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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì) HGC1050 萬向傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系部名稱 汽車與交通工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 車輛工程 B07 2 班 學(xué)生姓名 劉曉東 指導(dǎo)教師 蘇清源 職 稱 副教授 黑 龍 江 工 程 學(xué) 院 二 一一年六月 The Graduation Design for Bachelor s Degree HGC1050 Universal Shafts Structure Design Candidate Liu Xiao Dong Specialty Vehicle Engineering Class B07 2 Supervisor Associate Prof Su Qing yuan Heilongjiang Institute of Technology 2011 06 Harbin 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) I 摘 要 萬向傳動(dòng)裝置是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成部分 萬向傳動(dòng)裝置位于變速箱和驅(qū) 動(dòng)橋之間 一般由萬向節(jié) 傳動(dòng)軸和中間支承組成 萬向節(jié)能實(shí)現(xiàn)變角度動(dòng)力傳遞 傳動(dòng)軸把變速器的轉(zhuǎn)矩傳遞到驅(qū)動(dòng)橋上 中間支承能補(bǔ)償傳動(dòng)軸軸向和角度方向的安 裝誤差和車輛行駛過程中由于發(fā)動(dòng)機(jī)竄動(dòng)或車架等變形所引起的位移 萬向傳動(dòng)裝置 的功用是在汽車行駛過程中 在軸間夾角及相互位置經(jīng)常發(fā)生變化的兩個(gè)轉(zhuǎn)軸之間傳 遞動(dòng)力 本文主要是對(duì)汽車的十字軸式萬向傳動(dòng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì) 根據(jù)車輛使用條件和車輛 參數(shù) 按照傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和要求 主要進(jìn)行了以下工作 選擇相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)主 要為 十字軸 萬向節(jié) 傳動(dòng)軸 中間支承的參數(shù)確定 并進(jìn)行了總成設(shè)計(jì)主要為 十字軸的設(shè)計(jì) 萬向節(jié)的設(shè)計(jì) 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)以及中間支承的設(shè)計(jì)等 并通過 Pro E 建模和有限元 ANSYS 軟件對(duì)設(shè)計(jì)萬向傳動(dòng)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析 根據(jù)分析結(jié)果對(duì)萬向傳 動(dòng)裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)得出合理的設(shè)計(jì)方案 關(guān)鍵詞 萬向傳動(dòng)裝置 十字軸 萬向節(jié) 傳動(dòng)軸 有限元分析 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) II ABSTRACT The automobile universal transmission device is in the automobile transmission system important constituent is located between the gear box and the driving axle Generally by the universal joint the drive shaft and the middle supporting is composed The universal joint energy conservation realization changes the angle power transmission Transmit the torque of the gear box to the transaxle with drive shaft The middle supporting can compensate the drive shaft axial and the angle direction in the wiring error and the vehicles travel process because the engine flees moves the displacement which or distortions and so on frame causes The rotary transmission device function is in the automobile travel process the included angle and the mutual position changes between the revolution axis in the axis between to transmit the power frequently This article mainly is carries on the design to the automobile cross shaft type rotary transmission device According to vehicles exploitation conditions and vehicles parameter according to transmission system design procedure and request Mainly has carried on following work Mainly has carried on following work choice correlation design variable mainly is Cross axle universal joint drive shaft middle supporting parameter determination and has carried on the unit design mainly is Cross axle design universal joint design drive shaft design as well as middle supporting design and so on And to designs the rotary transmission device through the finite element Pro E and ANSYS software to carry on the structure analysis Carries on the improvement design according to the analysis result to the rotary transmission device to obtain the reasonable design proposal Keywords Universal Transmission Device Cross Axle Universal Joint Transmission shaft Finite Element Analysis 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) III 目 錄 摘要 I Abstract II 第 1 章 緒 論 1 1 1 概 述 1 1 2 汽車傳動(dòng)軸的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1 3 研究汽車萬向傳動(dòng)軸的目的和意義 3 1 3 1 研究汽車萬向傳動(dòng)軸的目的 3 1 3 2 研究汽車傳動(dòng)軸的意義 3 1 4 萬向傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本要求 4 1 5 本課題研究的主要內(nèi)容 5 第 2 章 汽車傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)方案分析與選擇 7 2 1 汽車傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)方案概述 7 2 1 1 萬向節(jié)與傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)型式 7 2 1 2 傳動(dòng)軸管 伸縮花鍵及中間支承結(jié)構(gòu)型式 7 2 1 3 萬向節(jié)類型 10 2 2 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)方案 12 2 3 本章小結(jié) 13 第 3 章 萬向傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 14 3 1HGC1050 汽車的主要技術(shù)參數(shù) 14 3 2 傳動(dòng)軸總成設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 15 3 2 1 傳動(dòng)軸計(jì)算載荷的確定 15 3 2 2 傳動(dòng)軸軸管的選擇及校核 16 3 2 3 中間支承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 3 3 十字軸總成的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 24 3 3 1 萬向節(jié)的受力分析 24 3 3 2 十字軸萬向 節(jié)的設(shè)計(jì)及校核 26 3 3 3 十字軸滾針軸承的校核 27 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) IV 3 3 4 萬向節(jié)叉的設(shè)計(jì)及校核 28 第 4 章 傳動(dòng)軸總成建模與裝配 30 4 1 Pro ENGINEER 軟件簡(jiǎn)介 30 4 2 利用 Pro ENGINEER 軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模 31 4 2 1 十字軸的創(chuàng)建 31 4 2 2 凸緣叉的創(chuàng)建 31 4 2 3 軸承差的創(chuàng)建 32 4 2 4 傳動(dòng)軸管的創(chuàng)建 32 4 2 5 帶花鍵的傳動(dòng)軸管的創(chuàng)建 33 第 5 章 萬向傳動(dòng)裝置的有限元靜力學(xué)分析 34 5 1 ANSYS 軟件簡(jiǎn)介 34 5 2Pro E 與 ANSYS 接口的創(chuàng)建 34 5 3 利用 ANSYS 對(duì)望向傳動(dòng)裝置進(jìn)行有限元受力分析 36 5 3 1 十字軸有限元受力分析 36 5 3 2 凸緣叉有限元受力分析 40 5 3 3 傳動(dòng)軸有限元受力分析 41 5 4 本章小結(jié) 42 結(jié) 論 43 參考文獻(xiàn) 44 致 謝 45 附錄 A 外文文獻(xiàn) 46 附錄 B 外文文獻(xiàn)翻譯 49 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒 論 1 1 概述 萬向節(jié)傳動(dòng)用于在不同軸心的兩軸間甚至在工作過程中相對(duì)位置不斷變化的兩軸 間傳遞動(dòng)力 例如 在某些重型汽車和越野汽車上 根據(jù)總布置的要求需將離合器與 變速器 變速器與分動(dòng)器之間拉開一定距離時(shí) 考慮到在它們之間很難保證軸與軸能 同心以及安裝基體即車架也可能發(fā)生變形 因此在這些總成之間就應(yīng)采用萬向節(jié)傳動(dòng) 此時(shí)常采用普通十字軸萬向節(jié) 也有采用撓性萬向節(jié)的 其工作夾角一般不大于 前置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)的汽車在行駛過程中 由于懸架的不斷變形 變速器與 5 3 驅(qū)動(dòng)橋的相對(duì)位置 高度和距離 也在不斷變化 因此它們之間需要用可伸縮的萬向傳 動(dòng)軸聯(lián)接 這時(shí)當(dāng)聯(lián)接的距離較近時(shí) 常采用兩個(gè)萬向節(jié)和一根可伸縮的傳動(dòng)軸 當(dāng) 距離較遠(yuǎn)而使傳動(dòng)軸的長度超過 1 5 時(shí) 常將傳動(dòng)軸分成兩根或三根 用三個(gè)或四m 個(gè)萬向節(jié) 且后面一根傳動(dòng)軸可伸縮 中間傳動(dòng)軸應(yīng)有支承 萬向節(jié)所聯(lián)的兩軸之間 的夾角 對(duì)一般載貨汽車不應(yīng)超過 對(duì)于短軸距的 4 4 越野汽車 最大可達(dá) 20 15 對(duì)于又要轉(zhuǎn)向又要驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋 左 右驅(qū)動(dòng)車輪需要隨汽車行駛的軌跡 30 而改變方向 這時(shí)多采用球籠式或球叉式等速萬向節(jié)傳動(dòng) 其最大夾角即車輪的最大 轉(zhuǎn)角可達(dá) 萬向節(jié)傳動(dòng)還用于帶有擺動(dòng)半軸的驅(qū)動(dòng)橋 轉(zhuǎn)向軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及動(dòng) 42 力輸出裝置等 萬向節(jié)傳動(dòng)應(yīng)適應(yīng)所聯(lián)兩軸的夾角及相對(duì)位置在一定范圍內(nèi)的不斷變化且能可靠 而穩(wěn)定地傳遞動(dòng)力 保證所聯(lián)兩軸能等速旋轉(zhuǎn) 且由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷 振動(dòng)及噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi) 在使用車速范圍內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象 此外 萬向節(jié)傳 動(dòng)還要求傳動(dòng)效率高 使用壽命長 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 制造方便 維修容易 8 本課題使用 CAD Pro E ANSYS 技術(shù)對(duì)萬向傳動(dòng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì) 與制造的一體化 具有明顯的優(yōu)越性 在縮短了設(shè)計(jì)周期的同時(shí) 實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化 通 用化 系列化 提高了加工效率及加工質(zhì)量 有利于提高企業(yè)自身應(yīng)變能力和市場(chǎng)競(jìng) 爭(zhēng)力 給企業(yè)帶來綜合效率 通過對(duì) HGC1050 萬向傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 能夠使我熟練 地掌握 CAD Pro E ANSYS 在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用 鍛煉自己分析問題解決問題的 能力 解放汽車萬向傳動(dòng)裝置正廣泛應(yīng)用于各種車輛上 使汽車傳動(dòng)性能顯著提高 因此 對(duì)此課題的研究具有十分重要的意義 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 1 2 汽車傳動(dòng)軸的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 萬向傳動(dòng)軸在汽車上的應(yīng)用比較廣泛 發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪或全輪驅(qū)動(dòng)汽車行駛時(shí) 由于懸架不斷變形 變速器或分動(dòng)器的輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋輸入軸軸線之間的相對(duì)位置經(jīng) 常變化 因而普遍采用可伸縮的十字軸萬向傳動(dòng)軸 某些汽車根據(jù)總布置要求需要將 離合器與變速器 變速器與分動(dòng)器拉開一段距離 顧及到它們之間很難保證軸與軸同 心及車架的變形 所以常采用十字軸萬向傳動(dòng)軸或撓性萬向傳動(dòng)軸 對(duì)于轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋 左 右驅(qū)動(dòng)輪需要隨汽車行駛軌跡變化而改變方向 多采用等速萬向傳動(dòng)軸 依據(jù)在 扭轉(zhuǎn)方向上是否有明顯的彈性 萬向節(jié)分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié) 剛性萬向節(jié)又 分為不等速萬向節(jié) 十字軸式 準(zhǔn)等速萬向節(jié) 雙聯(lián)式 凸塊式 三銷式 球面滾 輪式 和等速萬向節(jié) 球叉式 球籠式 其中十字軸式萬向節(jié)是目前在汽車上應(yīng)用 最廣泛的 雙聯(lián)式萬向節(jié)在越野車轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋應(yīng)用增多 球籠式萬向節(jié)在轎車轉(zhuǎn)向驅(qū) 動(dòng)橋得到廣泛應(yīng)用 剛性萬向節(jié)是靠零件的鉸接式連接傳遞動(dòng)力 撓性萬向節(jié)是靠彈 性零件傳遞動(dòng)了的 具有緩沖減振作用 單十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)的不等速 使從動(dòng)軸及 其相連的部件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 影響部件壽命 所以常采用雙十字軸萬向節(jié)來實(shí)現(xiàn)等速 傳動(dòng) 等速萬向節(jié)是從結(jié)構(gòu)上保證在其工作中 其傳力點(diǎn)總位于兩軸交角的平分面上 這也是以后的發(fā)展方向 這次課題設(shè)計(jì)中選的是目前汽車上應(yīng)用廣泛的十字軸萬向節(jié) 傳動(dòng)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 在離心力的作用下長生劇烈振動(dòng) 所以 傳動(dòng)軸與萬向節(jié)裝 配后 必須滿足動(dòng)平衡要求 傳動(dòng)軸過長時(shí) 自振頻率較低 易產(chǎn)生共振 通常將傳 動(dòng)軸分成兩段并加中間支承 蜂窩軟墊式中間支承應(yīng)用較廣泛 有的汽車也采用擺動(dòng) 式中間支承 有限元方法在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用非常廣泛 主要在汽車上有以下幾種應(yīng)用 1 結(jié)構(gòu)靜力分析 這是在車輛及其發(fā)動(dòng)機(jī)的各種零部件設(shè)計(jì)中最常見的問題 也是應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域 即分析計(jì)算結(jié)構(gòu)與時(shí)間無關(guān)的應(yīng)力分布與變形情況 如齒 輪輪齒 鋼板彈簧 車橋 飛輪 傳動(dòng)軸的靜力分析 2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析 一是求解結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)本身的動(dòng)態(tài)特性 如固有頻率 振型 等 這對(duì)分析與解決振動(dòng)問題是十分重要的 二是強(qiáng)迫響應(yīng)分析 即結(jié)構(gòu)在動(dòng)載的作 用下的響應(yīng) 這較靜力分析更接近于車輛及其發(fā)動(dòng)機(jī)中的許多零部件的實(shí)際工作情況 但一般計(jì)算量也將增加許多倍 隨著對(duì)環(huán)境問題的益重視 在車輛及發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)中 已普遍采用各種分析工具 采取各種有效措施 來改善和減少車輛的振動(dòng)和噪聲 例 如車輛動(dòng)力裝置的動(dòng)態(tài)性分析等 3 溫度場(chǎng)分析 分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的分布情況以及熱應(yīng)力和熱變形的情況 包 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的問題 例如可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)中的活塞 氣缸蓋等燃燒室附近的零部件 在進(jìn)行這類零部件的強(qiáng)度剛度分析計(jì)算時(shí) 不僅要考慮機(jī)械負(fù)荷而且還要同時(shí)考慮熱 負(fù)荷 4 流場(chǎng)分析 是有限元方法在流體力學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用 一般流場(chǎng)分析是非線性 問題 較為復(fù)雜 解決流體力學(xué)中的問題應(yīng)用較多的是有限差分法與可以認(rèn)為是介于 有限差分法和有限元方法之間的有限容積法 這一類問題的應(yīng)用實(shí)例有車輛外形對(duì)行 駛阻力的影響的分析 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的分析等 對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu) 工藝參數(shù) 結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化 可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期 對(duì)其剛度和強(qiáng)度有充分的認(rèn)識(shí) 使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)過程就可保證使用要求 縮短設(shè)計(jì)試驗(yàn) 周期 節(jié)省試驗(yàn)和生產(chǎn)費(fèi)用 它在汽車產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用使得汽車在輕量化 舒適性 經(jīng)濟(jì)性與操縱穩(wěn)定性等方面得到改善及提高 1 3 研究汽車萬向傳動(dòng)軸的目的和意義 1 3 1 研究汽車萬向傳動(dòng)軸的目的 中國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展 車型的多樣化 個(gè)性化已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì) 我國汽車 業(yè)的高速發(fā)展 帶動(dòng)我國汽車傳動(dòng)軸需求持續(xù)大幅增長 汽車傳動(dòng)軸市場(chǎng)潛在需求與 潛在機(jī)會(huì) 整個(gè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模具有非常大的擴(kuò)展空間 單個(gè)企業(yè)規(guī)模也會(huì)越來越大 在這 樣的一個(gè)背景下 中國汽車傳動(dòng)軸發(fā)展前景一片光明 萬向節(jié)傳動(dòng)應(yīng)適應(yīng)所聯(lián)兩軸的夾角及相對(duì)位置在一定范圍內(nèi)的不斷變化且能可靠 而穩(wěn)定地傳遞動(dòng)力 保證所聯(lián)兩軸能等速旋轉(zhuǎn) 且由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷 振動(dòng)及噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi) 在使用車速范圍內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象 此外 萬向節(jié)傳 動(dòng)還要求傳動(dòng)效率高 使用壽命長 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 制造方便 維修容易 而傳動(dòng)軸及萬 向節(jié)的設(shè)計(jì)裝配不良將產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲 因此該總成設(shè)計(jì)是汽車設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié)之 一 本題是依據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)車型的萬向傳動(dòng)裝置作為設(shè)計(jì)原型 在給定變速 器輸出轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速及發(fā)動(dòng)機(jī)和主減速器安裝位置等條件下 學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)出符合要求 的萬向傳動(dòng)裝置 著重設(shè)計(jì)計(jì)算萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及對(duì)其進(jìn)行了校核計(jì)算 在對(duì)各種 結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了分析計(jì)算后 繪制出該總成裝配圖及主要零件的零件圖 1 3 2 研究汽車傳動(dòng)軸的意義 本課題使用 CAD Pro E ANSYS 技術(shù)對(duì)萬向傳動(dòng)裝置進(jìn)行設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與制 造的一體化 具有明顯的優(yōu)越性 在縮短了設(shè)計(jì)周期的同時(shí) 實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化 通用化 系列化 提高了加工效率及加工質(zhì)量 有利于提高企業(yè)自身應(yīng)變能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 給企業(yè)帶來綜合效率 通過 HGC1050 萬向傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 能夠使我熟練地掌握 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 CAD Pro E ANSYS 在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用 鍛煉自己分析問題解決問題的能力 汽車 萬向傳動(dòng)裝置正廣泛應(yīng)用于各種車輛上 使汽車傳動(dòng)性能顯著提高 因此 對(duì)此課題 的研究具有十分重要的意義 1 4 萬向傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本要求 萬向傳動(dòng)軸一般是由萬向節(jié) 傳動(dòng)軸和中間支撐組成 主要用于工作過程中相對(duì) 位置不斷改變的兩根軸間傳遞轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 伸縮套能自動(dòng)調(diào)節(jié)變速器與驅(qū)動(dòng)橋之 間距離的變化 萬向節(jié)是保證變速器輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋輸入軸兩軸線夾角的變化 并實(shí) 現(xiàn)兩軸的等角速傳動(dòng) 一般萬向節(jié)由十字軸 十字軸承 凸緣叉及軸向定位件和橡膠 密封件等組成 傳動(dòng)軸是一個(gè)高轉(zhuǎn)速 少支承的旋轉(zhuǎn)體 因斷改變的兩根軸間傳遞轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng) 重型載貨汽車根據(jù)驅(qū)動(dòng)形式的不同選擇不同型式的傳動(dòng)軸 一般來講 4 2 驅(qū)動(dòng) 形式的汽車僅有一根主傳動(dòng)軸 6 4 驅(qū)動(dòng)形式的汽車有中間傳動(dòng)軸 主傳動(dòng)軸和中 后橋傳動(dòng)軸 6 6 驅(qū)動(dòng)形式的汽車不僅有中間傳動(dòng)軸 主傳動(dòng)軸和中 后橋傳動(dòng)軸 而且還有前橋驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸 在長軸距車輛的中間傳動(dòng)軸一般設(shè)有傳動(dòng)軸中間支承 它 是由支承架 軸承和橡膠支承組成 傳動(dòng)軸是由軸管 伸縮套和萬向此它的動(dòng)平衡是至關(guān)重要的 一般傳動(dòng)軸在出廠 前都要進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn) 并在平衡機(jī)上進(jìn)行了調(diào)整 因此 一組傳動(dòng)軸是配套出廠的 在使用中就應(yīng)特別注意 其基本結(jié)構(gòu)如圖 1 1 所示 圖 1 1 萬向傳動(dòng)裝置的工作原理及功用 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 圖 1 2 變速器與驅(qū)動(dòng)橋之間的萬向傳動(dòng)裝置 基本要求 1 保證所連接的兩根軸的夾角及相對(duì)位置在一定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí) 能可靠而穩(wěn)定地 傳遞動(dòng)力 2 保證傳動(dòng)盡可能同步 所連接兩軸盡可能等速運(yùn)轉(zhuǎn) 3 由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷 振動(dòng)和噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi) 在使用車速 范圍內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象 4 傳動(dòng)效率高 使用壽命長 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 制造方便 維修容易等 萬向傳動(dòng)裝置有極其廣泛的應(yīng)用 發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪或全輪驅(qū)動(dòng)汽車行駛時(shí) 由于 懸架不斷變形 變速器或分動(dòng)器的輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋輸入軸軸線之間的相對(duì)位置經(jīng)常變 化 因而普遍采用可伸縮的十字軸萬向傳動(dòng)軸 某些汽車根據(jù)總布置要求需將離合器 與變速器 變速器與分動(dòng)器之間拉開一端距離 考慮到它們之間很難保證軸與軸同心 及車架的變形 所以常采用十字軸萬向傳動(dòng)軸或撓性萬向傳動(dòng)軸 對(duì)于轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋 左 右驅(qū)動(dòng)輪需要隨汽車行駛軌跡變化而改變方向 這時(shí)多采用等速萬向傳動(dòng)軸 如 圖 1 3 所示 圖 1 3 萬向節(jié)在汽車上的各種應(yīng)用 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 1 5 本課題研究的主要內(nèi)容 依據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)車型的萬向傳動(dòng)裝置作為設(shè)計(jì)原型 在給定變速器輸出 轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速及發(fā)動(dòng)機(jī)和主減速器安裝位置等條件下 獨(dú)立設(shè)計(jì)出符合要求的萬向傳動(dòng) 裝置 著重設(shè)計(jì)計(jì)算萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及對(duì)其進(jìn)行了校核計(jì)算 對(duì)汽車萬向傳動(dòng)軸的 運(yùn)動(dòng)特性 技術(shù)難題 制造工藝 使用壽命影響因素 失效形式 進(jìn)行深入系統(tǒng)的分 析 在設(shè)計(jì)過程中避免振動(dòng) 傳動(dòng)動(dòng)軸斷裂 十字軸折斷 及滾針軸承過早損壞等問 題 運(yùn)用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法完成對(duì)傳動(dòng)軸的計(jì)算校核 傳動(dòng)軸滑動(dòng)花鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算 萬向 節(jié)叉及十字軸的計(jì)算校核 利用相關(guān)書籍資料完成對(duì)十字軸的設(shè)計(jì)及校核 傳動(dòng)軸滑 動(dòng)花鍵和萬向節(jié)的潤滑方案的選擇與設(shè)計(jì) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第 2 章 汽車傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)方案分析與選擇 2 1 汽車傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)方案概述 2 1 1 萬向節(jié)與傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)型式 汽車后驅(qū)動(dòng)橋的萬向節(jié)傳動(dòng)裝置通常稱為汽車的萬向傳動(dòng)軸或簡(jiǎn)稱為傳動(dòng)軸 它 由萬向節(jié) 軸管及其伸縮花鍵等組成 對(duì)于長軸距汽車的分段傳動(dòng)軸 還需有中間支 承 如圖 2 1 所示 2 1 2 傳動(dòng)軸管 伸縮花鍵及中間支承結(jié)構(gòu)型式 傳動(dòng)軸管由壁厚均勻易平衡 壁薄 1 5 3 0mm 管徑較大 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度高 彎曲 剛度大 適于高速旋轉(zhuǎn)的低碳鋼板卷制的電焊鋼管制成如圖 2 1 所示 圖 2 1 汽車傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)圖 a 帶有中間支承并有兩根軸管的分段傳動(dòng)軸 b 具有一根軸管的傳動(dòng)軸 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 1 萬向節(jié) 2 傳動(dòng)軸管 3 平衡片 4 伸縮軸管 5 防塵罩 6 十字軸 7 中間支承 伸縮花鍵具有矩形或漸開線齒形 用于補(bǔ)償由于汽車運(yùn)動(dòng)時(shí)傳動(dòng)軸兩端萬向節(jié)之 間的長度變化 當(dāng)承受轉(zhuǎn)矩的花鍵在伸縮時(shí) 產(chǎn)生軸向摩擦力為 aF 2 1 RTfFja 式中 傳動(dòng)軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩 jT 花鍵齒側(cè)工作表面的中徑 R 摩擦系數(shù) f 由于花鍵齒側(cè)工作表面面積較小 在大的軸向摩擦力作用下將加速伸縮花鍵的磨 損 引起不平衡及振動(dòng) 應(yīng)提高鍵齒表面硬度及光潔度 進(jìn)行磷化處理 噴涂尼龍 改善潤滑 可減小摩擦阻力及磨損 也有用滾珠或滾柱的滾動(dòng)摩擦代替花鍵齒間的滑 動(dòng)摩擦的結(jié)構(gòu)如圖 2 2 所示 圖 2 2 帶有滾柱的汽車傳動(dòng)軸 1 滾柱 2 帶有滾柱內(nèi)滾道的傳動(dòng)軸管 3 帶有滾柱外滾道的軸管 花鍵應(yīng)有可靠的潤滑及防塵措施 間隙不宜過大 以免引起傳動(dòng)軸振動(dòng) 內(nèi) 外 花鍵應(yīng)對(duì)中 為減小鍵齒摩擦表面間的壓力及磨損應(yīng)使鍵齒長 與其最大直徑 之比jljd 不小于 2 花鍵齒與鍵槽應(yīng)按對(duì)應(yīng)標(biāo)記裝配 以免破壞傳動(dòng)軸總成的動(dòng)平衡 動(dòng)平衡 的不平衡度由點(diǎn)焊在軸管外表面上的平衡片補(bǔ)償 裝車時(shí)傳動(dòng)軸的仲縮花鍵一端不應(yīng) 靠近后驅(qū)動(dòng)橋 而應(yīng)靠近變速器或中間支承 以減小其軸向摩擦力及磨損 中間支承 用于長軸距汽車的分段傳動(dòng)軸 以提高傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速 避免共振 減小噪聲 它 安裝在車架橫梁或車身底架上 應(yīng)能補(bǔ)償傳動(dòng)軸的安裝誤差及適應(yīng)行駛中由于彈性懸 置的發(fā)動(dòng)機(jī)的竄動(dòng)和車架變形引起的位移 而其軸承應(yīng)不受或少受由此產(chǎn)生的附加載 荷 以前中間支承多采用自位軸承 目前則廣泛采用坐于橡膠彈性元件上的單列球軸 承如圖 2 1 圖 2 3 橡膠彈性元件能吸收傳動(dòng)軸的振動(dòng) 降低噪聲 承受徑向力 但 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 不能承受軸向力 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇支承剛度 避免在傳動(dòng)軸常用轉(zhuǎn)速內(nèi)產(chǎn)生共振 擺臂式中間支承的擺臂用于適應(yīng)中間傳動(dòng)軸軸線在縱向平面內(nèi)的位置變化如圖 2 4 6 6 越野汽車傳動(dòng)軸的中間支承常安裝在中驅(qū)動(dòng)橋殼上 多采用兩個(gè)圓錐滾子軸 承 軸承座應(yīng)牢固地固定在中橋殼上如圖 2 5 所示 圖 2 3 汽車傳動(dòng)軸的中間支承 a 傳動(dòng)軸及其中間支承 b e 中間支承方案 1 一撓性萬向節(jié) 2 4 一前 后傳動(dòng)軸 3 一彈性中間支承 5 一平衡片 6 一橡膠套 7 一橫梁 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 圖 2 4 擺臂式中間支承 圈 2 5 越野汽車傳動(dòng)軸的中間支承 2 1 3 萬向節(jié)類型 汽車用萬向節(jié)分為剛性的 撓性的 等速的和不等速的幾種 汽車除轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋 及帶有擺動(dòng)半軸的驅(qū)動(dòng)橋的分段式半軸多采用等建萬向節(jié)外 一般驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)軸均采 用一對(duì)十字軸萬向節(jié) 1 普通十字軸萬向節(jié) 普通十字軸萬向節(jié)如圖 2 6 所示 由兩個(gè)萬向節(jié)叉及聯(lián)接它們的十字軸 滾針軸 承及訥封等組成 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 傳動(dòng)效率高 十字軸萬向節(jié)的損壞形式主要是十字軸 軸頸和滾針軸承的磨損 以及十字軸軸頸和滾針軸承碗工作表面的壓痕和剝落 通常 認(rèn)為當(dāng)磨損或壓痕超過 0 25 時(shí) 十字軸萬向節(jié)就應(yīng)報(bào)廢 為了提高其使用壽命 m 出現(xiàn)了各種有效的組合式潤滑密封裝置 以潤滑和保護(hù)十字軸軸頸與滾針軸承如圖 2 7 轎車和輕型客 貨車常于裝配時(shí)封入潤滑脂潤滑以減少車輛的潤滑點(diǎn) 這時(shí)應(yīng) 采用密封效果較好的雙刃口或多刃口橡膠油封 當(dāng)需定期加注潤滑脂時(shí) 應(yīng)如圖 2 7 所示將油封反裝以利在加注潤滑脂時(shí)能將陳油和磨損產(chǎn)物排出 軸蕊中的滾針直徑的 差值應(yīng)控制在 0 003 以內(nèi) 否則會(huì)加重載荷在滾針間的分配不均勻性 滾針軸承m 的徑向間隙過大會(huì)使受載的滾針數(shù)減少及引起滾針歪斜 間隙過小則可能受熱卡住 合適的間隙為 0 009 0 095 滾針的用向總間隙取 0 08 0 30 為宜 重型汽m 車有時(shí)采用較粗的滾針并分成兩段以提高其壽命 也有以滾柱代替滾針的結(jié)構(gòu) 為防 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 止十字軸軸向竄動(dòng)及避免摩擦發(fā)熱 有的在十字軸軸端和軸承碗之間加裝端面滾針軸 承 圖 2 6 普通十字軸萬向節(jié) 1 一軸承蓋 2 6 一萬向節(jié)叉 3 一油嘴 4 一十字軸 5 一安全閥 7 一油封 8 一滾針 9 軸承碗 圖 2 7 十字軸的潤滑與密封 1 一防塵罩 2 一油封座圈 3 一止推環(huán) 4 一滾針 間隙 a 一油封壓配錐面 單個(gè)十字軸萬向節(jié)不是等速萬向節(jié) 其特點(diǎn)是當(dāng)主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間有夾角時(shí) 不能等速傳遞而有轉(zhuǎn)角差 使主 從動(dòng)軸的角速度周期性地不相等 采用兩個(gè)十字軸 萬向節(jié)并把與傳動(dòng)軸相連的兩個(gè)萬向節(jié)叉布置在同一平面內(nèi) 且使萬向節(jié)的夾角 則可使處于同一平面內(nèi)的輸出軸與輸入軸等角速旋轉(zhuǎn) 21 十字軸萬向節(jié)兩軸的夾角 不宜過大 當(dāng) 由 增至 時(shí) 滾針軸承壽命將下 416 降至原壽命的 1 4 2 撓性萬向節(jié) 利用橡膠盤 塊 環(huán)及橡膠一金屬套筒等橡膠彈性元件在夾角不大于 的兩軸間 5 傳遞轉(zhuǎn)矩 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 不需潤滑 能減小傳動(dòng)系的扭振 動(dòng)載荷及噪聲 有的結(jié)構(gòu) 還允許一定的軸向變形 當(dāng)這種軸向變形量能滿足使用要求時(shí) 可省去伸縮花鍵 常 用作轎車三萬向節(jié)傳動(dòng)中的靠近變速器的第一萬向節(jié)或用在重型車的離臺(tái)器與變速器 變速器與分動(dòng)器之間 考慮到用到這些地方的撓性萬向節(jié)常要在掛直接檔時(shí)的高轉(zhuǎn)速 下工作 為保證傳動(dòng)軸總成的平衡精度 則必須使萬向節(jié)兩側(cè)的軸線對(duì)中 圖 2 8 給 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 出了汽車撓性萬向節(jié)及其橡膠彈性元件的典型結(jié)構(gòu)圖 其中圖 a 圖 b 分別為具有 球面對(duì)中機(jī)構(gòu)的環(huán)形和六角形撓性萬向節(jié) 圖 c 為橡膠 金屬套筒結(jié)構(gòu)的撓性萬向 節(jié) 圖 d 圖 e 分別為組合型和盤形橡膠元件 用于橡膠 金屬套筒結(jié)構(gòu)的橡膠應(yīng)具有的物理機(jī)械特性為 抗拉強(qiáng)度不小于 1 5 相對(duì)拉伸率不小于 350 肖氏硬度 65 75 最大擠壓應(yīng)力為 7 5 8MPa 剪切彈性模量 0 85 工作溫度范圍為 45 80 GMPa a 球面對(duì)中機(jī)構(gòu)的環(huán)形撓性萬向節(jié) b 六角形撓性萬向節(jié) c 橡膠 金屬套筒結(jié)構(gòu)的撓性萬向 節(jié) d 組合型橡膠元件 e 盤形橡膠元件 圖 2 8 撓性萬向節(jié)及其橡膠元件的典型結(jié)構(gòu) 3 等速萬向節(jié) 主 從動(dòng)軸的角速度在兩軸之間的夾角變動(dòng)時(shí)仍然相等的萬向節(jié) 稱為等角速萬 向節(jié)或等速萬向節(jié) 等速萬向節(jié)的 等角速 工作原理 可以一對(duì)大小相同的圓錐齒輪傳動(dòng)為例來說明 兩齒輪的軸線交角為 這兩個(gè)齒輪輪齒的接觸點(diǎn) 位于軸間夾角的平分線上 由點(diǎn) P 到兩軸線的垂直距離相等并等于 在 點(diǎn)處兩齒輪的圓周速度是相等的 因而兩齒P0r 輪的角速度相等 多數(shù)等速萬向節(jié)工作時(shí)的特點(diǎn)也都在于 它們所有的傳力點(diǎn)總是位 于兩軸夾角的等分平面上 這樣 被萬向節(jié)所聯(lián) 接的兩軸的角速度就永遠(yuǎn)相等 在轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋 斷開式驅(qū)動(dòng)橋和 de Dion 式驅(qū)動(dòng)橋的車輪傳動(dòng)裝置中 廣泛地采用著 各種型式的等速萬向節(jié)和近似等速的萬向節(jié) 其常見的結(jié)構(gòu)型式有球籠式 球叉式 雙聯(lián)式 凸塊式和三銷式等 2 2 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)所選車型為前置后驅(qū) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用十字軸萬向節(jié) 并且軸距為 3800 1500 一般須有中間支撐 需采用中間支撐 故最終決定采用帶中間m 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 支撐的兩軸三萬向節(jié)傳動(dòng)方案 方案如圖 2 9 所示 圖 2 9 萬向傳動(dòng)裝置總體方案簡(jiǎn)圖 1 離合器 2 變速器 3 萬向節(jié) 4 差速器 5 驅(qū)動(dòng)橋 6 傳動(dòng)軸管 7 中間支撐 2 3 本章小結(jié) 本章介紹了萬向傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)類型及各自特點(diǎn) 對(duì) HGC1050 的傳動(dòng)軸進(jìn)行了初 步的結(jié)構(gòu)選擇 根據(jù)本車的驅(qū)動(dòng)型式 FR 及軸距的要求選擇兩軸三個(gè)萬向節(jié)的結(jié) 構(gòu)型式 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 第 3 章 萬向傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 3 1HGC1050 汽車的主要技術(shù)參數(shù) 根據(jù)任務(wù)書所提供的設(shè)計(jì)參數(shù)如表 3 1 所示 表 3 1 設(shè)計(jì)基本參數(shù) 乘員數(shù) 3 重量參數(shù) 載重 2165 自重 3095 總重 5455 空載軸荷 前 后 1657 1438 滿載軸荷 前 后 2200 3255 尺寸參數(shù) 貨箱尺寸 5110 2100 450 550 軸距 3800 輪距 前 后 1670 1602 前懸 后懸 1070 2060 性能參數(shù) 最大爬坡度 28 最高車速 90 最小轉(zhuǎn)彎直徑 15 2 制動(dòng)距離 36 7m 最小離地間隙 190 接近角 離去角 22 15 油箱容積 120 最大續(xù)駛里程 800 發(fā)動(dòng)機(jī) 排量 3 168 額定功率 轉(zhuǎn)數(shù) 88 3200 最大扭距 轉(zhuǎn)數(shù) 300 1900 2100 排放標(biāo)準(zhǔn) 歐 II 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 3 2 傳動(dòng)軸總成設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 3 2 1 傳動(dòng)軸計(jì)算載荷的確定 HGC1050 所采用的驅(qū)動(dòng)形式為 FR 前置后驅(qū) 即傳動(dòng)軸位于變速器與驅(qū)動(dòng)橋 之間 因此傳動(dòng)軸計(jì)算載荷計(jì)算方法如下 1 計(jì)算載荷按發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩和一檔傳動(dòng)比來確定 3 1 nkiTeds 1max 2 計(jì)算載荷按驅(qū)動(dòng)輪打滑來確定 3 2 mrsiG 0 2 式中 為發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩 maxeTN 為計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋數(shù) n 為變速器一檔傳動(dòng)比 1i 為發(fā)動(dòng)機(jī)到萬向傳動(dòng)軸之間的傳動(dòng)效率 為液力變矩器變矩系數(shù) k 為猛接離合器所產(chǎn)生的動(dòng)載系數(shù) d 為滿載狀態(tài)下一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋上的靜載荷 2GN 為汽車最大加速度時(shí)的后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù) m 為輪胎與路面間的附著系數(shù) 為車輪滾動(dòng)半徑 r m 為主減速器傳動(dòng)比 0i 為主減速器從動(dòng)齒輪到車輪之間的傳動(dòng)比 m 為主減速器主動(dòng)齒輪到車輪之間的傳動(dòng)效率 發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩 1 30max dekNT 5 3 16 1 2 1 0 ki 4 0956 離變 n 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 32075 4 1 2 0 80 0 371 5 24 1 2G8 96054 N 2m rm0imi 95 m 所以計(jì)算可得 23 41 0 9536 7301 max nkiTeds N 24 5 80 2mrsiGm 3 2 2 傳動(dòng)軸軸管的選擇及校核 萬向傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)與其所連接的萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)有關(guān) 通常 萬向傳動(dòng)軸由中間部 分和端部組成 中間部分可為實(shí)心軸或?yàn)榭招牡妮S管 實(shí)心軸僅用于作為與等速萬向 節(jié)相連的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋的半軸或用作斷開式驅(qū)動(dòng)橋和 de Dion 橋的擺動(dòng)半軸 空心的 軸管具有較小的質(zhì)量但能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩 且比實(shí)心軸具有更高的臨界轉(zhuǎn)速 故用作 汽車傳動(dòng)系的萬向傳動(dòng)軸 傳動(dòng)軸管由低碳鋼板卷制的電焊鋼管制成 軸管外徑及壁厚 或內(nèi)徑 是根據(jù)所傳 最大轉(zhuǎn)矩 最高轉(zhuǎn)速及長度按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn) YB242 63 選定 并校核臨界轉(zhuǎn)速及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度 電焊鋼管參數(shù)應(yīng)按冶金部標(biāo)準(zhǔn)摘自 YB242 63 選取如表 3 2 所示 表 3 2 給出外 徑 毫米的標(biāo)準(zhǔn)資料 以供設(shè)計(jì)時(shí)參考 95 60 cD 表 3 2 毫米的電焊鋼管 YB242 63 95 60 外徑 m 鋼管厚度 m外徑 m 鋼管厚度 m 60 1 4 1 5 1 6 1 8 2 0 2 2 2 5 2 8 3 0 3 2 3 5 83 1 4 1 5 1 6 1 8 2 0 2 2 2 5 2 8 3 0 3 2 3 5 3 8 4 0 4 2 4 5 63 5 1 4 1 5 1 6 1 8 2 0 2 2 2 5 2 8 3 0 3 2 3 5 89 1 4 1 5 1 6 1 8 2 0 2 2 2 5 2 8 3 0 3 2 3 5 3 8 4 0 4 2 4 5 4 8 70 1 4 1 5 1 6 1 8 2 0 2 2 2 5 2 8 3 0 3 2 3 5 95 1 4 1 5 1 6 1 8 2 0 2 2 2 5 2 8 3 0 3 2 3 5 3 8 4 0 4 2 4 5 4 8 75 1 4 1 5 1 6 1 8 2 0 2 2 2 5 2 8 3 0 3 2 3 5 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 3 8 4 0 4 2 4 5 本設(shè)計(jì)中選取 75 鋼管壁厚取 3 所以 69 cDmmcdm 傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速與其長度及斷面尺寸等有關(guān) 由于沿軸管表面鋼材質(zhì)量分布的 不均勻性以及在旋轉(zhuǎn)時(shí)其本身質(zhì)量產(chǎn)生的離心力所引起的靜撓度 使軸管產(chǎn)生彎曲應(yīng) 力 后者在一定的轉(zhuǎn)速下會(huì)導(dǎo)致軸管的斷裂 所謂傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速是指旋轉(zhuǎn)軸失去 穩(wěn)定性的最低轉(zhuǎn)速 它決定于傳動(dòng)軸的尺寸 結(jié)構(gòu)及其支承情況 為了確定臨界轉(zhuǎn)速 可研究一下兩端自由地支承于剛性球鉸上的軸 見圖 3 1 a 設(shè)軸的質(zhì)量 集中于m 點(diǎn) 且 點(diǎn)偏離旋轉(zhuǎn)軸線的量為 當(dāng)軸以角速度 旋轉(zhuǎn)時(shí) 產(chǎn)生的離心力為OeWF 3 3 2ymF 式中 軸在其離心力作用下產(chǎn)生的撓度 y 與離心力相平衡的彈性力為 p 3 4 cy 式中 軸的側(cè)向剛度 對(duì)于質(zhì)量分布均勻且兩端自由地支承于球形鉸接的軸 c 其側(cè)向剛度 384 5 3 LEJ 5 843LEJ 材料的彈性模量 可取 EMPa10 2 軸管截面的抗彎慣性矩 J 64 4dDJ 因 cyP2 emWF 故有 2y 認(rèn)為在達(dá)到臨界轉(zhuǎn)速的角速度 時(shí)傳動(dòng)軸將破壞 即 則有 c y0 2 m 3 5 cW 對(duì)于傳動(dòng)軸管 LdDm 25 02 式中 軸管的外徑及內(nèi)徑 dD 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 傳動(dòng)軸的支承長度 取兩萬向節(jié)之中心距 L m 軸管材料的密度 對(duì)于鋼 5108 kg 將上述 的表達(dá)式代人式 3 5 令mjc及 3 ccnW 則得傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速 為i rn 3 6 2810 LdDc 圖 3 1 傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算用簡(jiǎn)圖 a 兩端為剛性球鉸支承 b 前端與加長的變速器相連 c 帶有彈性中間支承的雙傳動(dòng)軸傳 動(dòng) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 因?yàn)?3 7 05maxinrUg hka 04 8mx 24 5 1392 05 ig 所以 in 61rn 當(dāng) 時(shí) 十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)效率 為 25 0 3 8 ta2 10rdf 式中 十字軸萬向節(jié)的傳動(dòng)效率 0 軸頸與萬向節(jié)叉的摩擦因數(shù) 滾針軸承f 10 5 f 十字軸軸頸直徑 221d1dm 代入上式求得 98 0 初步選定 hmH26 2 1 由于傳動(dòng)軸動(dòng)平衡的誤差 伸縮花鍵聯(lián)接的間隙以及支承的非剛性等 傳動(dòng)軸的 實(shí)際臨界轉(zhuǎn)速要低于按上式計(jì)算的值 因此應(yīng)引進(jìn)安全系數(shù) K 并取 0 2 1 max nKc 式中 相應(yīng)于最高車速時(shí)的傳動(dòng)軸最大轉(zhuǎn)速 maxn min r 傳動(dòng)軸的計(jì)算臨界轉(zhuǎn) c i r 1 2 用于精確的動(dòng)平衡 高精度的伸縮花鍵及極微小的萬向節(jié)間隙時(shí) K maxn in 34 1 98 6 31 0 r 取 則有計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速 為5 1 kc mi 0 67 5 max rkc 因?yàn)?2810 cCLdDn 所以有 6 7 本設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸為兩段組成 長度小于 1618 76 因m0 21 m 此本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸滿足臨界轉(zhuǎn)速的要求 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 萬向傳動(dòng)軸的斷面尺寸除應(yīng)滿足臨界轉(zhuǎn)速的要求外 還應(yīng)保證有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度 傳動(dòng)軸的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 可按下式計(jì)算 Mpa 3 9 rdgeWkiT 1max 式中 發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩 maxeTN 變速器的一檔傳動(dòng)比 1gi 動(dòng)載系數(shù) dk 抗扭截面系數(shù) rW 對(duì)于傳動(dòng)軸管 上式又可表達(dá)為 3 10 16 4ccdDT 式中 傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 2432 341T max 1semN 傳動(dòng)軸管的外徑和內(nèi)徑 cdD 按上式計(jì)算得出的傳動(dòng)軸管扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 不應(yīng)大于 300 MPa 傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度為 pMpadTcc 30 54 103 6 c4 因?yàn)?的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度符合 的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度許用最大值 所以本設(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸滿足扭轉(zhuǎn)cc 強(qiáng)度的要求 傳動(dòng)軸總成應(yīng)進(jìn)行動(dòng)平衡 其不平衡度為 對(duì)轎車及輕型客 貨車 在 3000 6000 時(shí)不大于 1 2 對(duì) 5t 以上的貨車 在 1000 4000 時(shí)不大min rmN min r 于 10 十字軸端面磨損會(huì)使其軸向間隙及竄動(dòng)增大而影響動(dòng)平衡 因此應(yīng)嚴(yán)N 格控制該間隙或采用彈性蓋板 有的可加裝端面滾針軸承 傳動(dòng)軸總成的徑向全跳動(dòng) 應(yīng)不大于 0 5 0 8 由于矩形花鍵聯(lián)接傳動(dòng)具有接觸面積大 承載能力高 定心性能和導(dǎo)向性能好 鍵槽淺 應(yīng)力集中小 對(duì)軸和轂的強(qiáng)度削弱小 同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn) 因此 常應(yīng)用 于傳遞較大的轉(zhuǎn)矩和定心精度要求高的靜聯(lián)接和動(dòng)聯(lián)接 花鍵軸的尺寸按國家標(biāo)準(zhǔn)選取 最后進(jìn)行強(qiáng)度校核 目前采用的傳動(dòng)軸花鍵多為 矩形齒 它以內(nèi)徑和側(cè)面定心 保證傳動(dòng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 對(duì)于傳動(dòng)軸花鍵 主要計(jì)算花鍵的擠壓應(yīng)力 根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè) GB T1144 2001 查 得花鍵的規(guī)格為 GB T1144 2001 工作長度取為 100 的矩形齒花鍵 6382 m 式 3 3 亦可用于計(jì)算萬向傳動(dòng)的實(shí)心軸 例如傳動(dòng)軸一端的花鍵軸和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋 的半軸以及斷開式驅(qū)動(dòng)橋和 de Dion 橋的擺動(dòng)半軸 并取上式的 d 0 對(duì)于花鍵軸 D 取花鍵的內(nèi)徑 且其許用應(yīng)力一般按安全系數(shù)為 2 3 確定 計(jì)算傳動(dòng)軸花鍵的齒側(cè)擠壓應(yīng)力 MPa 為j 3 11 ZLDTj 2 4 11 式中 計(jì)算轉(zhuǎn)矩 1TmN 花鍵的外徑和內(nèi)徑 2 D 花鍵的齒數(shù)和鍵的有效長度 L 100mm LZ 當(dāng)花鍵的齒而硬度大于 35 時(shí) 傳動(dòng)軸伸縮花鍵的許用擠壓應(yīng)力為 25 50HRC 對(duì)于非滑動(dòng)花鍵 許用擠壓應(yīng)力為 50 100 MPa MPa 將已知數(shù)據(jù)代入 3 11 得 paj61 38 pj50 2 因此花鍵的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)的要求 3 2 3 中間支承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由式 3 6 可以確定傳動(dòng)軸總成的最大可能長度 如果它小于汽車總布置所要求的 傳動(dòng)軸尺寸 則需在變速器和后驅(qū)動(dòng)橋之間安置兩根萬向傳動(dòng)軸 且在它們的聯(lián)接處 在前傳動(dòng)軸后端 需設(shè)置固定在車架或車身上的中間支承 如圖 3 2 所示 在某些轎 車上 為了縮短傳動(dòng)軸的長度而采用加長的變速器 當(dāng)萬向傳動(dòng)軸的前端與加長的變速器相聯(lián)時(shí) 分析表明 這時(shí)由于傳動(dòng)軸前端支 承系統(tǒng) 變速器殼及其加長的后殼 離合器以及它們的支承具有明顯的柔性 使傳 動(dòng)軸的前端猶如架在彈性支承上 其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 3 1 b 所示 當(dāng)傳動(dòng)系的橫向振動(dòng) 固有頻率一定時(shí) 傳動(dòng)軸的這種支承系統(tǒng)會(huì)使其振動(dòng)特性有明顯的改變 式 3 6 是在假定傳動(dòng)軸兩端支承于剛性球鉸上的條件下求出的 它也沒有考慮萬 向節(jié)的質(zhì)量 因此 這里需再分析一下傳動(dòng)軸前端為彈性支承 后端為剛性支承如圖 3 1 b 這樣一個(gè)系統(tǒng)的情況 當(dāng)萬向傳動(dòng)軸的前端與加長的變速器相聯(lián)時(shí) 分析表明 這時(shí)由于傳動(dòng)軸前端支 承系統(tǒng) 變速器殼及其加長的后殼 離合器以及它們的支承具有明顯的柔性 使傳 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 動(dòng)軸的前端猶如架在彈性支承上 其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 3 1 b 所示 當(dāng)傳動(dòng)系的橫向振動(dòng) 固有頻率一定時(shí) 傳動(dòng)軸的這種支承系統(tǒng)會(huì)使其振動(dòng)特性有明顯的改變 利用拉格朗日方程求出系統(tǒng)的固有角頻率 則有 0 ipiKyEdt 3 12 圖 3 2 汽車傳動(dòng)軸的中間支撐 a 傳動(dòng)軸及其中間支撐 b e 中間支承方案 1 撓性萬向節(jié) 2 4 前 后傳動(dòng)軸 3 彈性中間支撐 5 平衡片 6 橡膠套 7 橫梁 利用拉格朗日方程求出系統(tǒng)的固有角頻率 則有 0 ipiKyEdt 3 13 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 式中 分別為系統(tǒng)的動(dòng)能與勢(shì)能 PkE與 2215 0 ymEiK 12 cyP 式中 前萬向節(jié)及變速器加長部分的質(zhì)量 1m 傳動(dòng)軸管的質(zhì)量 2 變速器加長部分及傳動(dòng)軸的剛度 1c 相應(yīng)的位移 見圖 3 1 2y 則系統(tǒng)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)方程為 3 14 02y 111 cym 3 15 122 令 得 式 帶 入 式 5 314 3sinwtAyi 021121 AcwmA 由以上兩式可得到 21211 42cwmAcwmA 或 對(duì)后兩式整理后得系統(tǒng)的固有角頻率方程為 3 16 0 24 BA 式中 214mcA 21mc 由式 3 16 可解得兩個(gè)固有角頻率 其中一個(gè)與變速器加長部分的柔度有關(guān) 在 122 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 大柔度下系統(tǒng)會(huì)在汽車使用車速下就產(chǎn)生共振 引起大的噪聲和劇烈的振動(dòng)并破壞萬 向節(jié)傳動(dòng)的正常工作 提高變速器加長部分的剛度則可使系統(tǒng)避開在這一頻率下的共 振 對(duì)于帶有橡膠彈性中間支承的萬向節(jié)傳動(dòng) 其固有角頻率可利用圖 3 1 c 所示的 簡(jiǎn)圖來確定 該系統(tǒng)的動(dòng)能和勢(shì)能為 21232 ymyEk 232313ccp 系統(tǒng)質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)方程為 02311 ycm 312 y 0323133 yccym 令 代人上列力程中并按前述類似步驟可求出圖 3 1 c 所示的固有角wtAyiisn 頻率方程為 3 17 0246 CBwA 式中 第一 二傳動(dòng)軸的質(zhì)量 剛度和撓度 212121ycm 中問支承和萬向節(jié)的總質(zhì)量 3 中問支承的剛度及位移 yc 這樣的系統(tǒng)具有三個(gè)固有角頻率 傳動(dòng)軸的角速度與其中任何一個(gè)固有角頻率相 一致時(shí) 都會(huì)引起共振產(chǎn)生 其中一個(gè)最低的固有頻率與中間支承有關(guān) 因此 現(xiàn)代 汽車萬向節(jié)傳動(dòng)中間支承的剛度 應(yīng)選擇得不會(huì)由于發(fā)動(dòng)機(jī)的擾動(dòng)而導(dǎo)致在使用車速 范圍內(nèi)產(chǎn)生共振 本設(shè)計(jì)中所采用的中間支承如圖 3 3 所示 其特點(diǎn)是 中間傳動(dòng)軸可以通過軸承 在中間支撐中轉(zhuǎn)動(dòng) 支承軸四周有橡膠襯套 可以改善軸承受力 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖 3 3 中間支撐 3 3 十字軸總成的設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 3 3 1 萬向節(jié)的受力分析 由于十字軸萬向節(jié)主 從動(dòng)叉軸轉(zhuǎn)矩 的作用 在主 從動(dòng)萬向節(jié)叉上產(chǎn)生21 T 相應(yīng)的切向力 和軸向力 見圖 3 4 21 tF21 aF 3 18 tansi1incos 2 taco i 1211 2112 RTFat 式中 R 切向力作用線與萬向節(jié)叉軸之間的距離 轉(zhuǎn)向節(jié)主動(dòng)叉軸之轉(zhuǎn)角 1 轉(zhuǎn)向節(jié)主 從動(dòng)叉軸之夾角 a 初始位置 時(shí) b 主動(dòng)叉軸轉(zhuǎn)角 時(shí) 021 901 圖 3 4 作用在萬向節(jié)叉及十字軸上的力 在十字軸軸線所在的平面內(nèi)并作用于十字軸的切向力與軸向力的合力為 3 19 tansi2211 RTQ 圖 3 4 a 為主動(dòng)叉軸位于初始位置的受力狀況 此時(shí) 達(dá)到最大值 221 0aF 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 3 20 sin2 1RTFa 圖 3 4 b 為主動(dòng)叉軸轉(zhuǎn)角 時(shí)的受力狀況 這時(shí) 均達(dá)最大值 901 2atFQ及 3 21 tan 2 cos 1max2aRTFQt 計(jì)算轉(zhuǎn)矩 取在發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩下且變速器處于 檔是的轉(zhuǎn)矩和滿載是的驅(qū)動(dòng)車1T 輪最大附著力矩 的換算轉(zhuǎn)矩兩者中的較小值 8 0 即 而萬向節(jié)工作夾角 將這Nse234 min 1 4 mR39 些數(shù)據(jù)代入 3 21 得 NRTFQa 9 21 tan 7308cos1mx 3 3 2 十字軸萬向節(jié)的設(shè)計(jì)及校核 對(duì)于十字軸萬向傳動(dòng)節(jié)需要計(jì)算其十字軸 萬向節(jié)叉 凸緣 十字軸軸承和緊固 件 十字軸萬向節(jié)的尺寸取決于十字軸的尺寸 而后者則是根據(jù)它在計(jì)算載荷作用下 無殘余變形的要求來確定的 設(shè)計(jì)是對(duì)萬向節(jié)可根據(jù)其使用轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速 夾角 車型 以及使用壽命等要求向?qū)I(yè)廠從系列產(chǎn)品中選購 根據(jù) HGC1050 貨車的載重質(zhì)量為 2 16 因此初選滾針軸承型號(hào)為 t 20 NKI 萬向節(jié)工作夾角 msdm10 4 221 4 計(jì)算十字軸軸頸根部見圖 3 5 a 的截面 處的彎曲應(yīng)力 和剪切應(yīng)力 為Aw 3 22 421max3dsQw 3 23 21ax 式中 十字軸軸頸直徑 mm 1d 十字軸軸頸油道孔直徑 mm 2 力的作用點(diǎn)到軸頸根部的距離 mm s 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 圖 3 5 十字軸及萬向節(jié)叉的計(jì)算用圖 a 十字軸 b 萬向節(jié)叉 十字軸的彎曲應(yīng)力應(yīng)不大于 剪切應(yīng)力應(yīng)不大于 由MPa350 2 MPa120 8 鋼 或 20CrMnTi 等低碳合金鋼制造 經(jīng)滲碳淬火處理 表Cr20CrnTi0ArNi1 面硬度 65 8HR 將已知數(shù)據(jù)代入 3 22 3 23 得 PaPasQdw 350 2 47 29 3 w41max M18 65 8 21ax 因此 十字軸的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求 3 3 3 十字軸滾針軸承的校核 十字軸滾針軸承中的滾針直徑通常不小于 1 6 以免壓碎 而且尺寸差別要m 小 否則會(huì)加重載荷在滾針間分配的不均勻性 公差帶控制在 0 003 以內(nèi) 滾針m 軸承徑向間隙過大時(shí) 承受載荷的滾針數(shù)減少 有出現(xiàn)滾針卡住的可能性 間隙過小 又有可能出現(xiàn)受熱卡住或因贓物阻塞卡住 合適的間隙為 滾針軸095 承的周向總間隙以 為好 滾針的長度一般不超過軸頸的長度 這可使m30 8 其既具有較高的承載能力 又不致因滾針過長發(fā)生歪斜而造成應(yīng)力集中 滾針在軸向 的游隙通常不應(yīng)超過 4 2 十字軸滾針軸承的接觸應(yīng)力為 3 24 lFdnj 172 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 為合力作用下一個(gè)滾針?biāo)艿降淖畲筝d荷 有下式確定nF iZQFnmax6 4 5440 15N 3 25 式中 滾針直徑 dd3 滾針的工作長度 l 18l 十字軸軸頸直徑 1 因此 MpaMpalFdjnj 320 29 10 2721 滾針軸承的許用載荷檢驗(yàn)按下式進(jìn)行 3 26 31max tan79 giZdlQ 式中 滾針數(shù) Z26 Z 滾針的直徑和工作長度 ld 發(fā)動(dòng)機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速 tn min 20rnt 自發(fā)動(dòng)機(jī)至萬向節(jié)間的變速機(jī)構(gòu)的低檔傳動(dòng)比 1gi 3 51 g 萬向節(jié)工作夾角 4 NinZdlNQgt 89 3725a79 Q 7 304831maxmax 因此十字軸滾針軸承滿足設(shè)計(jì)要求 3 3 4 萬向節(jié)叉的設(shè)計(jì)及校核 萬向節(jié)叉在 力作用下承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷 在截面 B B 處 見圖 3 5 b 的彎max 曲應(yīng)力 和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 分別為w t 3 27 WeQw max 3 28 tt 式中 抗彎截面系數(shù)和抗扭截面系數(shù) 對(duì)于矩形截面 tW 對(duì)于橢圓形截面 22 6 khbbt 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 5 16 10 222hbWbht 矩形截面的高及寬或橢圓形截面的長 短軸 bh 與 有關(guān)的系數(shù) 見表 3 3 k 表 3 3 的關(guān)系bh h b 1 0 1 5 1 75 2 0 2 5 3 0 4 0 10 k 0 208 0 231 0 239 0 246 0 258 0 267 0 282 0 312 見圖 3 5 b ae 萬向節(jié)叉由中碳鋼 35 40 45 或中碳合金鋼 制造 其彎曲應(yīng)力CrNiMoA40 不應(yīng)大于 50 80 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 不應(yīng)大于 80 160 合應(yīng)力為w MPat Pa 3 29 2tw 取 mekmhb 0 15 23 0 45 30 根據(jù)截面關(guān)系知 3 30 322156 4 bhW 3 31 903 kt 由式 3 27 3 28 3 30 3 31 得 MPaPaeQw 80 5 74 6 wmax Wtt 1639t 因此 通過各方面的計(jì)算與校核承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷滿足設(shè)計(jì)要就 所以本設(shè)計(jì) 的萬向節(jié)叉的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 第 4 章 傳動(dòng)軸總成建模與裝配 4 1 Pro ENGINEER 軟件簡(jiǎn)介 Pro ENGINEER 是美國參數(shù)技術(shù)公司 PTC 1988 年首家推出的使用參數(shù)化的特 征造型技術(shù)的大型 CAD CAE CAM 集成軟件 近年來在我國大型工廠 科研單位和 部分大學(xué)得到了較為普遍的應(yīng)用 深受廣大從事三維產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研究人員的喜愛 是一個(gè)全方位的三維產(chǎn)品開發(fā)軟件 集成了零件 產(chǎn)品裝配 模具設(shè)計(jì) 數(shù)控加 工 鈑金設(shè)計(jì) 鑄造件設(shè)計(jì) 造型設(shè)計(jì) 逆向工程 自動(dòng)測(cè)量 機(jī)構(gòu)仿真 應(yīng)力分析 電路布線 裝配管路設(shè)計(jì)等功能模塊和專有模塊于一體 可以實(shí)現(xiàn) DFM 面向制造 設(shè)計(jì) DFA 面向裝配設(shè)計(jì) ID 逆向設(shè)計(jì) CE 并行工程 等先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法 的特性 Pro ENGINEER 參數(shù)化設(shè)計(jì)的特性 3D 三維 實(shí)體模型 三維實(shí)體建?？梢詫⒂脩舻脑O(shè)計(jì)思想以最真實(shí)的三維模 型在 Pro ENGINEER 中