，耗费时间。

随着CAD/CAM 技术的发展，出现了各种机械辅助设计软件如PROE、UG、ANSYS 等，由于这些软件的功能包括三维建模、工程分析、模拟仿真、辅助制造等，采用计算机辅助设计软件可以节约时间、成本、物力、财力，在不少企业中，传统的人工设计计算方法逐渐被计算机软件所代替。

基于机械动力学的传动轴系统优化设计随着工业技术的不断发展，机械传动系统在各个领域起着至关重要的作用。

而传动轴系统作为机械传动的重要组成部分，其设计与优化对于传动效率、精度和可靠性有着重要影响。

本文将基于机械动力学的理论，探讨传动轴系统的优化设计方法。

一、传动轴系统的基本原理传动轴系统是用于传递功率和运动的一种机械装置。

其主要由轴、轴承、齿轮或皮带等组成。

传动轴系统能够传递旋转运动和扭矩，并将其传递到其他机械装置上。

在传动轴系统中，涉及到的机械动力学知识主要有力矩传递、转速计算、转矩计算等。

力矩传递是指在轴上施加的力矩通过轴承传递到其他部件，而转速和转矩之间的关系可以通过动力学方程进行计算。

在设计传动轴系统时，需要考虑到传动效率和传动精度等因素。

二、传动轴系统的优化设计方法1. 材料选择传动轴系统的材料选择是优化设计的第一步。

常见的材料有钢、铝、钛等。

不同的材料有着不同的强度和韧性特性，需要根据具体的工作条件选择适合的材料。

2. 尺寸设计尺寸设计是保证传动轴系统正常工作的关键。

在设计传动轴系统时，需要根据所需的扭矩和转速等参数，计算轴的直径和长度等尺寸。

同时，还需要考虑到传动轴的刚度和挠度等因素。

3. 轴承选择轴承在传动轴系统中起着支撑和导向作用。

在优化设计中，需要选择合适的轴承类型、尺寸和材料等。

同时，还需要进行轴承的润滑和密封等设计，以保证传动轴系统的正常工作。

4. 传动方式选择传动轴系统的传动方式有多种，如齿轮传动、皮带传动等。

在进行优化设计时，需要根据实际应用需求选择合适的传动方式。

不同的传动方式有着不同的传动效率和精度，需要根据具体情况进行选择。

5. 动力学要求在进行传动轴系统的优化设计时，需要根据具体应用要求考虑动力学要求。

比如，传动轴系统在高速运转时需要考虑离心力对轴的影响，同时还需要考虑传动带来的振动等。

三、案例分析为了更好地理解基于机械动力学的传动轴系统优化设计，我们以某机械设备的传动轴系统设计为例进行分析。