Group  5  –  James  Pacey,  Ray  Brown,  Brent  Sutherland  

¡  Definition:        To  model  a  constant  velocity  birfield  axle  joint  and  

 shaft,  and  perform  a  stress  analysis  on  the  birfield    ¡  Objectives:        

▪  Gain  further  CAD  experience  with  Solidworks  and  ANSYS,  try  more  advanced  techniques  and  focus  on  organization    

▪  Analyze  stress  on  the  birfield  using  Solidworks  simulator  and  ANSYS          ▪  Try  motion  analysis  and  model  rendering    

 

Application:  • Used  in  front  axle  of  four  wheel  drive  vehicles  • Transmit  torque  from  differential  to  wheel  while      allowing  the  wheels  to  steer      • Weak  link  with  larger  tires  and  low  gearing  

¡  Exploded  view  of  the  axle  assembly  

Birfield  outer  bell  

Bearing  Cage  

(6)  Ball  bearings  

Inner  bearing  race  

Inner  snap  ring  

Outer  snap  ring  

Inner  shaft  

¡  Model  ¼  or  ½  of  a  circular  part  and  use  mirror  to  produce  complete  part    

¡  Cut  loft  feature  used  to  create  splines      

¡  Sweep  cut  along  a  spine  to  create  bearing  races    

¡  Mating  parts  using  sketch  geometry  

¡  FEA  using  ANSYS    

•   Symmetry  and  mirror  features  were  used  to  reduce  file  size  and  simplify  part  tree  

¡  Used  two  3D  sketch  planes  ¡  Cut  loft  between  two  planes  to  create  a  spline  ¡  Circular  pattern  for  rest  of  the  splines  

¡  Sweep  cut  feature  used  for  both  inner  and  outer  bearing  races  ¡  Circular  pattern  used  to  cut  the  rest  

¡  Measuring  certain  features  on  the  actual  parts  to  input  into  Solidworks  ▪  Splines  ▪  Elliptical  bearing  tracks    

¡  Mating  the  ball  bearings  in  the  birfield  assembly  ▪  Difficult  to  constrain  the  bearings  to  stay  in  the  races      

     

¡  Exported  model  geometry  data  using  .IGES  ¡  Element  type:  3-­‐D  10-­‐Node  Tetrahedral  Structural  Solid  (Solid  187)    

§  Well  suited  for  complex  shapes    §  High  order  element  (quadratic)  

¡  Volume  meshed  using  auto  mesh.  ¡  Birfield  shortened  to  exclude  most  of  the  shaft  to  help  increase  mesh  

density  in  bell.  

 

Location   Von  Mises  Stress  

Ball  Contact  Point   2  GPa  

Shaft  Fillet   830  Mpa  

Ball  Track  Center   515  Mpa  

-­‐Fixed  the  back  face  of  the  shaft        -­‐Applied  forces  at  the  contact  points  of  the  ball  bearings.  

¡  Loading  applied  to  nodes  closest  to  application  points.  §  Slight  asymmetrical  loading  §  High  contract  stress  due  to  point  loads  §  Due  to  concave  application  surface  cluster  points  were  difficult  to  apply.  §  Loads  closest  to  the  application  points  were  not  always  on  the  surface.    

¡  Relatively  coarse  mesh    §  Limited  by  student  version  §  Poorer  resolution  than  desired  

¡  Attempted  multi-­‐body  solution  §  Long  running  times  §  System  memory  limitations  encountered  §  No-­‐linear  solutions  often  crashed  the  program  

 

 

Solidworks FEA results Loca%on Stress

Thin  sec)on  of  outer  bearing  race 500  MPa Sha7  Fillet 750  MPa Ball  Bearing  Contact  Point 1.8  GPa

 

 

Location   ANSYS   Solid  Works   %  Difference  

Ball  Contact  Point   2  GPa   1.8  GPa   10  %  

Shaft  Fillet   830  MPa   750  MPa   9.6%  

Ball  Track  Center   515  MPa   500  MPa   2.9%  

Program   Advantages   Disadvantages  

Simulation  Express   -­‐Simple  to  implement  -­‐Allows  integrated  design    

-­‐Limited  options  for  problem  setup  -­‐Less  advanced  output  options    

ASYS  Academic  12.0  Teaching    Introductory  

-­‐Allows  more  advanced  analysis  -­‐Extremely  customizable  

-­‐Limited  by  intro  version  -­‐Limited  geometric  manipulation  -­‐Steep  learning  curve  

¡ Model  rendered  using  Solidworks  Photoworks  

¡  Gained  more  experience  with  Solidworks    §  Using  more  complex  features  and  techniques  §  First  time  using  Photoview  rendering  and  model  animation  

¡  Gave  us  a  chance  to  try  ANSYS  FEA    

¡  ?