汽车传动轴有限元分析

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【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；ANSYS

0.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。

2.加载和求解

变速箱输入双向扭矩最大4500N*m，最小1400N*m。校核强度和刚度是单向，所以取变速箱的最大输出扭矩为4500/2=2250N*m。将扭矩转换为切向力施加到轴的圆周面上的每个节点上的力F=M/( R*n)，式中M是扭矩；R是轴的圆周处的半径大小；n是圆周面上的节点个数。此次施加载荷的方法是在传动输入端施加扭矩载荷，传动轴传出的一端施加全部约束。在最左边的轴圆周面上的每个节点上施加自由度约束，将每个节点的所有自由度约束住。最右边轴圆周面上施加扭矩载荷，圆周轴径R=0.0445m，节点数n=174。每个节点上的切向力F=2250/(0.0445*174)N=290.585N载荷施加完成了，就可以开始求解。选择所有的元素，选择分析类型为结构静力分析，开始求解。

3.后处理

求解完成后就进入了结果后处理，要经过读结果显示结果列表，查看结构是否正确。然后查看在力载荷和约束载荷下的变形图、位移云图和应力云图。仔细观察各个图形，对每个图形进行分析并绘制图形。然后运动所学力学知识来分析和整理结果。

3.1绘制传动轴的位移云图

从图中可以看出坐边的蓝色区域的位移几乎为零，其实并不是如此。那一部分区域有位移只不过很小，但不可能不零。是因为在施加载荷的时候，最左边的那一小部分的约束是以理想的状态加在表面的每一个节点上的。每个节点的所有自由度都被约束了，所以那个部分的节点位移在图上显示几乎为零。节点位移最大的区域几乎都在施加载荷区域的附近。图中所有节点中最大的位移是1.277弧度。

3.2绘制传动轴的应力云图

从图中看出应力最大区域在整个传动轴尺寸最小的地方。也就是后传中间花键轴轴径最小的地方，最大应力达到了601MPa。可以说明一个问题，应力的大小与结构尺寸有关，也就是强度可以用尺寸的大小来满足。传动轴的后传中间花键轴设计时选用的材料是40Cr，此种材料的最大应力强度极限是784MPa，取安全系数为1.2，601MPa小于653MPa( 784/1.2)。显然它的强度和刚度可以满足传动轴的性能要求。所以设计的结构尺寸合理。传动轴整轴模态分析在传动轴静力分析模型的基础上进行模态分析，只需要将分析类型选择为模态分析( Modal)，再点击分析选项( Analysis Options)进入设置对话框，在No.of modes to extract和 NMODE No.modes to expand两个选项中输入10，代表求解前十阶的固有频率和振态模型。

3.3结果分析

整轴模态分析的前十阶固有频率如表所示由以上数据可得出在整个传动轴中后花键轴是该传动轴的薄弱环节，振幅最大。通过有限元静力分析表明，整轴中前花键轴，后花键轴的强度足够。通过有限元模态分析表明，在整个传动轴中，后花键轴的振幅最大，是传动轴的薄弱环节，应加强对此处的优化设计。

由以上数据可得出在整个传动轴中后花键轴是该传动轴的薄弱环节，振幅最大。

4.结语

本文分析ANSYS汽车传动轴是汽车重要组成部分之一，要求传递功率的效率要高；传动时要平稳，振动要小。作为保证汽车性能重要部分的汽车传动轴的研究一直以来有一个很难完美解决的问题，即在传动过程中存在的强度、刚度和振动问题。一般只要尺寸够大就绝对能保证强度，但是大尺寸浪费材料增加成本。所以传动轴研究就是需要非常精确的材料用量来满足传动轴的强度、刚度和振动要求。通过有限元静力分析表明，整轴中前花键轴，后花键轴的强度足够。通过有限元模态分析表明，在整个传动轴中，后花键轴的振幅最大，是传动轴的薄弱环节，应加强对此处的优化设计。

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