摘 要

等速驱动轴是轿车的关键部件之一，直接关系到汽车转向驱动性能，所以提高它的性能与寿命，对提高整个汽车的动力性、操纵性都起着至关重要的作用。等速驱动轴的结构强度直接影响到它的性能与寿命，而等速驱动轴的结构强度取决于传动过程中零件内部的接触应力的分布、大小，然而传统的试验方法不能测定出复杂结构的接触应力，这样以来，采用有限元这种数值方法来准确模拟传动过程就显得尤为重要，也是目前设计开发过程中的主要方法。以国内某厂家发动机前置前驱动轿车等速驱动轴中的球笼式等速万向节和三枢轴式万向节为研究对象，利用三维重构技术，运用三坐标测量机将零件尺寸精确扫描进计算机，运用三维建模软件 PRO/E 重构球笼式等速万向节和三枢轴式等速万向节的几何模型并进行相应简化，再应用有限元分析软件ANSYS 选取单元类型、材料特性、进行网格划分，以及进行约束和加载处理生成有限元模型，然后通过运算来模拟零件传动过程实际工况的接触应力，分析比较结果。最后应用赫兹接触理论对等速万向节的接触应力进行理论计算得到理想状态下的理论值，再对各种接触应力测量试验方法作以探讨，并进行了等速驱动轴台架试验。最后将理论值、数值解与试验值进行对比分析，以验证数值解的精确性。

关键词：等速驱动轴；结构强度；接触应力；ANSYS

Structural Strength Analysis of Constant Velocity Joints for Car Drive-shaft by Finite Element Method

ABSTRACT

Constant velocity drive shaft is one of the key components of the car, directly related to the car's steering drive performance. Therefore, to improve the whole car's power and control plays a vital role. Constant velocity drive shaft structure strength directly affects its performance and lifetime. However, traditional methods can not be determined the complex structure of the contact stress, such as, using finite element numerical method to accurately simulate the transmission process is particularly important, is currently in the process of design and development of the main method. A domestic manufacturer of front engine front drive car speed driving rzeppa universal joint in the shaft and three pivot joint as the research object, using the technology of 3D reconstruction, using three coordinate measuring machine parts size precision scanned into the computer, the geometric model using three-dimensional modeling software PRO /E reconstruction Rezzpa universal joint and three pivot constant velocity universal joint and the corresponding simplified, then using finite element analysis software ANSYS to select element type, mesh, material properties, and loading constraints and generation of the finite element model, then through the operation simulation of the actual working process of the transmission parts contact stress analysis results. Finally, using Hertz contact theory of constant velocity universal joint contact stress theory calculate the ideal state of theoretical value, of contact force measurement test method were discussed in this paper. And the constant speed drive shaft bench test. Finally, the theoretical value, numerical solution and experimental results are compared and analyzed to verify the accuracy of the numerical solution.

Key words: Constant velocity drive shaft；structural strength；Contact stress；ANSYS

目 录

1绪论………………………………………………………………………………………1

1.1 万向节的应用………………………………………………………………1

1.2 万向节的简介………………………………………………………………1

1.2.1 等速万向节…………………………………………………2

1.3国内外等速万向节的研究和发展概况……………………………………4

1. 4 论文研究的主要内容及意义……………………………………………………………5

2 有限元方法的基础理论 ………………………………………………………………………6

2. 1有限元方法简介………………………………………………………………………6

2. 2 接触问题的有限元分析方法…………………………………………………………6

2. 2. 1有限元离散……………………………………………………………………7

2. 2. 2 定义两弹性体之间的接触状态………………………………………………7

2. 3通用有限元分析软件……………………………………………………………………8

2. 4 ANSYS软件简介……………………………………………………………………8

3 等速万向节有限元模型的建立………………………………………………………………10

3. 1 等速万向节三维实体模型的建立………………………………………………………10

3. 2等速万向节有限元模型的建立…………………………………………………………17

3. 2. 1 单元类型的选取…………………………………………………………………17

3. 2. 2划分网格及创建接触对…………………………………………………………19

4 等速万向节结构强度有限元分析……………………………………………………………22

4.1选择有限元分析方法……………………………………………………………………22

4.2运算控制…………………………………………………………………………………22

4.3等速万向节有限元分析结果……………………………………………………………22

5 等速万向节接触应力理论计算与实验方案探讨……………………………………………27

5.1等速万向节接触应力理论计算…………………………………………………………27

5.2等速万向节接触应力试验方法探讨……………………………………………………27

结论 ………………………………………………………………………………………………29

致谢………………………………………………………………………………………………30

参考文献…………………………………………………………………………………………31

1 绪论

• 1. 万向节的应用

在机械领域里，有一个很重要的基础件，称为万向节。它是连接轴与轴之间的联轴节，主要应用在两个轴之间不同轴或不同心的场合。与其它的齿轮传动、带传动、链传动机构相比，万向节传动机构有着独特的、其它机构不能代替的优点，当需要将一根轴上的扭矩或传动以较大的轴间夹角传到相距较远、且角度可能变化的另一根轴时，往往只能选择万向节传动机构来实现。其作用在航空航天、机床、机械、尤其是汽车领域非常重要。随着汽车工业 100 多年的发展历史，万向节的结构形式也得到了很快的发展。汽车是一个运动的物体，上面任何轴线不共线且位置相对变化的转轴之间的动力传递均须通过万向传动装置相连。在后驱动汽车上，发动机、离合器与变速器作为一个整体安装在车架上，而驱动桥通过弹性悬挂与车架连接，两者之间有一个距离，需要万向节进行连接。汽车运行中路面不平产生跳动，负荷变化或者两个总成安装位置差异，都会使得变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间的夹角和距离发生变化，这也需要万向节来连接。同样，越野车变速器与分动器之间，前驱动的可转向驱动桥与半轴之间都需要。这个万向节叫做“关节” ^[1] 。

1.2 万向节的简介