基于的汽车传动轴的三维建模及仿真

基于有限元的汽车传动轴综合优化分析【摘要】传动轴作为汽车传动系统的重要零部件，由于自身结构的特点使其振动频率较低、刚度小，万向节附加力矩的存在等，传动轴高速运转时不可避免地存在振动现象。

因此研究传动轴的振动问题对解决整车的平顺性和舒适性有着重要的意义。

以有限元软件ANSYS为基础，进行了传动轴的实体设计。

基于有限元法计算传动轴的固有频率和振型，运用试验模态技术对传动轴进行模态分析，试验结果验证了有限元模型的可靠性。

【关键词】汽车传动轴；模态分析；ANSYS汽车传动轴的主要功能就是把发动机减速器的转动力矩传递到驱动装置，使驱动装置获得发动机传递来的力矩。

因此，传动轴设计中的强度及刚度校核主要表现为传动轴的受扭强度校核和材料刚度校核。

汽车传动轴主要作用是把发动机减速器的运动传递到驱动桥，使驱动桥获得规定的转速和方向，其传递的主要为转矩。

因此，传动轴的强度校核主要为受扭强度校核。

传统的分析方法，一般都是首先通过轴传递的最大转矩，计算出轴的最小直径；然后通过计算作用在轴上的载荷、不同断面上的转矩、轴向力和弯矩，利用解析法或图解法确定轴不同位置的支反力，最后利用传统的计算公式进行强度校核，确定安全系数。

如果安全系数小于许用安全系数，还要进行疲劳强度计算。

此过程计算繁杂，反复性强，而且可靠性差，很可能因为计算误差，造成由于传动轴强度不够而引发的轴裂、轴断事故。

因此，研究一种新的准确、快捷的强度分析方法迫在眉睫。

ANSYS 软件作为一种广泛应用CAE软件，应用有限元法对结构进行静力学、动力学、热力学和电磁学等多种分析。

通过ANSYS软件的应用，可以大大缩短轴类零件的设计周期，从而减少设计成本，并有利于多种型号产品的开发。

1.传动轴的实体模型的建立模型中按不同的截面形状将传动轴分为5段，其中1与5段是传动轴与万向节连接部分节叉的等效简化，4段为薄壁圆管，其它各段都为实心圆轴。

考虑到2段与3段之间原来的花键连接，将右支承设置为水平方向自由移动，而左支承为简支。

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。

基于OptiStruct的某型汽车传动轴模态分析尹荣栋;赵振东;陈鸿键;白田伟;臧利国【摘要】针对传动轴受到自身以及其他外部激励会引起振动和异响的问题,对传动轴进行模态分析来获取其固有特性参数.建立了考虑十字轴万向节和中间支撑的某型汽车传动轴三维模型,然后基于HyperMesh建立了传动轴的有限元仿真模型.采用RBE2单元模拟十字轴万向节,用弹簧单元模拟中间支撑,基于OptiStruct对传动轴进行了模态分析.分析结果显示可避免传动轴模态频率与发动机激励频率发生共振,并通过试验模态分析验证了仿真结果的正确性,为传动轴的设计了提供理论依据.【期刊名称】《农业装备与车辆工程》【年(卷),期】2018(056)007【总页数】5页(P6-10)【关键词】汽车;传动轴;有限元;模态分析【作者】尹荣栋;赵振东;陈鸿键;白田伟;臧利国【作者单位】211100 江苏省南京市南京工程学院汽车与轨道交通学院;211100 江苏省南京市南京工程学院汽车与轨道交通学院;211100 江苏省南京市南京东华传动轴有限公司;211100 江苏省南京市南京东华传动轴有限公司;211100 江苏省南京市南京工程学院汽车与轨道交通学院【正文语种】中文【中图分类】U463.216+.20 引言汽车传动轴是用于将发动机通过变速箱输出动力的传递到驱动桥的重要部件。

传动轴在实际工作中如果受到自身或其他外部的激励就会产生振动及噪声，这不仅会影响乘车舒适性，更严重的是会引起传动轴以及与传动轴连接的变速器和驱动桥的破坏，甚至影响安全驾驶[1-2]。

影响传动轴振动的自身因素有很多，比如材料、连接形式、结构尺寸、传动轴当量夹角以及中间支撑刚度等[3-5]。

因此，为了在传动轴的设计开发阶段就能及时发现传动轴设计可能存在的共振问题，对其进行有限元模态分析是十分必要的。

采用有限元方法具有方便更改设计方案、缩短设计周期以及降低生产成本的优点，成为传动系统设计领域的必要的设计方法[6-7]。

基于MATLAB车辆动力传动系统建模与仿真研究作者：王铁刘菲菲来源：《科技视界》2013年第34期【摘要】本文在MATLAB/Simulink环境下，建立了车辆动力传动系及其各部件的动力学仿真模型，该系统可以模拟最佳动力性换挡规律下车辆的行驶性能，模拟车辆换挡的动态过程，为换挡规律的开发、换挡动态过程的控制的研究提供了方便。

【关键词】自动变速器；建模；仿真；动力传动系统0 引言由于市场竞争激烈，在对车辆动力传动系统的研究中，各厂商要在短时间内开发出新的产品，就需要通过软件建模仿真这样的有效的途径，既满足用户需求，同时可以给厂家赢得利益。

车辆传动系统的建模仿真对分析整个动力系统及相关子系统的行为非常有利，不仅能进行不同设计方案的比较，还能够更精确的理解各种换挡规律对车辆性能的影响[1]。

1 车辆动力传动系动力学分析动力传动系统以变矩器为界可分为三个部分：发动机与变矩器泵轮固连的部分为前半部分；变矩器涡轮与变速器、传动轴、主减速器、车轮共同组成后半部分；变矩器本身为一部分[2-4]。

1.1 传动系前部分对于由发动机与泵轮组成的前部分有式（1）、（2）的动力学方程，由于泵轮与发动机相连故发动机负载转矩Mi即为泵轮转矩。

Iebn■=Me-Mi（1）Ieb=Ie+Ib（2）式中：ne——发动机转速，r/min；Ieb——发动机和泵轮的转动惯量，kg·m2；Ie——发动机转动惯量； Ib——泵轮转动惯量；Me——发动机转矩，N·m； Mi——发动机负载转矩。

1.2 传动系后部分对于动力传动系后半部分，动力学方程如式（3）-（7），由于涡轮与变速器相连，涡轮的输出转速nT为变速器的输入转速nin，涡轮的输出转矩MT为变速器的输入转矩Min。

车辆的驱动力是由发动机转矩经传动系传至车轮上得到的。

车轮上的驱动力Ft和车速v由式（3）-（4）得到。

车辆动力学方程如式（7），它反应了车辆在行驶过程中所受到的各种阻力，并用来估算车辆的车速和加速度。

基于商用车驱动轴轻量化设计，应用Creo有限元分析软件对构件设置边界条件，进行模拟仿真分析。

根据分析结果显示的应力分布，识别改进部位。

针对多项形状尺寸进行参数化设计，通过输出的参数值与应力分布曲线图，选定最佳尺寸参数，制造实样，最后经过台架和道路试验，验证优化方案的合理性与准确性。

1 序言驱动轴是汽车底盘传动系统中的重要零件之一。

在汽车行业，底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系4部分组成，它支承、安装汽车发动机及各部件、总成，形成汽车的整体造型，承受发动机动力，保证正常行驶。

传动系主要是由离合器、变速器、驱动轴和驱动桥等组成。

2 驱动轴结构和原理图1所示为驱动轴，其结构原理源自于万向传动装置，是用于在机构运行过程中，传递相对位置不断改变的两根轴间动力的装置[2]，在工业多领域得到广泛应用。

在汽车领域，驱动轴的功用是连接分布于非同一轴线上的变速器输出轴和主减速器输入轴，并保证在两轴之间的夹角和距离经常变化的情况下，仍能可靠地传递动力。

它是承受高速传动的零件，主要由凸缘叉、万向节十字轴、焊接叉和滑动花键副组成。

图1 驱动轴焊接叉（见图2）是驱动轴中的一个重要部件，其结构和加工工艺直接影响零件的性能，进而影响整车动力传递的效果。

其构造相对简单，但是加工工艺复杂，在选材中，了解其加工工艺，并在工艺设计中合理安排加工工序，设计合理的工装夹具，对产品的最终质量具有十分重要的意义。

为响应国家节能减排号召，顺应行业零部件轻量化趋势，运用PTC Creo Simulate（以下简称“Creo”）软件对驱动轴进行有限元仿真分析和优化设计，最终设计出一款轻质焊接叉，在减轻焊接叉质量的同时，还能维持并提升部件和总成的原有性能水平，减少原材料的耗用，降低车辆的油、电消耗和碳排放，达到节能环保的效果。

图2 焊接叉有限元分析法是根据变分法原理来求解数学物理问题的一种数值计算方法。

Creo 软件是PTC公司基于Pro/E软件推出的升级版本，是集CAD/CAM/CAE于一体的软件集成包，能够实现复杂曲面建模、机构仿真和有限元分析的无缝集成。

汽车传动轴有限元分析【摘要】汽车传动轴是汽车重要组成部分之一，在保证传动轴的强度和刚度的同时要尽可能节约材料。

用有限元分析软件ANSYS对汽车传动轴整轴进行了有限元静力分析和模态分析。

ANSYS可以比较完美的分析传动轴的结构和振动模态，根据分析结果可以设计出比较完美的传动轴。

【关键词】传动轴；静力分析；模态分析；ANSYS0.引言在工程领域中应用最广泛的数值模拟方法是有限单元分析法，有限元分析( FEA，Finite Element Analysis)是在力学模型上近似的数值分析方法，它的基本思想可概括为一句话：“先分后合”或“化整为零又积零为整”。

具体地说，就是将连续体或结构划分为许多单元，通过一些节点把有限个单元连成集合体代替原来的连续体或结构，即把连续体转化为离散模型来进行力学分析。

根据分块近似的思想，选择简单的函数近似地表示单元内位移变化规律，利用力学推导建立单元的平衡方程组，再把所有单元的方程组集合成表示整个结构的力学特性的代数方程组，最后引入边界条件求解代数方程组获得数值解。

该软件在机械制造业、航天航空、汽车交通、桥梁等领域的产品设计、科学研究方面得到了广泛应用。

现在国内外用得最广泛的就是运用有限元对汽车传动轴做静力分析和振动模态分析，根据分析结果来确定传动轴的强度和振动是否符合性能要求。

1.整轴设计（1）根据设计的传动轴的尺寸，在ANSYS软件中建立整传动轴的三维实体模型。

（2）定义单元的类型。

传动轴属于三维实体块模型，所有的分析都采用SOLID45号单元(SOUD45号单元不需要定义实常数)。

（3）确定整轴零件材料，一般为45#钢和40Cr。

（4）网格划分生成物理模型。

采用网格划分工具对其进行网格划分。

划分的时候要注意，不同材料的结构划分网格的时候要选择与之对应的单元类型和材料特性。

网格划分完成后要将重合的节点合并为一个节点。

划分网格后的整传动轴的模型，其中总节点个数13290个。

基于CAD的汽车半轴模锻生产线三维数字建模和运动仿真设计基于CAD的汽车半轴模锻生产线三维数字建模和运动仿真1 绪论1．1 选题背景目前汽车半轴模锻生产线存在的问题是：工人劳动强度大；生产过程不连续，生产流程无序；工作环境存在着安全隐患；产量不能稳定；故需要对汽车半轴模锻生产线进行设计和改造。

目前，国内外很多科研单位和企业都已经开始着手从事小型自动生产线的研究，并已经取得了一些研究成果，如物流运输类小型自动生产线、装箱类小型自动生产线等。

但是，这些所谓的小型自动生产线基本上只能完成一个工序的动作，无法完整地实现机械加工过程这样复杂的连续性动作，与工程实训的实际需要有很大的差距[1,2]。

因此，研究并开发出一套针对汽车半轴模锻加工过程、融合各种工种和工序的自动生产线是非常重要的。

1．2 汽车半轴模锻自动生产线技术综述1.2.1 汽车半轴模锻自动化生产技术现状我国对汽车半轴制造的研究开展的较晚，还有许多问题需要探讨。

国内半轴自动制造生产线技术比较落后，生产加工环境恶劣，生产效率比较低，环境污染情况比较严重。

大多数生产厂家还没有实现生产的自动化，如图1.1~1.2所示是某汽车半轴制造工厂车间的实际作业情况，从图中可以看出该厂待加工零件和已加工零件随意摆放，严重影响生产环境和效率，在非自动化的生产车间里，工件的运输完全依靠工人，劳动强度大，生产效率地下。

(a) 零件摆放情况(b) 工人工作环境图1.1 生产车间现状图在汽车半轴生产车间生产环境恶劣，设备破旧，通风系统不完善，工作过程完全出于人工操作，如图1.2所示。

(a) 摆(b) 压图1.2 半轴加工设备1.2.2 汽车半轴模锻自动化生产技术发展趋势随着工业生产和科学技术的发展变化，自动化生产技术也发生着阶段性变化。

早期的自动化生产是指用输送机和加工设备等机器代替人的体力劳动即机械化。

后来，由于生产的发展，机械设备的增多，人们控制机器设备的任务日益加重[3]。

基于HyperWorks的汽车传动轴模态分析于淙洋北京汽车摘要：本文讨论了在基于HyperWorks的汽车传动系模态分析中，如何进行具有多自由度及运动副的传动轴模态分析。

并根据实际试验结果对模型本身进行优化，在模型计算质量达到要求后对设计进行指导，达到满足传动系振动性能要求并降低成本及加工难度的要求。

关键词：HyperWorks，传动轴，模态分析，尺寸及结构优化1 概述汽车传动轴用于将发动机发出的动力传递至前后桥，并且缓冲从行驶系传来的振动以保证整车动力系统正常运行。

随着近两年汽车行业在中国的快速发展，民众的需求已经不满足于前驱车这种“低端”车型，更多的稍有经济实力的用户已经考虑购买操控性平顺性更好的后驱车甚至是四驱车，因而传动轴这一零件在汽车中的应用也是越来越广泛。

随之而来的也有一些振动及噪声方面急需解决的问题。

在车辆运行时传动轴会进行高速自传，如果其模态频率过低很可能导致其与自转的激振频率相吻合进而产生共振，严重时会引起成员的不适。

因此需要对传动轴的模态做出一定要求，使之避开由于自转而产生的激振频率。

在传统的设计流程中，直到对样车进行测试时才能够知道是否会有共振现象出现，若发现共振也只能采用一些简单的补救措施，有时无法从根本上解决问题，甚至需要对零件进行重新设计，导致了成本和时间的双重浪费。

若在产品量产前就使用HyperWorks软件对其进行模态分析，并且进行优化，使之避开因自转而产生的激振频率，则不但能缩短设计周期，亦能降低开发成本提高产品质量。

因此CAE方法的合理应用在产品的生命周期中具有重要意义。

HyperWorks作为高效的CAE前后处理软件可以十分方便的完成传动轴的建模及后处理工作，因此选用HyperMesh进行建模，HyperView进行后处理，CAE求解器进行中间计算工作。

2 传动轴模态分析2.1传动轴模型的建立某些传动轴在高速行驶时发现会由于自转的激振频率而导致共振，轻者造成成员不适，严重时甚至会影响车辆可靠性耐久性等。