摘 要

汽车传动轴是汽车传动系统的重要组成部分，其主要作用是将变速器传出的扭矩传入至后桥的主减速器，在扭矩由发动机传递至车轮的过程中起到关键作用，而合理设计传动轴结构尺寸是保证其安全可靠传递扭矩的重要前提。CAE仿真模拟技术是一种重要的现代化分析优化手段，可进行零部件力学及运动学仿真分析，从而快速有效地实现零部件结构尺寸优化。

本次设计课题以某汽车传动轴为设计对象，基于传动轴设计理论，结合汽车传动设计要求，进行汽车传动轴结构尺寸理论设计。根据理论设计结果，借助CAD三维建模软件UG，实现汽车传动轴零部件设计，通过虚拟装配建立汽车传动轴三维模型，并排除各零部件干涉问题。然后将建立的零部件三维模型导入CAE仿真模拟分析软件ANSYS WORKBENCH软件中进行受力与模态分析。根据相关受力分析与模态形状分析结果对传动轴的相关设计进行优化。在静力学仿真过程中，通过十字轴与轴管的应力情况对相关参数进行了优化。在对轴管的自由模态与整体约束模态的分析中得到相应阶数模态下轴管振动的固有频率，并将其与车架在正常行驶工况下的固有频率进行对比，以防止行驶时传动轴与车身出现共振的情况。本次设计利用ANSYS WORKBENCH分析了汽车传动轴的结构及相关参数，设计结果可为该汽车传动轴设计提供重要理论依据，提升了汽车传动轴设计可靠性。

关键字：汽车传动轴；理论设计；三维建模；有限元模拟

Abstract

Automobile transmission shaft is an important part of automobile transmission system. Its main function is to transfer the torque from transmission to the main reducer of rear axle. It plays a key role in the process of transmission of torque from engine to wheel. Reasonable design of the structure size of transmission shaft is an important prerequisite to ensure its safe and reliable transmission of torque.CAE simulation technology is an important means of modern analysis and optimization. It can carry out mechanical and kinematics simulation analysis of parts, so as to realize structural dimension optimization of parts quickly and effectively.

Based on the theory of transmission shaft design and combined with the requirements of automobile transmission design, this design subject takes a certain automobile transmission shaft as the design object, carries out the theoretical design of the structure and size of automobile transmission shaft. According to the results of theoretical design, the design of automobile transmission shaft parts is realized by means of UG, which is a CAD three-dimensional modeling software. The three-dimensional model of automobile transmission shaft is established by virtual assembly, and the interference problem of each part is eliminated. Then the three-dimensional model of components is imported into CAE simulation analysis software ANSYS WORKBENCH for stress and mode analysis. According to the results of stress analysis and modal shape analysis, the related design of transmission shaft is optimized. In the process of static simulation, the related parameters are optimized by the stress of the cross axis and the axle tube. The natural frequencies of axle tube vibration under the corresponding order modes are obtained through the analysis of free mode and overall restraint mode of axle tube, and compared with the natural frequencies of frame under normal driving conditions, so as to prevent resonance between transmission shaft and body during driving. This design uses ANSYS WORKBENCH to analyze the structure and related parameters of the automobile transmission shaft. The design results can provide important theoretical basis for the design of the automobile transmission shaft and improve the reliability of the design of the automobile transmission shaft.

Keyword：Automobile transmission shaft;theoretical design;three-dimensional modeling;finite element simulation

目 录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 汽车传动轴发展概况 1

1.2.1 国外汽车传动轴研究现状 1

1.2.2 国内汽车传动轴研究现状 2

1.3研究车型及传动轴的选型 2

1.4 论文研究的基本内容、目标及技术方案 4

1.4.1 研究的基本内容 4

1.4.2 研究目标 4

1.4.3 技术方案及措施 4

1.5 本章小结 6

第二章 汽车传动轴结构尺寸理论设计 7

2.1 分段式传动轴的结构分析 7

2.2 传动轴的整体设计 7

2.2.1 多万向节传动轴夹角设计 8

2.3 传动轴零部件设计 8

2.3.1 轴管的设计 8

2.3.2 滚针轴承选用 10

2.3.3 十字轴及万向节叉设计 11

2.3.4 中间花键轴设计 13

2.3.5 深沟球轴承选取与轴承座设计 14

2.4本章小结 15

第三章 汽车传动轴三维模型建立 17

3.1 UG软件概述 17

3.1.1 UG软件简介 17

3.1.2 传动轴建模流程 17

3.2 主要零件仿真模型的创建 17

3.2.1 轴管模型的建立 17

3.2.2 十字轴模型的建立 18

3.2.3 万向节叉模型的建立 18

3.2.4 中间花键轴模型的建立 19

3.2.5 轴承座模型的建立 19

3.2.6 轴承的调用 21

3.3 模型的装配 23

3.4 本章小结 26

第四章 汽车传动轴有限元模拟分析与优化 27

4.1 汽车传动轴的静力学分析 27

4.1.1 汽车传动轴主要失效情况 27

4.1.2 轴管受扭分析 27

4.1.3 花键齿侧挤压应力分析 29

4.1.4 十字轴轴颈根部受压分析 30

4.2 汽车传动轴的模态分析 32

4.2.1 零部件自由模态分析 32

4.3 汽车传动轴的优化设计 39

4.4 本章小结 40

第五章 总结与展望 41

5.1 论文总结 41

5.2展望 41

参考文献 42

致谢 44

附录 45

第一章 绪论

1.1 引言

汽车是现代交通重要工具之一，其结构优化设计是目前汽车制造的重要方向。传动轴是汽车传动系统的关键零部件之一，它将发动机传出的转矩传递给驱动桥（一般为后桥^[1]，在汽车传动系统中发挥过渡作用，对材料性能与结构强度要求很高。在外部条件作用下，汽车传动轴必须保持较高的疲劳强度。这对汽车传动轴的制造材料的性能与传动轴的结构提出了很高的要求。

传动轴的工作扭矩是设计传动轴时需要考虑的重要因素，如果实际工作扭矩小于理论计算设计的扭矩，则会造成材料的浪费与传动轴过重的问题；反之，如果理论计算设计的扭矩小于实际工作时的扭矩，则会导致传动轴变形、断裂等失效情况发生，导致车辆无法正常行驶^[2]。因此，在设计传动轴时，必须对传动轴中的轴管等部件进行受扭仿真分析。

同时，汽车在运行过程中，传动轴传递转矩的同时会伴随轴的旋转与车身振动而产生相应的振动，这种振动的幅度由传动轴的制造材料与自身结构所决定。在一定的转速频率下，传动轴会产生强烈共振，影响汽车行驶的平稳性并对传动轴的使用寿命产生影响^[3]。因而在设计传动轴时，应对其进行自由模态分析，通过不同模态下固有频率的分析结果，来检验传动轴设计的合理性，使传动轴结构更接近实际工作条件，探究传动轴管厚度对其分析结果的影响，为传动轴结构优化分析提供依据。

本课题主要通过对某一汽车传动轴进行结构设计与有限元分析，以期获得满足强度和刚度要求的汽车传动轴结构。

1.2 汽车传动轴发展概况

1.2.1 国外汽车传动轴研究现状

国外对汽车传动轴的分析研究起步得很早，所以现在技术也处于领先地位。上世纪七十年代就有外国学者分析了商用车的振动^[4]，提出了其传动轴与车架连接而产生的共振问题，并对传动系统进行了研究，主要分析了该系统采用多万向节传动时的振动情况，得出了共振问题对汽车行驶平顺性的影响^[5]。紧接着，又有人注意到传动轴中输入轴和输出轴间的夹角是其振动的一种激励源，并且推导出轴管、万向节与十字轴的使用寿命，同时加入角速度对轴振动的影响，利用有限元分析法，对传动系统进行约束模态分析，最终得出系统的固有频率^[6]。同时利用理论计算推测其固有频率，并通过实验验算，最终两种方法下得出的固有频率基本相同。在此基础上，Kazuki 对不同的传动轴制造材料进行了实验，尝试利用有色合金钢来调整系统的强度，从而改变轴振动的固有频率^[7]。

同时，由于大多数建模分析软件由外国公司所开发，因此国外对这些建模分析软件的应用也要领先于国内。例如早在 2009 年Iqbal就求出了无铰链连接汽车传动轴的幅频特性，并对其进行自由模态分析，得到了传动轴振动的固有频率^[8]。2012 年，RJ Dexter 提出了一种新的有限元分析方法，用来简化已有的复杂模块，准确得到结论且耗时低^[9]。总而言之，国外对传动轴的研究更加先进，在各方面都拥有更多的技术经验，国内的学者应当更多地学习。

1.2.2 国内汽车传动轴研究现状

改革开放以来，我国汽车行业的高速发展使汽车的需求量大幅上升，从而导致汽车传动轴的需求量也随之增高，但与此同时由于我国传动轴市场被GKNDriveline 等大型外资企业所控制，使得本土生产高技术产品的汽车零部件企业面临采购方面的不利境况。国内对传动轴的研究分析起步晚一些，并且早期也没有得到很高的重视，所以理论计算与仿真模式不是很完善。但近年来，汽车行业的大幅兴起为传动轴的研究创造了前提，政府也大力支持传动制造业的发展，所以国内汽车传动轴的研究和制造水平也开始大幅提升。

上海纳铁福传动系统有限公司的朱卓选提出了将汽车传动轴设计为旋锻MTS空心轴，并通过理论计算与实际实验推导出旋锻MTS空心轴相对于现有技术的实心轴，能够使汽车传动轴的扭转刚度提高约40%，同时减轻重量约30%的结论^[10]。

华东交通大学的钟自峰教授在运用有限元方法其对某汽车传动轴进行自由模态分析、扭转刚度分析、强度分析和疲劳分析，并给出了详细的建模与分析步骤，验证了其设计的可靠性和合理性，并且该分析方法为后期进一步的开发和优化提供了参考^[11]。

武汉理工大学的张锦光教授通过对碳纤维复合材料传动轴进行理论-有限元-实验三者结合的方式，首先对碳纤维复合材料传动轴进行临界转速校核与强度校核，得到理论上最合适的传动轴参数，然后对其进行建模仿真得到其运动振型，最后通过实际振动试验验证理论计算与建模仿真的结果，最终得出了碳纤维复合材料能够承担汽车传动轴所需的强度、临界转速与固有频率。为汽车传动轴的选材提供了新的思路^[12]。

陕西重型汽车有限公司的史倩慧通过分析十字轴式万向节的失效模式，对十字轴轴颈的弯曲应力和切应力进行校核，同时对万向节两端轴管的夹角进行设计分析，得出免维护式十字轴的性能在工作扭矩、寿命要求等各方面都要优于现有的需要经常更换的十字轴，是未来十字轴式万向节发展的主要方向^[13]。

1.3研究车型及传动轴的选型

本篇文章研究的车型为江淮骏铃v6单排仓栅式轻卡，其参数配置如下：

表1-1 江淮骏铃v6单排仓栅式轻卡参数配置表

其中重要部件发动机云内动力D30TCIE1与变速器六安LC6T450的主要参数如下：

表1-2 云内动力D30TCIE1发动机参数配置表

表1-3 六安LC6T450变速器参数配置表

对于轻型载货汽车而言，如果传动轴长度小于1.5米，大多可以采用单根传动轴，而长度大于1.5米时，为了满足轴管临界转速的要求，必须将传动轴断开成两根甚至三根以提高轴的临界转速，以免传动轴转速与发动机转速接近，产生共振现象^[14]。同时，断开后的传动轴必须在中间加设中间支承，用于将轴固定在车架上并减小轴的振动幅度。中间支承主要包括轴承、弹性元件、托架，其中弹性支承元件可以吸收振动，中间支撑还要允许传动轴相对车架运动，一般利用滑动花键轴来实现这一功能。与变速器相连接的传动轴总成称为中间传动轴，而直接与后桥总成相连的传动轴总成则称之为后桥传动轴。从参数配置图中可看出本车轴距达到3.3米，因此选用长于1.5米时常用的断开式传动轴。

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