毕业设计（论文）开题报告

学生姓名

系部

汽车与交通工程学院

专业、班级

车辆07-1班

指导教师姓名

职称

副教授

从事

专业

车辆工程、

交通工程

是否外聘

□是√否

题目名称

基于ANSYS的汽车万向传动装置设计

一、课题研究现状、选题目的和意义

1.汽车万向传动轴的发展与现状

万向传动装置最早出现于1352年，在Strasbourg大教堂时钟机构中的万向节传动轴。1663年Robert Hook万向节诞生，后来被人们叫做虎克万向节，也就是十字轴万向节。紧接着在1683年研制出的双联式虎克万向节，消除了单个虎克万向节传递的不等速性，并于1901用于汽车转向轮。在上世纪初，虎克万向节和传动轴，以及后来的等速万向节和传动轴在机械工程和汽车工业的发展中起到了极其重要的作用。现在，根据在扭转方向上是否有明显的弹性，万向节可分为刚性万向节和挠性万向节。刚性万向节是靠零件的铰链式传递动力，又分为不等速万向节、准等速万向节和等速万向节；挠性万向节是靠弹性零件传递动力的，具有缓冲减震作用。

现在汽车万向传动装置一般是由万向节、传动轴和中间支撑组成。主要用于工作过程中相对位置不断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输入轴两轴线夹角的变化，并实现两轴的等角速传动。一般万向节由十字轴、十字轴承、凸缘叉及轴向定位件和橡胶密封件等组成。

传动轴是一个高转速、少支承的旋转体，因断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。载货汽车根据驱动形式的不同选择不同型式的传动轴。一般来讲4×2驱动形式的汽车仅有一根主传动轴。6×4驱动形式的汽车有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴。6×6驱动形式的汽车不仅有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴，而且还有前桥驱动传动轴。在长轴距车辆的中间传动轴一般设有传动轴中间支承．它是由支承架、轴承和橡胶支承组成。

在1950年后,传动轴的产量达到数以万计。1984年主要由于汽车工业的增长，生产了三千五百万套虎克万向节传动轴，一亿二千万套等速万向节传动轴，一亿三枢轴式万向节传动轴。在国内，近年来随着我国汽车业的高速发展，带动我国汽车传动轴需求持续大幅增长。2007年中国汽车传动轴的需求已经突破992万根，产值达到45亿。2008年汽车销量达到938万两，而作为汽车零部件的汽车传动轴需求量也接近1900万套，产值达到50亿元。倒2010年我国汽车传动轴总销售额达到87亿之多，因次国内也出现一批传动轴制造的厂家。但产品的性能与国外相比仍有相当大的差距，具体表现在两个方面：绝大多数轿车厂家对等速万向节产品没有制定出相应的技术规范，而国外公司对驱动轴和传动轴的技术规定达67款之多，其中严格规定驱动半轴总成和传动轴总成的振动频率，目的是避免和发动机、轮胎以及其他传动系部件发生共振，从而更加全面合理地设计汽车底盘；零件供应商，易随意组合中心固定型等速万向节和伸缩型等速万向节，从而造成总成的失衡，使轿车产生异常振动，出现异响。对于创立自主知识产权的轿车厂家来说，造出一流轿车仍有很长的路要走。

2. 课题研究的目的与意义

万向传动装置是汽车传动系中的重要总成，它直接与变速器和驱动桥相联系，用来实现对传动系的动力传递。课题研究对象是后轮驱动广泛应用的十字轴式万向传动装置，主要零件包括传动轴、万向节、支撑装置等，这些关键零部件的设计对整个万向传动装置性能具有很大的影响。本设计中的传动轴是两节的，由十字轴万向节连接。传动轴是由轴管、伸缩花键套和万向节组成。伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输入轴两轴线夹角发生变化时实现两轴的动力传输。万向节是由十字轴、十字轴轴承和凸缘叉等组成。在传动轴的设计中采用有限元技术研究这些关键零部件的静力学特性，对其结构进行优化设计，是非常重要和必须的。在此基础上，再进行万向传动装置设计不但可以获得最佳的万向传动装置基本参数，还可以大大缩短万向传动装置总成开发周期、降低开发费用，提高设计质量，保证其设计的精确性。

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。

万向节是各类车辆传动系中传递扭矩的关键零件之一，它是连接变速器与减速器之间的桥梁，其工作性能直接影响车辆是否能正常工作。十字轴式万向节具有结构简单，低幅磨损小，传递功率大，主、从动轴间夹角允许变化范围大的特点，因而在车辆中应用较广⋯。由于万向节叉形状复杂，传统的设计方法是根据经验确定万向节叉的尺寸，但按这种方法设计出的万向节很难达到最优的结果，所以对设计的合理性提出了疑问：是否有强度与刚度储备较大造成材料与产能巨大浪费现象这为传动轴万向节叉的轻量化设计及最优化设计提出了迫切的要求，其经济效益和社会效益的潜力是不言而喻的。现代计算技术的发展使有限元方法得到突飞猛进的进步。随着一系列大型分析软件的开发和完善，有限元方法被越来越广泛地应用于工程实践中。笔者利用三维造型及分析软件Pro／E对十字轴式万向节叉进行有限元分析和优化设计，以期对其整体应力分布规律和应力水平有较全面的了解，为万向节叉的优化设计提供定量的技术依据。

因此通过本课题的研究可以完成理论课程的实践总结，掌握一种流行的设计方法和软件，获得一定的研究工作方法，提高科研工作素质。

二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题

1.设计的主要内容：

（1）万向传动装置主要零部件的设计；

（2）主要零部件的有限元分析与优化；

（3）主要零部件的设计修正；

（4）在CAE分析的基础上完成设计图纸。

2. 拟解决的主要问题：

（1）完成十字轴万向节、传动轴、滚针轴承、花键轴和凸缘叉的设计；

（2）主要部件的强度校核；

（3）用CAD/CAM/CAE软件Pro/E进行建模；

（4）应用ANSYS优化工具解决单目标多变量约束非线性优化问题，提高设计的准确度和可靠性，同时保证设计的效率比以往要高；

（5）保证所连接的两轴尽可能等速运转。由于万向节夹角而产生的载荷震动和噪声应在允许的范围内，在使用车速内不应产生共振现象；

（6）使用有限元分析软件ANSYS对万向传动装置的设计零部件进行静态分析，完成万向传动装置主要部件的详细设计从而解决工艺合理、成本低、可靠性高的设计要求；

（7）应用ANSYS优化工具解决单目标多变量约束非线性优化问题，提高设计的准确度和可靠性，同时保证设计的效率比以往要高；

（8）用AutoCAD完成装配图、零件图，表达设计。

三、技术路线（研究方法）

四、进度安排

（1）调研、资料收集，完成开题报告  第1、2周

（2）研究汽车万向传动装置的设计步骤与设计方法，分析万向传动装置受力情况 第3周

（3）按照传统的汽车设计方法设计万向传动装置  第4、5周

（4）对按传统方法设计的万向传动装置进行有限元分析  第6～9周

（5）完成所设计装配图与零件图图纸  第10～12周

（6）完成设计说明书的撰写，指导教师审核  第13周

（7）毕业设计（论文）修改、完善 第14周

（8）毕业设计（论文）审核、预审 第15周

（9）毕业设计（论文）修改、完善 第15、16周

（10）毕业设计（论文）答辩准备及答辩 第17周

五、参考文献

[1] 郭慧玲. 传动轴的优化设计 [J]. 机械传动, 2008, 32 (6)：88-90.

[2] 喻志勇,阳华. 汽车传动轴零件的标准化设计 [J]. 科技广场, 2009, (5)：188-199.

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[4] 吉林工业大学，诸文农.底盘设计（上册）.北京：机械工业出版社，1982.4.

[5] 吉林大学，王望予.汽车设计(第四版).北京：机械工业出版社，2009.6.

[6] 清华大学，余志生.汽车理论（第四版）.北京：机械工业出版社，2008.1.

[7] 陈家瑞。汽车构造（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2008.1.

[8] 刘惟信.汽车设计.北京：清华大学出版社，2001.7.

[9] 羊拯民.汽车设计丛书-传动轴和万向节.北京：人民交通出版社，1986.10.

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[12] 李科,何志兵,沈海等. 等速万向节总成的设计方法 [J]. 轴承, 2006, (9)：44-45. [13] 吴汀,杨万福. 汽车传动系万向传动装置的多目标优化设计 [J]. 武汉汽车工业大学学报, 1999, (1)：101-106.

[14] 李科,何志兵,沈海等. 等速万向节总成的设计方法 [J]. 轴承, 2006, (9)：5-9.

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[16] S.D.Haddad and N.Watson.DESIGN AND APPLICATIONS IN DIESEL ENGINEERING.Ellis Horwood Limited,1984.

六、备注

指导教师意见：

签字：                 年   月   日