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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
設(shè)計(jì)（論文）題目: 基于有線元分析的汽車
萬向傳動裝置設(shè)計(jì)
院 系 名 稱: 汽車與交通工程學(xué)院
專 業(yè) 班 級: 車輛工程B07-1
學(xué) 生 姓 名: 陳 兵
導(dǎo) 師 姓 名: 趙雨旸
開 題 時(shí) 間: 2011.3.16
指導(dǎo)委員會審查意見：
簽字： 年 月 日
SY-025-BY-3
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
學(xué)生姓名
陳兵
系部
汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)、班級
車輛07-1班
指導(dǎo)教師姓名
趙雨旸
職稱
副教授
從事
專業(yè)
車輛工程、
交通工程
是否外聘
□是√否
題目名稱
基于有限元分析的汽車萬向傳動裝置設(shè)計(jì)
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
1.汽車萬向傳動軸的發(fā)展與現(xiàn)狀
萬向傳動裝置最早出現(xiàn)于1352年，在Strasbourg大教堂時(shí)鐘機(jī)構(gòu)中的萬向節(jié)傳動軸。1663年Robert Hook萬向節(jié)誕生，后來被人們叫做虎克萬向節(jié)，也就是十字軸萬向節(jié)。緊接著在1683年研制出的雙聯(lián)式虎克萬向節(jié)，消除了單個(gè)虎克萬向節(jié)傳遞的不等速性，并于1901用于汽車轉(zhuǎn)向輪。在上世紀(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(jī)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，又分為不等速萬向節(jié)、準(zhǔn)等速萬向節(jié)和等速萬向節(jié)；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。
現(xiàn)在汽車萬向傳動裝置一般是由萬向節(jié)、傳動軸和中間支撐組成。主要用于工作過程中相對位置不斷改變的兩根軸間傳遞轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。伸縮套能自動調(diào)節(jié)變速器與驅(qū)動橋之間距離的變化。萬向節(jié)是保證變速器輸出軸與驅(qū)動橋輸入軸兩軸線夾角的變化，并實(shí)現(xiàn)兩軸的等角速傳動。一般萬向節(jié)由十字軸、十字軸承、凸緣叉及軸向定位件和橡膠密封件等組成。
傳動軸是一個(gè)高轉(zhuǎn)速、少支承的旋轉(zhuǎn)體，因斷改變的兩根軸間傳遞轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。載貨汽車根據(jù)驅(qū)動形式的不同選擇不同型式的傳動軸。一般來講4×2驅(qū)動形式的汽車僅有一根主傳動軸。6×4驅(qū)動形式的汽車有中間傳動軸、主傳動軸和中、后橋傳動軸。6×6驅(qū)動形式的汽車不僅有中間傳動軸、主傳動軸和中、后橋傳動軸，而且還有前橋驅(qū)動傳動軸。在長軸距車輛的中間傳動軸一般設(shè)有傳動軸中間支承．它是由支承架、軸承和橡膠支承組成。
在1950年后,傳動軸的產(chǎn)量達(dá)到數(shù)以萬計(jì)。1984年主要由于汽車工業(yè)的增長，生產(chǎn)了三千五百萬套虎克萬向節(jié)傳動軸，一億二千萬套等速萬向節(jié)傳動軸，一億三樞軸式萬向節(jié)傳動軸。在國內(nèi)，近年來隨著我國汽車業(yè)的高速發(fā)展，帶動我國汽車傳動軸需求持續(xù)大幅增長。2007年中國汽車傳動軸的需求已經(jīng)突破992萬根，產(chǎn)值達(dá)到45億。2008年汽車銷量達(dá)到938萬兩，而作為汽車零部件的汽車傳動軸需求量也接近1900萬套，產(chǎn)值達(dá)到50億元。倒2010年我國汽車傳動軸總銷售額達(dá)到87億之多，因次國內(nèi)也出現(xiàn)一批傳動軸制造的廠家。但產(chǎn)品的性能與國外相比仍有相當(dāng)大的差距，具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面：絕大多數(shù)轎車廠家對等速萬向節(jié)產(chǎn)品沒有制定出相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，而國外公司對驅(qū)動軸和傳動軸的技術(shù)規(guī)定達(dá)67款之多，其中嚴(yán)格規(guī)定驅(qū)動半軸總成和傳動軸總成的振動頻率，目的是避免和發(fā)動機(jī)、輪胎以及其他傳動系部件發(fā)生共振，從而更加全面合理地設(shè)計(jì)汽車底盤；零件供應(yīng)商，易隨意組合中心固定型等速萬向節(jié)和伸縮型等速萬向節(jié)，從而造成總成的失衡，使轎車產(chǎn)生異常振動，出現(xiàn)異響。對于創(chuàng)立自主知識產(chǎn)權(quán)的轎車廠家來說，造出一流轎車仍有很長的路要走。
2. 課題研究的目的與意義
萬向傳動裝置是汽車傳動系中的重要總成，它直接與變速器和驅(qū)動橋相聯(lián)系，用來實(shí)現(xiàn)對傳動系的動力傳遞。課題研究對象是后輪驅(qū)動廣泛應(yīng)用的十字軸式萬向傳動裝置，主要零件包括傳動軸、萬向節(jié)、支撐裝置等，這些關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)對整個(gè)萬向傳動裝置性能具有很大的影響。本設(shè)計(jì)中的傳動軸是兩節(jié)的，由十字軸萬向節(jié)連接。傳動軸是由軸管、伸縮花鍵套和萬向節(jié)組成。伸縮套能自動調(diào)節(jié)變速器與驅(qū)動橋之間距離的變化。萬向節(jié)是保證變速器輸出軸與驅(qū)動橋輸入軸兩軸線夾角發(fā)生變化時(shí)實(shí)現(xiàn)兩軸的動力傳輸。萬向節(jié)是由十字軸、十字軸軸承和凸緣叉等組成。在傳動軸的設(shè)計(jì)中采用有限元技術(shù)研究這些關(guān)鍵零部件的靜力學(xué)特性，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，是非常重要和必須的。在此基礎(chǔ)上，再進(jìn)行萬向傳動裝置設(shè)計(jì)不但可以獲得最佳的萬向傳動裝置基本參數(shù)，還可以大大縮短萬向傳動裝置總成開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證其設(shè)計(jì)的精確性。
汽車傳動軸主要作用是把發(fā)動機(jī)減速器的運(yùn)動傳遞到驅(qū)動橋，使驅(qū)動橋獲得規(guī)定的轉(zhuǎn)速和方向，其傳遞的主要為轉(zhuǎn)矩。因此，傳動軸的強(qiáng)度校核主要為受扭強(qiáng)度校核。傳統(tǒng)的分析方法，一般都是首先通過軸傳遞的最大轉(zhuǎn)矩，計(jì)算出軸的最小直徑；然后通過計(jì)算作用在軸上的載荷、不同斷面上的轉(zhuǎn)矩、軸向力和彎矩，利用解析法或圖解法確定軸不同位置的支反力，最后利用傳統(tǒng)的計(jì)算公式進(jìn)行強(qiáng)度校核，確定安全系數(shù)。如果安全系數(shù)小于許用安全系數(shù)，還要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。此過程計(jì)算繁雜，反復(fù)性強(qiáng)，而且可靠性差，很可能因?yàn)橛?jì)算誤差，造成由于傳動軸強(qiáng)度不夠而引發(fā)的軸裂、軸斷事故。因此，研究一種新的準(zhǔn)確、快捷的強(qiáng)度分析方法迫在眉睫。
ANSYS軟件作為一種廣泛應(yīng)用CAE軟件，應(yīng)用有限元法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)、動力學(xué)、熱力學(xué)和電磁學(xué)等多種分析。通過ANSYS軟件的應(yīng)用，可以大大縮短軸類零件的設(shè)計(jì)周期，從而減少設(shè)計(jì)成本，并有利于多種型號產(chǎn)品的開發(fā)。
萬向節(jié)是各類車輛傳動系中傳遞扭矩的關(guān)鍵零件之一，它是連接變速器與減速器之間的橋梁，其工作性能直接影響車輛是否能正常工作。十字軸式萬向節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡單，低幅磨損小，傳遞功率大，主、從動軸間夾角允許變化范圍大的特點(diǎn)，因而在車輛中應(yīng)用較廣?。由于萬向節(jié)叉形狀復(fù)雜，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定萬向節(jié)叉的尺寸，但按這種方法設(shè)計(jì)出的萬向節(jié)很難達(dá)到最優(yōu)的結(jié)果，所以對設(shè)計(jì)的合理性提出了疑問：是否有強(qiáng)度與剛度儲備較大造成材料與產(chǎn)能巨大浪費(fèi)現(xiàn)象這為傳動軸萬向節(jié)叉的輕量化設(shè)計(jì)及最優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了迫切的要求，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的潛力是不言而喻的?，F(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展使有限元方法得到突飛猛進(jìn)的進(jìn)步。隨著一系列大型分析軟件的開發(fā)和完善，有限元方法被越來越廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐中。筆者利用三維造型及分析軟件Pro／E對十字軸式萬向節(jié)叉進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期對其整體應(yīng)力分布規(guī)律和應(yīng)力水平有較全面的了解，為萬向節(jié)叉的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供定量的技術(shù)依據(jù)。
因此通過本課題的研究可以完成理論課程的實(shí)踐總結(jié)，掌握一種流行的設(shè)計(jì)方法和軟件，獲得一定的研究工作方法，提高科研工作素質(zhì)。
二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
1.設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：
（1）萬向傳動裝置主要零部件的設(shè)計(jì)；
（2）主要零部件的有限元分析與優(yōu)化；
（3）主要零部件的設(shè)計(jì)修正；
（4）在CAE分析的基礎(chǔ)上完成設(shè)計(jì)圖紙。
2. 擬解決的主要問題：
（1）完成十字軸萬向節(jié)、傳動軸、滾針軸承、花鍵軸和凸緣叉的設(shè)計(jì)；
（2）主要部件的強(qiáng)度校核；
（3）用CAD/CAM/CAE軟件Pro/E進(jìn)行建模；
（4）應(yīng)用ANSYS優(yōu)化工具解決單目標(biāo)多變量約束非線性優(yōu)化問題，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度和可靠性，同時(shí)保證設(shè)計(jì)的效率比以往要高；
（5）保證所連接的兩軸盡可能等速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的載荷震動和噪聲應(yīng)在允許的范圍內(nèi)，在使用車速內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象；
（6）使用有限元分析軟件ANSYS對萬向傳動裝置的設(shè)計(jì)零部件進(jìn)行靜態(tài)分析，完成萬向傳動裝置主要部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)從而解決工藝合理、成本低、可靠性高的設(shè)計(jì)要求；
（7）應(yīng)用ANSYS優(yōu)化工具解決單目標(biāo)多變量約束非線性優(yōu)化問題，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度和可靠性，同時(shí)保證設(shè)計(jì)的效率比以往要高；
（8）用AutoCAD完成裝配圖、零件圖，表達(dá)設(shè)計(jì)。
三、技術(shù)路線（研究方法）
調(diào)研并查閱相關(guān)資料
確定汽車萬向傳動裝置主要參數(shù)
主要零部件的建模
主要零部件的靜態(tài)分析
主要零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)
萬向傳動裝置的主要零部件的設(shè)計(jì)
優(yōu)化后尺寸確定
用Pro/E完成零部件裝配
完成設(shè)計(jì)圖紙
完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
四、進(jìn)度安排
（1）調(diào)研、資料收集，完成開題報(bào)告 第1、2周
（2）研究汽車萬向傳動裝置的設(shè)計(jì)步驟與設(shè)計(jì)方法，分析萬向傳動裝置受力情況 第3周
（3）按照傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)萬向傳動裝置 第4、5周
（4）對按傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的萬向傳動裝置進(jìn)行有限元分析 第6～9周
（5）完成所設(shè)計(jì)裝配圖與零件圖圖紙 第10～12周
（6）完成設(shè)計(jì)說明書的撰寫，指導(dǎo)教師審核 第13周
（7）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）修改、完善 第14周
（8）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）審核、預(yù)審 第15周
（9）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）修改、完善 第15、16周
（10）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯準(zhǔn)備及答辯 第17周
五、參考文獻(xiàn)
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[3] 彭紅星. 傳動軸的有限元分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化 [J]. 機(jī)械工程師, 2009, (12)：114-115.
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[10] 邢琳，張秀芳.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.7.
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[12] 李科,何志兵,沈海等. 等速萬向節(jié)總成的設(shè)計(jì)方法 [J]. 軸承, 2006, (9)：44-45. [13] 吳汀,楊萬福. 汽車傳動系萬向傳動裝置的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì) [J]. 武漢汽車工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1999, (1)：101-106.
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[15] Julian Happian-Smith. An Introduction to Modern Vehicle Design. Reed Educational and Professional Publishing Ltd 2002.
[16] S.D.Haddad and N.Watson.DESIGN AND APPLICATIONS IN DIESEL ENGINEERING.Ellis Horwood Limited,1984.
六、備注
指導(dǎo)教師意見：
簽字： 年 月 日