资源描述
汽 车 传 动 轴 设 计 及 应 用 传 动 轴 功 能 及 用 途 传 动 轴 的 功 能 主 要 是 将 发 动 机 的 动 力 和旋 转 运 动 传 递 给 车 轮 驱 动 汽 车 前 进 。 在 汽 车上 主 要 安 装 在 如 下 部 位 :1、 变 速 箱 后 桥 ( 十 字 轴 式 万 向 节 )2、 变 速 箱 中 桥 ( 十 字 轴 式 万 向 节 )3、 中 桥 后 桥 ( 十 字 轴 式 万 向 节 )4、 变 速 箱 分 动 箱 ( 十 字 轴 式 万 向 节 )5、 分 动 箱 前 桥 ( 十 字 轴 式 万 向 节 )6、 分 动 箱 后 桥 ( 十 字 轴 式 万 向 节 )7、 前 ( 中 、 后 ) 桥 车 轮 ( 球 笼 式 万 向 节 或双 联 十 字 轴 式 万 向 节 等 ) 传 动 轴 结 构 及 原 理 传 动 轴 主 要 由万 向 节 、 轴 管 、 及滑 动 花 键 副 组 成 。万 向 节 由 万 向 节 叉 、十 字 轴 带 滚 针 轴 承总 成 及 定 位 零 件( 卡 环 、 轴 承 压 板等 ) 组 成 。 汽 车 行 驶 时 , 变 速 箱 与 驱 动 桥 的 相 对 位 置 经常 在 发 生 变 化 , 与 之 相 连 的 传 动 轴 的 角 度 和 长 度也 就 在 经 常 变 化 , 所 以 传 动 轴 带 有 万 向 节 和 可 伸缩 的 滑 动 花 键 。 传 动 轴 花 键 , 以 往 大多 采 用 矩 形 花 键 , 目 前 渐开 线 花 键 的 应 用 越 来 越 普遍 。 渐 开 线 花 键 具 有 齿 面接 触 好 、 自 动 定 心 、 强 度高 、 寿 命 长 、 加 工 成 本 低等 优 点 。 滑 动 花 键 按 在 传动 轴 中 的 位 置 分 , 有 内 侧滑 动 和 外 侧 滑 动 两 种 结 构 。按 结 构 形 式 分 , 有 滑 动 叉结 构 和 花 键 轴 叉 结 构 。 为了 减 小 滑 动 花 键 的 轴 向 滑动 阻 力 和 磨 损 , 有 时 对 花键 齿 进 行 尼 龙 涂 敷 处 理 。 轴 管 用 来 连 接 万 向 节 和 滑 动 花 键 。 高 速 旋 转 的传 动 轴 要 求 轴 管 质 量 分 布 均 匀 , 容 易 动 平 衡 , 因 此通 常 采 用 低 碳 钢 板 卷 制 的 电 焊 钢 管 。 同 时 , 空 心 管还 有 重 量 轻 、 成 本 低 、 临 界 转 速 高 的 优 点 。 所 谓 临界 转 速 , 就 是 当 传 动 轴 的 工 作 转 速 接 近 于 其 弯 曲 振动 固 有 频 率 时 , 即 出 现 共 振 现 象 , 以 致 振 幅 急 剧 增加 而 引 起 传 动 轴 折 断 的 转 速 。 临 界 转 速 的 计 算 公 式 如 下 : 当 传 动 轴 过 长 时 , 自 振 频 率 降 低 , 容 易 产 生 共振 。 这 时 可 把 传 动 轴 分 为 两 段 、 三 段 甚 至 更 多 , 传动 轴 分 段 时 须 加 中 间 支 承 装 置 。L dDn k 2 228102.1 万 向 节 万 向 节 按 工 作 环 境 , 分 为 开 式 万 向 节 和 闭 式 万 向 节 。 万 向 节 按 扭 转 方 向 是 否 有 明 显 的 弹 性 , 可 分 为 刚 性 万 向 节 和 挠性 万 向 节 。 刚 性 万 向 节 是 靠 零 件 的 铰 链 式 连 接 传 递 动 力 的 , 可分 为 不 等 速 万 向 节 、 准 等 速 万 向 节 和 等 速 万 向 节 。 挠 性 万 向 节是 靠 弹 性 零 件 传 递 动 力 的 , 具 有 缓 冲 减 振 作 用 。 不 等 速 万 向 节 (卡 当 或 虎 克 万 向 节 ) : 十 字 轴 万 向 节 为 不 等 速万 向 节 。 对 于 单 万 向 节 传 动 , 当 主 动 轴 等 速 旋 转 时 , 从 动 轴 的转 速 时 快 时 慢 , 这 就 是 十 字 轴 万 向 节 的 不 等 速 性 。 不 等 速 性 与两 轴 夹 角 有 关 , 夹 角 越 大 , 不 等 速 性 越 严 重 , 从 而 引 起 动 力 总成 支 承 和 悬 架 弹 性 元 件 的 摆 动 , 引 起 变 速 箱 和 后 桥 齿 轮 的 冲 击噪 声 。 一 般 要 求 , 当 万 向 节 工 作 夹 角 大 于 3 时 , 夹 角 ( 度 )与 转 速 ( 转 /分 ) 的 乘 积 不 大 于 18000。 十 字 轴 万 向 节 尽 管 有 不等 速 性 的 弊 病 , 但 结 构 简 单 、 制 造 方 便 、 成 本 低 廉 , 还 是 被 汽车 工 业 广 泛 采 用 。 只 要 设 计 合 理 , 可 以 克 服 和 最 大 限 度 降 低 其 不 等 速 性 的 影 响 。 我 们 在 设 计 时 尽 力 调 整 各 万 向 节 夹 角 、 传 动轴 叉 子 相 位 等 因 素 , 使 输 出 轴 与 输 入 轴 在 汽 车 满 载 使 尽 可 能 接近 等 速 。 准 等 速 万 向 节 : 是 指 输 入 轴 和 输 出 轴 以 近 似 等 速 传 递 运 动的 万 向 节 。 双 联 式 万 向 节 、 凸 块 式 万 向 节 和 三 销 轴 式 万 向节 等 为 准 等 速 万 向 节 。 主 要 用 于 转 向 驱 动 桥 。 等 速 万 向 节 : 等 速 万 向 节 是 指 输 入 轴 和 输 出 轴 以 等 速 传 递运 动 的 万 向 节 。 球 笼 式 万 向 节 和 球 叉 式 万 向 节 等 为 等 速 万向 节 。 主 要 用 于 轿 车 和 驱 动 桥 。 挠 性 万 向 节 : 挠 性 万 向 节 依 靠 其 中 弹 性 零 件 的 弹 性 变 形 来保 证 在 相 交 两 轴 间 传 动 时 不 发 生 干 涉 。 它 能 减 小 传 动 系 的扭 转 振 动 、 动 载 荷 和 噪 声 , 结 构 简 单 , 使 用 中 不 需 润 滑 ,一 般 用 于 两 轴 间 夹 角 不 大 和 很 小 轴 向 位 移 的 万 向 传 动 场 合 。 十 字 轴 万 向 节 结 构 十 字 轴 万 向 节 按 滚 针 轴 承 的 定 位 方 式 , 可 分 为 压 板 式 ( 盖 板 式 ) 、 卡 环式 、 轴 承 盖 式 ( 瓦 盖 式 ) 和 翼 形 轴 承 式 。 压 板 式 结 构 : 采 用 压 板 、 螺 栓 和 锁 片 来 定 位 十 字 轴 及 滚 针 轴 承 。 结 构 简单 , 工 作 可 靠 , 工 艺 性 好 。 卡 环 式 结 构 : 采 用 卡 环 来 定 位 十 字 轴 及 滚 针 轴 承 , 它 又 分 为 外 卡 式 和 内卡 式 两 种 。 这 两 种 结 构 的 共 同 点 是 结 构 质 量 轻 , 卡 环 尺 寸 分 组 后 可 调 整十 字 轴 端 面 间 隙 。 另 外 , 外 卡 式 结 构 比 内 卡 式 结 构 工 艺 简 单 , 便 于 实 现流 水 线 生 产 。 目 前 的 传 动 轴 越 来 越 普 遍 采 用 外 卡 式 结 构 。 轴 承 盖 式 结 构 : 其 万 向 节 叉 与 十 字 轴 滚 针 轴 承 配 合 的 园 孔 不 是 一 个 整 体 ,而 是 分 成 两 部 分 , 成 瓦 盖 式 结 构 , 用 螺 栓 螺 母 紧 固 。 这 种 结 构 的 特 点 是装 拆 方 便 , 但 结 构 、 工 艺 复 杂 , 刚 性 差 , 目 前 已 不 多 见 。 翼 形 轴 承 结 构 : 这 种 结 构 其 实 是 瓦 盖 式 结 构 的 延 伸 。 就 是 将 瓦 盖 和 滚 针轴 承 合 为 一 个 整 体 , 用 螺 栓 螺 母 紧 固 。 这 种 结 构 的 特 点 是 装 拆 方 便 , 但是 结 构 、 工 艺 复 杂 , 但 是 由 于 它 结 构 质 量 轻 , 在 越 野 车 上 使 用 的 比 较 广泛 。 内 卡 结 构 外 卡 结 构翼 形 轴 承 结 构 瓦 盖 式 结 构盖 板 式 结 构 传 动 轴 中 间 支 承 在 长 轴 距 汽 车 上 , 为 了 提 高 传 动 轴 临 界 转 速 、 避 免共 振 以 及 考 虑 整 车 总 体 布 置 上 的 需 要 , 常 将 传 动 轴分 段 。 当 传 动 轴 分 段 时 , 需 加 设 中 间 支 承 。 中 间 支 承 通 常 安 装 在 车 架 横 梁 上 或 车 身 底 架 上 , 义补 偿 传 动 轴 轴 向 和 角 度 方 向 的 安 装 误 差 以 及 车 辆 行驶 过 程 中 由 于 发 动 机 窜 动 或 车 架 变 形 引 起 的 位 移 。目 前 广 泛 采 用 的 是 橡 胶 弹 性 中 间 支 承 。 橡 胶 弹 性 元件 能 吸 收 传 动 轴 的 振 动 , 降 低 噪 声 。 这 种 弹 性 中 间支 承 不 能 传 递 轴 向 力 , 它 主 要 承 受 传 动 轴 不 平 衡 、偏 心 等 因 素 引 起 的 径 向 力 , 以 及 万 向 节 上 的 附 加 弯矩 所 引 起 的 径 向 力 。 当 这 些 周 期 性 变 化 的 作 用 力 的频 率 等 于 弹 性 中 间 支 承 的 固 有 频 率 时 , 便 会 发 生 共振 。 传 动 轴 的 动 平 衡 传 动 轴 总 成 不 平 衡 是 传 动 系 弯 曲 振 动 的 一 个 激励 源 , 当 高 速 旋 转 时 , 将 产 生 明 显 的 振 动 和 噪声 。 所 以 传 动 轴 装 配 后 必 须 100 进 行 动 平 衡检 验 , 并 在 传 动 轴 两 端 焊 平 衡 片 校 正 不 平 衡 量 ,其 剩 余 不 平 衡 量 不 应 低 于 GB 9293中 规 定 的 G40平 衡 品 质 等 级 。 影 响 传 动 轴 动 平 衡 品 质 的 因 素 : 1、 万 向 节 十 字 轴 的 轴 向 间 隙 ; 2、 传 动 轴 滑 动 花 键 副 中 的 间 隙 ; 3、 传 动 轴 总 成 两 端 连 接 处 定 心 精 度 ; 4、 高 速 回 转 时 传 动 轴 的 弹 性 变 形 。 传 动 轴 设 计 计 算 传 动 轴 总 成 的 临 界 转 速 在 确 定 传 动 轴 轴 管 尺 寸 和 总 成 长 度 时 , 必 须 保 证 传 动 轴 有 足 够 的 强 度 和足 够 的 临 界 转 速 , 以 便 传 动 轴 在 低 速 大 扭 矩 和 高 速 行 驶 时 都 能 可 靠 地 工作 。 实 际 生 产 的 传 动 轴 不 可 能 绝 对 平 衡 , 高 速 转 动 时 , 传 动 轴 质 量 偏 心 产 生的 离 心 力 会 引 起 传 动 轴 的 弯 曲 振 动 。 当 传 动 轴 的 工 作 转 速 接 近 于 其 弯 曲振 动 固 有 频 率 时 , 即 出 现 共 振 现 象 , 以 致 振 幅 急 剧 增 加 而 引 起 传 动 轴 弯曲 折 断 , 此 时 的 转 速 称 为 传 动 轴 的 临 界 转 速 。 临 界 转 速 的 计 算 公 式 如 下 : 式 中 D, d传 动 轴 的 轴 管 外 径 和 内 径 , mm L 传 动 轴 总 成 的 长 度 ( 万 向 节 中 心 距 离 ) , mm 由 于 计 算 临 界 转 速 的 公 式 是 近 似 的 , 另 外 , 传 动 轴 使 用 中 的 磨 损 , 平 衡的 破 坏 等 , 都 会 使 传 动 轴 的 临 界 转 速 下 降 。 因 此 , 设 计 传 动 轴 时 , 为 安全 起 见 , 要 使 传 动 轴 的 最 高 转 速 小 于 0.7nk。L dDnk 2 228102.1 传 动 轴 额 定 载 荷 的 确 定 传 动 轴 的 额 定 载 荷 是 根 据 车 型 的 配 置 参 数 计 算 出 来 的 。 先 按 发 动 机 最 大 扭 矩计 算 , 再 按 车 轮 的 最 大 附 着 力 计 算 , 取 二 者 中 的 小 值 作 为 额 定 扭 矩 。 1、 按 发 动 机 最 大 扭 矩 计 算 : Mg=Memax ik1 ip1/n 式 中 Mg按 发 动 机 最 大 扭 矩 计 算 时 传 动 轴 承 受 的 扭 矩 , N.m Memax发 动 机 最 大 扭 矩 , N.m ik1 变 速 箱 一 档 速 比 i p1 分 动 箱 低 档 速 比 n 使 用 分 动 器 低 档 时 的 驱 动 轴 数 目 2、 按 车 轮 最 大 附 着 力 计 算 : Mmax=G rk /io 式 中 Mmax按 附 着 力 计 算 时 传 动 轴 承 受 的 扭 矩 , N.m G满 载 时 驱 动 轴 上 的 载 荷 , N rk 车 轮 的 滚 动 半 径 , m 轮 胎 与 地 面 的 附 着 系 数 ( 在 良 好 的 沥 青 路 面 上 取 0.8) io 减 速 器 速 比 传 动 轴 系 统 当 量 夹 角 的 计 算 假 如 多 万 向 节 传 动 的 各 轴 轴 线 均 在 同 一 平 面 , 且 各 传 动 轴 两 端 万 向 节 叉平 面 之 间 的 夹 角 为 0 或 90 , 则 当 量 夹 角 e为 式 中 , 1、 2、 3为 各 万 向 节 的 夹 角 。 正 负 号 是 这 样 规 定 的 : 当 第 一 万向 节 的 主 动 叉 处 在 各 轴 轴 线 所 在 的 平 面 内 , 在 其 余 的 万 向 节 中 , 如 果 其主 动 叉 与 此 平 面 重 合 定 义 为 正 , 反 之 , 定 义 为 负 。 为 使 多 万 向 节 传 动 的 输 出 轴 与 输 入 轴 等 速 旋 转 , 应 使 e=0。 在 设 计 多 万 向 节 传 动 时 , 总 是 希 望 其 当 量 夹 角 尽 可 能 小 , 一 般 设 计 时 应使 空 载 和 满 载 两 种 工 况 下 的 e不 大 于 3 。 232221 e 十 字 轴 万 向 节 的 设 计 计 算 十 字 轴 万 向 节 的 损 坏 , 通 常 是 十 字 轴 轴 颈 和 滚 针 轴 承 的 磨 损 、 十 字 轴 轴 颈 和 滚 针 轴 承 工 作 表面 的 压 痕 和 剥 落 。 当 磨 损 和 压 痕 超 过 0.25mm时 十 字 轴 和 滚 针 轴 承 应 报 废 。 在 设 计 万 向 节 时 ,应 保 证 十 字 轴 有 足 够 的 抗 弯 强 度 和 磨 损 寿 命 。 十 字 轴 危 险 断 面 大 都 发 生 在 轴 颈 根 部 。 轴 颈 根 部 的 弯 曲 应 力 为 : 轴 颈 根 部 的 剪 切 应 力 为 : 十 字 轴 轴 颈 的 接 触 应 力 为 : 式 中 : d: 十 字 轴 轴 颈 直 径 , mm d0: 十 字 轴 油 孔 直 径 , mm t: 轴 颈 危 险 断 面 至 滚 针 中 心 距 离 , mm r: 十 字 轴 中 心 至 滚 针 中 心 距 离 , mm lz: 滚 针 工 作 长 度 , mm Z: 滚 针 数 dz: 滚 针 直 径 , mm P: 作 用 在 十 字 轴 轴 颈 上 的 力 , N ( P Mmax / 2r) Q: 每 个 滚 针 所 承 受 的 最 大 载 荷 , N( Q 4.6P/iz) i: 滚 针 列 数 mmdd NdPt 2404 /350)(32 mmdd NP 2202 /120)( 4 mmd NlQd z 2/3200)11(272 轴 管 的 设 计 计 算 轴 管 的 扭 转 应 力 为 : max = 120N/mm2 式 中 : D 轴 管 外 径 ,mm d 轴 管 内 径 ,mm 计 算 轴 管 扭 转 应 力 时 , 安 全 系 数 一 般 按 1.5来确 定 。 ) 44 d-D( maxM*D16 花 键 的 设 计 计 算 花 键 轴 的 扭 转 应 力 为 : = 300N/mm2 花 键 齿 侧 的 挤 压 应 力 为 : 挤 = 式 中 : D1: 花 键 轴 花 键 大 径 , mm D2: 花 键 孔 花 键 小 径 , mm d: 花 键 轴 小 径 , mm n: 花 键 齿 数 L: 花 键 啮 合 长 度 , mm 计 算 花 键 轴 的 扭 转 应 力 时 , 安 全 系 数 一 般 按 2 3来 确 定 。 对 于 齿 面 硬 度 大 于 35HRC的滑 动 花 键 , 齿 侧 许 用 挤 压 应 力 为 25 50Mp, 对 于 不 滑 动 花 键 , 齿 侧 许 用 挤 压 应 力 为 50100Mp。 渐 开 线 花 键 应 力 的 计 算 方 法 与 矩 形 花 键 相 似 , 只 是 计 算 的 作 用 面 是 按 其 工 作 面 的 投 影进 行 。 3maxdM16 nLxma *)D(D M8 2221 传 动 轴 连 接 螺 栓 的 计 算 连 接 螺 栓 的 强 度 校 核 : 拉 应 力 : = 剪 切 应 力 : = 挤 压 应 力 : 挤 = 式 中 : n 螺 栓 数 量 d 螺 栓 小 径 , mm L 突 缘 叉 法 兰 厚 度 , mm r 突 缘 叉 螺 栓 分 布 圆 半 径 , mm P 每 个 螺 栓 承 受 的 拉 力 , N( P=Mmaxf/nr ) f 花 键 副 的 摩 擦 系 数 校 核 计 算 时 , 螺 栓 的 安 全 系 数 不 能 低 于 3。2d4 P 2dmax4 nrM dLmaxnrM 中 间 支 承 的 固 有 频 率 可 按 下 式 计 算 :式 中 fo: 为 中 间 支 承 的 固 有 频 率 ( Hz) CR : 为 中 间 支 承 橡 胶 元 件 的 径 向 刚 度 ( N/mm) M : 为 中 间 支 承 的 悬 置 质 量 ( kg) , 它 等 于 传 动 轴 落 在 中 间 支 承 上 的 一 部 分 质 量 与 中 间 支 承 轴 承 及 其 座 所 受 质 量 之 和 在 设 计 中 间 支 承 时 , 应 合 理 选 择 橡 胶 弹 性 元 件 的 径 向 刚 度 ,使 固 有 频 率 对 应 的 临 界 转 速 n=60f 0尽 可 能 低 于 传 动 轴 的 常 用 转速 范 围 , 以 免 共 振 , 保 证 良 好 的 隔 振 效 果 。 传 动 轴 共 振 有 一 阶 共 振 、 二 阶 共 振 和 三 阶 共 振 。M Cf R210 中 间 支 承 的 计 算 1阶2阶3阶 传 动 轴 的 谐 振 :单 根 传 动 轴 的 谐 振 频 率 比 较 高 , 从 激 振 试 验 的 测 试 结 果 看 ,一 阶 振 频 就 是 设 计 计 算 中 得 出 的 临 界 转 速 , 一 般 高 出 传 动 轴 工 作 转 速 1.5倍 以 上 , 二 阶 三 阶 则 更 高 , 都 不 在 工 作 转 速 范 围 内 , 所 以 分 析 单 根 传 动轴 没 有 实 际 意 义 。 两 根 传 动 轴 及 中 间 支 承 系 统 , 通 常 有 两 个 在 传 动 轴 工作 转 速 范 围 的 谐 振 频 率 , 一 阶 振 频 约 在 20至 30赫 芝 之 间 ; 二 阶 振 频 约 在40至 50赫 芝 之 间 , 需 要 采 取 一 定 技 术 措 施 , 防 止 严 重 的 振 动 和 噪 音 出 现 。至 于 三 根 传 动 轴 及 两 中 间 支 承 系 统 , 情 况 更 复 杂 。 模 态 分 析 方 法 : 1、 试 验 分 析 法 , 即 用 激 振 器 给 传 动 轴 系 统 输 入 一 亇 激 振 力 , 频 率 从 低 缓慢 增 加 , 测 出 谐 振 频 率 一 阶 、 二 阶 、 三 阶 , 然 后 将 激 振 器 固 定 在 谐 振 频率 , 多 奌 测 量 振 幅 画 出 振 型 曲 线 。 这 是 基 本 的 方 法 , 结 果 可 靠 可 信 , 但比 较 费 事 。 2、 计 祘 机 模 态 分 析 法 : 有 模 态 分 析 软 件 , 并 建 成 传 动 轴 系 统 数 学 模 型 ,合 理 确 定 边 界 约 束 条 件 , 就 可 以 进 行 实 际 系 统 的 模 态 分 析 。 它 的 优 奌 是方 便 快 捷 , 但 结 果 的 可 信 度 决 定 于 软 件 水 平 、 数 学 模 型 仿 真 程 度 、 边 界约 束 条 件 合 理 性 。 传 动 轴 模 态 分 析 系 统 的 建 立 , 应 通 过 多 次 实 验 验 证 方可 使 用 。 为 了 防 止 传 动 轴 系 统 因 工 作 在 谐 振 状 态 而 发 生 严 重 振 动 , 在 传 动 轴 系 统 设 计 中 运 用 模 态 分 析 的 结 果 , 可 以 获 得 显 著 的 效 果 。 把 传 动 轴 支 承 设 置在 振 型 的 节 奌 (即 振 幅 为 零 的 奌 ), 可 以 防 止 振 动 通 过 支 承 传 到 车 箱 驾 驶 室 。传 动 轴 系 统 的 一 阶 谐 振 往 往 是 由 支 承 频 率 决 定 的 , 降 低 支 承 的 固 有 频 率可 以 显 著 降 低 传 动 轴 系 统 一 阶 振 动 , 改 善 传 动 轴 的 工 作 性 能 。 传 动 轴 许 用 不 平 衡 量 的 计 算 例 : 某 传 动 轴 质 量 为 20kg,最 高 使 用 转 速 3000r/min, 平 衡 精 度 为 G40,求 许 用 不平 衡 量 Uper。 G eper*/1000.平 衡 精 度 (mm/s) eper Uper/M.许 用 不 平 衡 度 (g.mm/kg) 式 中 : Uper 许 用 不 平 衡 量 , g.mm M 传 动 轴 质 量 , kg 角 速 度 , rad/s式 中 : M=20kg, n=3000r/min, G=40mm/s =2n/60 2*3000/60(rad/s)1、 用 计 算 法 求 许 用 不 平 衡 量 : G e per*/1000 Uper*/1000M Uper 1000*G*M/ 1000*40*20*60/2*3000 2548g.mm 每 端 许 用 不 平 衡 量 : 2548/2 1274g.mm2、 用 查 曲 线 法 求 许 用 不 平 衡 量 :在 n=3000r/min与 G40的 交 点 上 查 得 对 应 的 eper130um 0.13mm eper Uper/M Uper eper*M 0.13*20*1000 2600g.mm 每 端 的 许 用 不 平 衡 量 : 2600/2 1300g.mm 谢 谢
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