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摘 要

大型货车传动轴是货车传动系统中的关键零部件，起着传递发动机功率的重要作用。在现代汽车工业不断发展的过程中，现代科学技术对万向节传动轴验证试验的准确度也在不断的提高，包括对万向节和传动轴的强度和韧性都有着更高的要求。在此技术的基础上对于传动轴的设计有了更加便捷、高效的要求。

在本文中，UG等软件已建立了传动轴的三维几何建模。首先，将已经前期建立好的三维模型导入到ANSYS软件中，通过有限元分析方法进行静力学分析和模态分析。根据主传动轴的拓扑优化结果，为设计者提供了最佳的换档轴组合设计方法的概念基础，并为升级和优化提供了更合理的建议。最后，根据拓扑优化的最终结果，可以获得优化和升级传动轴的计划。本次设计内容运用计算机软件对传动轴进行仿真研究，缩短了传动轴产品的开发与优化周期，提高了传动轴设计的环保性与经济性。

关键字：货车传动轴；UG建模；有限元分析；优化设计

Optimal design of a truck drive shaft based on finite element method

Abstract

The drive shaft of large truck is a key component in the drive system of truck, which plays an important role in transmitting engine power. In the process of the continuous development of modern automobile industry, modern science and technology to the universal joint drive shaft verification test accuracy is also constantly improving, including the universal joint and drive shaft strength and toughness have higher requirements. On the basis of this technology, the design of the drive shaft has more convenient and efficient requirements.

In this paper, UG and other software has established the three-dimensional geometric modeling of the drive shaft. First of all, the three-dimensional model which has been established in the early stage is imported into ANSYS software, and the static analysis and modal analysis are carried out through the finite element analysis method. According to the results of topology optimization of the main transmission shaft, the conceptual basis of the optimal combination design method of the shift shaft is provided for the designer, and more reasonable suggestions are provided for upgrading and optimization. Finally, according to the final results of topology optimization, a plan for optimizing and upgrading the drive shaft can be obtained. This design content uses the computer software to carry on the simulation research to the drive shaft, shortening the drive shaft product development and the optimization period, improving the environmental protection and the economy of the drive shaft design.

Key words: Truck drive shaft; UG modeling; Finite element analysis; The optimization design

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1项目研究背景及意义 1

1.2项目国内外研究现状 1

1.2.1国内研究现状 1

1.2.2国外研究现状 1

1.3 项目的研究内容 1

第二章 汽车传动轴的结构及性能要求 3

2.1汽车传动轴的构成 3

2.2万向节的基本结构 3

2.2.1十字轴万向节 3

2.3 汽车传动轴的性能需求 4

第三章 汽车传动轴的结构设计 5

3.1汽车性能参数 5

3.2传动轴类型的选择 5

3.3传动轴的结构设计 5

3.3.1万向节的结构设计 5

3.3.2中间轴的结构设计 8

3.3.3中间支承的结构设计 10

第四章 汽车传动轴结构模型的建立 12

4.1建模软件介绍 12

4.2传动轴各零件结构模型的建立 12

4.3装配模型的建立 15

第五章 汽车传动轴各零件的有限元分析 17

5.1有限元分析工具介绍 17

5.2万向节的有限元分析 17

5.3中间轴的有限元分析 19

第六章 汽车传动轴的模态分析 22

6.1划分网格 22

6.2模态分析 23

第七章 汽车传动轴的优化设计 29

7.1优化设计方案 29

7.2优化前、后有限元分析对比 31

第八章 结论与展望 33

8.1结论 33

8.2展望 33

参考文献： 35

第一章 引言

1.1项目研究背景及意义

传动轴是万向传动装置的传动轴中能够传递动力的轴。它是一个高转速、少支承的旋转体，因此它的动平衡是至关重要的。传动轴是由轴管、伸缩套(伸缩花键)和万向节组成,分段式须加中间支承。传动轴总成装在变速器和后桥之间，将变速器传来的扭矩与旋转运动传递给后桥的主减速器。在转向驱动桥、断开式驱动桥或微型汽车的万向传动装置中，通常将传动轴制成实心轴，为了得到较高的强度和刚度，传动轴多做成空心的(轴管用来连接万向节和滑动花键)一般用厚度为15-3mm的薄钢板卷焊而成，超重型货车则直接采用无缝钢管。随着科学技术的进步，汽车的发展已经步入了一个新的时代。传动轴作为汽车的重要组成部分，它性能的好坏在很大程度上影响着汽车的燃油经济性、加速时间、动力性及成本等方面，此外，在常见的汽车故障中，很多的故障来自于传动轴。因此，如何研究开发出高性能的传动轴，是我们需要解决的一个问题。

1.2项目国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

在国内，白俊江,胡乃杰等对微型商用车传动轴动力特性对整车性能影响进行了研究，分别对单个和多个十字轴万向节的动力特性进行理论分析，对车辆传动系统的振动进行了测试和分析，同时建立了传动轴总成虚拟样机模型进行动力学和运动学仿真分析和对中间支承刚度进行了优化设计^[1-2]。曹兴盛以某微车传动轴总成为研究对象，建立了柔性体轴管其他零部件为刚体的混合传动轴总成仿真模型，分析了该车发动机动力参数、不同转速和转矩、中间支承的存在与否以及轴管不平衡量对其弯振和扭振的影响^[3]。付鹏磊分析了传动轴当量夹角、传动轴相位角、传动轴摩擦等对传动轴振动的影响，并通过主观和客观测试方法对整车进行实验，证明了通过优化中间支承的设计方法能够改善传动轴的抖动问题，同时证明传动轴仿真分析在传动轴设计中的重要性^[4]。马祥禹，张锦光等人通过理论、有限元和仿真结合的方式,系统性地论述了碳纤维复合材料传动轴基于强度要求设计的全过程，为复合材料轴设计制造提供了研究基础^[5]。

1.2.2国外研究现状

在国外，Felipe, Mauro 等根据目前复杂的传动轴结构,传统的分析模型已经达到了极限，特别是在振动分析的情况下，由于传动轴及其部件(轴套和接头)的寿命必须远离其固有频率值，这就变得至关重要。并采用有限元的计算方法，模拟传动轴复杂的振动情况，并与现有的解析解进行比较^[6]。Apoorv Rathi，Joy Banerjee 等基于线性和非线性行为的问题，利用ANSYS有限元分析软件，采用实际情况的加载和边界条件，获得了传动轴和曲轴不同材料下不同模态下的固有频率和变形。同期，Shahnawaz Alam等也利用ANSYS 软件研究了复合材料汽车传动轴总成相比于传统材料传动轴的结构与振动特性的优点。仿真结果确定了在实际边界条件下的总变形，剪切应力，固有频率以及振型^[7]。

1.3 项目的研究内容

本项目主要研究内容是对货车的设计优化，首先可以通过建模软软件得出传统汽车的万向传动轴三维模型，再利用有限元分析该模型，可以得出汽车传动轴应力分布状态。最后对于传动轴优化先后的变形、应力以及模态进行分析，减少传统以实验方法进行分析的手段，结合结构优化的目的，得出了最终的优化方案。具体如下：

（1）按照车型选择传动轴的结构类型，计算确定传动轴的结构参数以及设计尺寸；

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