ABAQUS有限元分析软件
ABAQUS有限元分析软件
1 绪论
本课题题目为某型内花键十字轴设计及其力学性能有限元分析。其学习目标是让我了解力学建模的原理、方法及其应用；了解一定的有限元理论及其工程中的应用；熟练使用一种有限元分析软件；应用所学专业知识指出有限元分析的优缺点；掌握一种CAE技术。本课题拟介绍含有内花键十字轴构造的差速器的原理极其内花键十字轴受力和断裂的情况，运用三维CAD软件（SolidWorks）构造三维模型并进行相应的有限元分析，指出结构的不足之处，并给出详细且有针对性的修改意见，提出优化后模型，重新分析优化后结果。如有不足再进行进一步的优化。通过这个设计，使我熟练应用以前学到的专业课程知识，掌握目前常用的CAE技术，为以后工作的独立分析问题打下基础。
含有内花键十字轴的行星齿轮轴是差速器传动系统的主要部件之一，由于带内花键十字轴是通过内花键向外把力传送给行星齿，十字轴内花键受到的压力很大，因此差速器比较脆弱的环节就是这种结构的十字轴，内花键十字轴比较容易断裂，失效的主要模式是花键部位的断裂。
具体的研究内容和方法如下：
(1)根据给定的内花键十字轴的相关尺寸，结合受力分析的要求，确定十字轴的基本参数，如模数、齿数、压力角。然后再根据函数编辑器编辑余弦载荷函数，计算内花键十字轴的受力分析中需要的其他参数。
(2)温习已经学过的CAD软件，绘制相应的三维模型。
(3)对内花键十字轴进行有限元接触分析，首先在ABAQUS里导入内花键十字轴的有限元模型，根据差受力分析施加边界条件和载荷，得出相关数据。
(4)对内花键十字轴进行模态分析，得到十字轴易受力断裂的部位是在轴颈处，提出改进措施，对其进行优化设计，从而有效解决该十字轴早期断裂问题。
2 内花键十字轴简介及受力分析
2.1 研究对象
相邻的两轴中心线不垂直，或者十字轴各轴的中心线不在同一个平面上主要是由于轴承和轴颈磨损以及各轴颈处出现弯曲变形而造成的，这也是十字轴的主要缺点。
传动轴中心线偏离它的旋转中心线并且传动轴产生振动现象以及传动轴在运行中发出异常响声的现象，都是由于万向节十字轴轴颈和轴承磨损间隙过大，十字轴在运行中产生摆动引起的。同时磨损主要是缺少润滑引起的。
汽车左、右驱动轮之间应用的差速器，可分派出两输出轴之间的转矩，以便使两输出轴有可能以不一样的角速度转动，同时各种运动条件下的动力传递也可以得到保证，防止了轮胎与地面之间打滑的现象。当前普遍运用的对称式圆锥行星齿轮差速器（见图1.1），它选用的是十字形状构造的行星齿轮轴，即内花键十字轴。
图 2.1 对称圆锥行星齿轮差速器爆炸
将力向外传递力给行星齿是通过内花键十字轴的内花键来传递的，十字轴内花键会承受比较大的力，因此此类类型差速器最脆弱的环节就是内花键十字轴。内花键十字轴比较容易断裂，它主要的失效模式就是花键部位断裂。汽车运动过程中，差速器中的内花键十字轴即行星齿轮轴（十字轴结构，见下图1.2）因为轴颈根部的弯曲应力影响、传递扭矩时的扭转变形的影响，在十字轴根部最容易发生断裂，导致差速失效，使汽车运行受到一定的影响。
图2.2 行星齿轮轴断裂图
所以我准备以差速器行星齿轮轴作为分析内花键十字轴的作为分析对象。
2.2 行星齿轮轴简介
首先介绍一下含有内花键的差速器行星齿轮轴。
2.2.1 差速器行星齿轮轴的识别
差速器行星齿轮轴是传递扭矩的行星齿轮，它主要负责完成分配转矩，进而使车轮实现差速运行。它有整体式和分体式两种。，我们在内花键十字轴轴颈上铣有平面来供润滑用是为确保星齿轮和行星齿轮轴之间有比较好的润滑效果。
2.2.2 差速器行星齿轮轴的质量要求
（1)材料为低碳合金结构钢时，应采用渗碳淬火处理，其渗碳层深度为0.8-1.4mm，轴颈表面的硬度为58-64HRC。
（2)材料为中碳、中碳合金结构钢时，应采用感应淬火处理。轴颈表面淬火硬度不低于57HRC,硬化层深度为1.2-2.5mm(轴颈直径d≤20mm)，1.7-4.0mm(轴颈直径d>20mm)。轴颈根部圆角应淬硬。
(3)外观质量：零件各部不得有刻痕、黑斑、裂纹等缺陷，并应清除毛刺、飞边和非加工表面的氧化皮。
(4)表面粗糙度：轴颈表面粗糙度应不大于0.5µm;轴颈根部圆角表面粗糙度不大于3.2µm。
(5)形位公差要求
1)对于整体式差速器行星齿轮轴，当以公共轴线为基准时，参照GB 1184-80《形状和位置公差未注公差的规定》，有关部位的形状和位置公差规定如下：两端轴颈的全跳动公差等级不低于9级;两公共轴线的垂直度公差等级不低于8级;两公共轴线应在同一平面内，其位置公差应不大于0.10mm。
2)对于分开式差速器行星齿轮轴，其轴颈母线的直线度公差等级不低于8级，按GB1184附表1的规定。
1.2.3 差速器行星齿轮轴检测
（1）外观检查
用目视或5-10倍的放大镜对十字轴的外观缺陷进行检查，尤其要注意油孔是否畅通。十字轴应进行探伤检查有无裂纹。常采用磁力探伤，探伤后应退磁。
（2）硬度检测
在十字轴其中一端磨光面长度的1/2处进行测试来测定十字轴硬度的硬度，经过测试的压痕应该进行修复处理。
（3）表面粗糙度检测
可用粗糙度检查仪测定内花键十字轴的表面粗糙度，也可以和表面粗糙度标准块一起进行比较来确定。
（4）尺寸测量
可以使用杠杆千分尺或外径千分尺测量轴颈直径和其圆柱度误差。用游标卡尺测量轴颈与十字轴的全部长度。
（5）可以在车床或偏摆仪上测量轴颈的端面跳动、两端面的中心平面对轴线的对称度、两轴颈的同轴度及公共轴线的位置度误差测量，如果没有偏摆仪及车床的时候，可以把十字轴放在V形铁中用百分表配合进行测量。
2.3 内花键十字轴的受力分析
对内花键有所了解，也知道了其主要断裂部位，现在对其断裂进行力学分析，以便与有限元分析相比较
图2.3内花键十字轴式行星齿轮轴零件图
2.3.1 行星齿轮轴的分析
根据行星齿轮轴结构和它在差速器中的使用情况，在力学模型建立的基础上，将其分为三部分进行如图2.4
图2.4行星齿轮轴的分析模型
step1分析内花键空心箍的力学分析
图2.5空心圆轴扭转变形截面图
圆轴扭转时应力与其变形相关，把平面看做是各横截面的刚性平面，绕轴线进行相对的转动：
1）因其在圆轴扭转时它的相邻横截面之间的距离不会发生变化（不会出现纵向变形），因此在横截面上不会出现正应力，只在原地刚性转动。
2）圆轴发生扭转变形的时候，各横截面绕轴线转动不同的角度，各纵向线同时相等角度发生歪斜，相邻截面产生了相对转动并互相错动，出现了剪切变形是横截面上产生切应力主要原因。
内花键十字轴有效传递扭矩的工作条件如下：
1 绪论
本课题题目为某型内花键十字轴设计及其力学性能有限元分析。其学习目标是让我了解力学建模的原理、方法及其应用；了解一定的有限元理论及其工程中的应用；熟练使用一种有限元分析软件；应用所学专业知识指出有限元分析的优缺点；掌握一种CAE技术。本课题拟介绍含有内花键十字轴构造的差速器的原理极其内花键十字轴受力和断裂的情况，运用三维CAD软件（SolidWorks）构造三维模型并进行相应的有限元分析，指出结构的不足之处，并给出详细且有针对性的修改意见，提出优化后模型，重新分析优化后结果。如有不足再进行进一步的优化。通过这个设计，使我熟练应用以前学到的专业课程知识，掌握目前常用的CAE技术，为以后工作的独立分析问题打下基础。
含有内花键十字轴的行星齿轮轴是差速器传动系统的主要部件之一，由于带内花键十字轴是通过内花键向外把力传送给行星齿，十字轴内花键受到的压力很大，因此差速器比较脆弱的环节就是这种结构的十字轴，内花键十字轴比较容易断裂，失效的主要模式是花键部位的断裂。
具体的研究内容和方法如下：
(1)根据给定的内花键十字轴的相关尺寸，结合受力分析的要求，确定十字轴的基本参数，如模数、齿数、压力角。然后再根据函数编辑器编辑余弦载荷函数，计算内花键十字轴的受力分析中需要的其他参数。
(2)温习已经学过的CAD软件，绘制相应的三维模型。
(3)对内花键十字轴进行有限元接触分析，首先在ABAQUS里导入内花键十字轴的有限元模型，根据差受力分析施加边界条件和载荷，得出相关数据。
(4)对内花键十字轴进行模态分析，得到十字轴易受力断裂的部位是在轴颈处，提出改进措施，对其进行优化设计，从而有效解决该十字轴早期断裂问题。
2 内花键十字轴简介及受力分析
2.1 研究对象
相邻的两轴中心线不垂直，或者十字轴各轴的中心线不在同一个平面上主要是由于轴承和轴颈磨损以及各轴颈处出现弯曲变形而造成的，这也是十字轴的主要缺点。
传动轴中心线偏离它的旋转中心线并且传动轴产生振动现象以及传动轴在运行中发出异常响声的现象，都是由于万向节十字轴轴颈和轴承磨损间隙过大，十字轴在运行中产生摆动引起的。同时磨损主要是缺少润滑引起的。
汽车左、右驱动轮之间应用的差速器，可分派出两输出轴之间的转矩，以便使两输出轴有可能以不一样的角速度转动，同时各种运动条件下的动力传递也可以得到保证，防止了轮胎与地面之间打滑的现象。当前普遍运用的对称式圆锥行星齿轮差速器（见图1.1），它选用的是十字形状构造的行星齿轮轴，即内花键十字轴。
图 2.1 对称圆锥行星齿轮差速器爆炸
将力向外传递力给行星齿是通过内花键十字轴的内花键来传递的，十字轴内花键会承受比较大的力，因此此类类型差速器最脆弱的环节就是内花键十字轴。内花键十字轴比较容易断裂，它主要的失效模式就是花键部位断裂。汽车运动过程中，差速器中的内花键十字轴即行星齿轮轴（十字轴结构，见下图1.2）因为轴颈根部的弯曲应力影响、传递扭矩时的扭转变形的影响，在十字轴根部最容易发生断裂，导致差速失效，使汽车运行受到一定的影响。
图2.2 行星齿轮轴断裂图
所以我准备以差速器行星齿轮轴作为分析内花键十字轴的作为分析对象。
2.2 行星齿轮轴简介
首先介绍一下含有内花键的差速器行星齿轮轴。
2.2.1 差速器行星齿轮轴的识别
差速器行星齿轮轴是传递扭矩的行星齿轮，它主要负责完成分配转矩，进而使车轮实现差速运行。它有整体式和分体式两种。，我们在内花键十字轴轴颈上铣有平面来供润滑用是为确保星齿轮和行星齿轮轴之间有比较好的润滑效果。
2.2.2 差速器行星齿轮轴的质量要求
（1)材料为低碳合金结构钢时，应采用渗碳淬火处理，其渗碳层深度为0.8-1.4mm，轴颈表面的硬度为58-64HRC。
（2)材料为中碳、中碳合金结构钢时，应采用感应淬火处理。轴颈表面淬火硬度不低于57HRC,硬化层深度为1.2-2.5mm(轴颈直径d≤20mm)，1.7-4.0mm(轴颈直径d>20mm)。轴颈根部圆角应淬硬。
(3)外观质量：零件各部不得有刻痕、黑斑、裂纹等缺陷，并应清除毛刺、飞边和非加工表面的氧化皮。
(4)表面粗糙度：轴颈表面粗糙度应不大于0.5µm;轴颈根部圆角表面粗糙度不大于3.2µm。
(5)形位公差要求
1)对于整体式差速器行星齿轮轴，当以公共轴线为基准时，参照GB 1184-80《形状和位置公差未注公差的规定》，有关部位的形状和位置公差规定如下：两端轴颈的全跳动公差等级不低于9级;两公共轴线的垂直度公差等级不低于8级;两公共轴线应在同一平面内，其位置公差应不大于0.10mm。
2)对于分开式差速器行星齿轮轴，其轴颈母线的直线度公差等级不低于8级，按GB1184附表1的规定。
1.2.3 差速器行星齿轮轴检测
（1）外观检查
用目视或5-10倍的放大镜对十字轴的外观缺陷进行检查，尤其要注意油孔是否畅通。十字轴应进行探伤检查有无裂纹。常采用磁力探伤，探伤后应退磁。
（2）硬度检测
在十字轴其中一端磨光面长度的1/2处进行测试来测定十字轴硬度的硬度，经过测试的压痕应该进行修复处理。
（3）表面粗糙度检测
可用粗糙度检查仪测定内花键十字轴的表面粗糙度，也可以和表面粗糙度标准块一起进行比较来确定。
（4）尺寸测量
可以使用杠杆千分尺或外径千分尺测量轴颈直径和其圆柱度误差。用游标卡尺测量轴颈与十字轴的全部长度。
（5）可以在车床或偏摆仪上测量轴颈的端面跳动、两端面的中心平面对轴线的对称度、两轴颈的同轴度及公共轴线的位置度误差测量，如果没有偏摆仪及车床的时候，可以把十字轴放在V形铁中用百分表配合进行测量。
2.3 内花键十字轴的受力分析
对内花键有所了解，也知道了其主要断裂部位，现在对其断裂进行力学分析，以便与有限元分析相比较
图2.3内花键十字轴式行星齿轮轴零件图
2.3.1 行星齿轮轴的分析
根据行星齿轮轴结构和它在差速器中的使用情况，在力学模型建立的基础上，将其分为三部分进行如图2.4
图2.4行星齿轮轴的分析模型
step1分析内花键空心箍的力学分析
图2.5空心圆轴扭转变形截面图
圆轴扭转时应力与其变形相关，把平面看做是各横截面的刚性平面，绕轴线进行相对的转动：
1）因其在圆轴扭转时它的相邻横截面之间的距离不会发生变化（不会出现纵向变形），因此在横截面上不会出现正应力，只在原地刚性转动。
2）圆轴发生扭转变形的时候，各横截面绕轴线转动不同的角度，各纵向线同时相等角度发生歪斜，相邻截面产生了相对转动并互相错动，出现了剪切变形是横截面上产生切应力主要原因。
内花键十字轴有效传递扭矩的工作条件如下：
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