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东北林业大学毕业设计中华人民共和国教育部东北林业大学 毕 业 设 计设计题目: 传动轴与十字轴万向节逆向设计 2006年6月12 传动轴与十字轴万向节的逆向设计摘 要本设计主要是深入学习和研究万向节与传动轴的结构、功能。因十字轴万向节是应用最为广泛的万向节，故在设计中选用合适类型的十字轴万向节和传动轴，进行实物测绘，对数据进行计算校核后，用UG NX3软件画出十字万向传动装置的三维立体图形，用CAD出图。设计通过详细的公式计算、准确的绘图、正确的参数选择，大大缩短了设计的周期，提高了工作效率，对十字万向传动装置的生产产生一定积极的作用。通过此次设计，熟练掌握了UG、CAD的使用方法，并将过去所学的知识融会贯通，了解并掌握工业设计的过程和基本方法，为将来实践中的设计打下良好基础。关键词： 十字轴万向节；传动轴；设计Propeller shaft and Cardan universal joint contrary designAbstractThis design has mainly gone deeply into studying the structure and the function of the universal joint and the propeller shaft. Because the cardan universal joint has the most extensive application in the universal joint, I have used the suitable kind of cardan universal joint and propeller shaft, and I have had the real object drawn, and after computed and examined the logarithms, I have drawn the 3D stereoscopic sketch of the cardan shaft system with the UG and NX3 softwares,and then used the CAD to have the diagram. The design had a detailed formula calculation, an accurate painting, and a right parameter choice, which shortened the period of the design consumedly, raised the work efficiency, and also made an aggressive function to the production of the cardan shaft system. Through the design, I have controlled the operation method of the UG,CAD masterly, have had the knowledge learned in the past integrated, and have understood and controlled the process and basic method of the industrial design, all of which made me lay a good foundation in the design in future.Keywords: Cardan universal joint ; Propeller shaft; Design目 录摘要Abstract1 绪论11.1 各种万向节简介11.1.1 十字轴式刚性万向节11.1.2 准等速万向节21.1.3 等速万向节21.1.4 挠性万向节31.2 传动轴32 UG简介52.1 UG的概括介绍52.1.1 UG NX系列设计环境的核心内容52.1.2 UG NX软件的应用领域52.2 UG NX的基本功能概述52.2.1 UG NX常用的菜单功能52.2.2 UG NX常用的基本绘图功能52.2.3 草图功能62.2.4 实体建模功能62.2.5 工程图功能62.3 UG NX3在十字轴万向节和传动轴设计中的应用63十字轴万向传动装置基本参数的确定与校核73.1 万向节基本尺寸参数的确定与校核73.1.1 十字轴尺寸参数的确定与校核73.1.2 万向节叉和凸缘螺栓的计算83.1.3 十字轴万向节的轴承103.2 传动轴和花键基本尺寸参数的确定与校核113.2.1 花键基本尺寸参数的确定与校核113.2.2 主要参数和主要尺寸的确定和校核114 结论13参考文献传动轴与十字轴万向节逆向设计1 绪论万向传动装置的应用十分广泛，更是汽车的重要组成部分，汽车上任何一对轴线相交且相对位置经常变化的轴线之间的动力传递，均需通过万向传动装置。一般由万向节、传动轴组成，有时还装中间传动装置。最原始的万向节是英国物理学家（Robert Hook）在 1663年制造的一个铰接传动装置，虎克把这种装置称为 “万向节”。后来法国人雷诺将万向节首先用于汽车传动，拉开了万向传动装置在汽车上应用的序幕。从此万向传动装置成为汽车上不可缺少的重要的部件。研究万向传动装置对提高汽车的性能具有十分重要的意义。1.1各种万向节简介在发动机前置后驱的汽车上，变速器与驱动桥通过万向节连接。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，也都不能直接刚性连接，而需要万向节来连接。上述万向节的各种应用如图1-1所示：图1-1 万向节在汽车上的各种应用常用的万向节大体可以分为四类：十字轴式刚性万向节、准等速万向节、等速万向节、挠性万向节1。1.1.1十字轴式刚性万向节在各种万向节中，使用最为广泛的是十字轴式刚性万向节，又称为叉式万向节。十字轴式刚性万向节结构简单、强度高、耐久性好，生产性高，生产成本较低，且传动可靠，效率较高，目前允许两传动轴之间的交角一般为15- 20，在连接角较小时大都使用这种万向节。因其成本较低，且传动可靠，普遍应用于各类汽车的传动系中。其缺点是不等速，并且当连接角较大时，转速的波动很大，从而引起传动系统的振动和噪声，特别是在四轮驱动汽车中，由于驱动轮系的增加，万向节使用的数量比较大，问题尤其突出。结构如图1-2 所示1： 图1-2 十字轴式刚性万向节1.1.2 准等速万向节（1）双联式万向节双联式万向节是由两个十字轴式万向节组合而成。双联式万向节的主要优点是允许两轴间的夹角较大，轴承密封性好，效率高，工作可靠，制造方便。缺点是结构较复杂，外形尺寸较大，零件数目较多。当应用于转向驱动桥时，由于双联式万向节轴向尺寸较大，为使主销轴线的延长线与地面交点到轮胎的接地印迹中心偏离不大，就必须用较大的主销内倾角1。（2）凸块式万向节凸块式万向节，就运动副来看也是一种双联式万向节。它主要由两个万向节叉以及两个特殊形状的凸块组成。可以保证输入轴与输出轴近似等速。它工作可靠，加工简单，允许的万向节夹角较大。但是由于工作面全为滑动摩擦，所以效率低，摩擦表面易磨损，且对密封和润滑要求较高。它主要用于中型上越野车的转向驱动桥1。 （3）三销轴式万向节三销轴式万向节是由双联式万向节演变而来。它主要由两个偏心轴叉、两个三销轴和六个滚针轴承组成。三销轴式万向节允许所连接的两轴最大夹角45，易于密封。但其外形尺寸较大，零件形状较复杂，毛坯需要精确模锻。主动轴一侧需装轴向推力轴承。这种结构目前用于个别中、重型越野车的转向驱动桥1。 1.1.3 等速万向节（1）球叉式万向节球叉式万向节按其钢球滚道形状不同可分为圆弧槽和直槽两种形式。圆弧槽型球叉式万向节主要应用于轻、中型越野车的转向驱动桥中。直槽型球叉式万向节主要应用于断开式驱动桥中，当半轴摆动时，用它可补偿半轴的长度变化而省去滑动花键。球叉式万向节的缺点是只有在传力钢球与滚道之间具有一定的预紧力时，才能保证同步传动的特性，使用过程中，随着磨损的增加，预紧力逐渐减小。一旦预紧力消失，两轴叉之间便发生轴向窜动，传动的同步特性即遭破坏。 （2）球笼式万向节球笼式等速万向节（亦称球笼式万向联轴器），是一类容许两相交轴间有较大角位移的联轴器，它是目前应用最为广泛的等速万向节。球笼式等速万向节主要由钟形壳、星形套、钢球和保持架（亦称球笼）构成。固定端具有同步等速性。这种等速万向节无论转动方向如何，六个钢球全都传递转矩，它可在两轴之间的夹角达35-37的情况下工作。球笼式万向节与十字轴式刚性万向节相比，具有单节瞬时同步、两轴间角位移大、效率高、安装拆卸方便、能承受重载及冲击载荷等突出优点。但是，球笼式等速万向节因其加工制造精度高、难度大，国产球笼式等速万向节由于回转方向间隙原因会产生很大的噪音和振动，当球笼式等速万向节回转方向间隙过大，内部零件之间发生干涉时，等速万向节会产生冲击、噪音。此外，它还会受到其他驱动系的影响产生振动，所以，对大幅度减少回转方向间隙的要求比较强烈。（3）三枢轴式万向节三枢轴式等速万向节是一种新型的万向节，有轴间角时同样具有等速性。它是一种能够轴向伸缩的联轴节。当三枢轴式等速万向节形成活动角传递动力时，基于内部零件的相对滑动，产生了摩擦力，其轴向分力（也即诱发轴向力）变成了起振力，使车身产生振动。减少振动的最佳方案是减少等速万向节内部摩擦，主要有两条途径：一是改善润滑方式，二是减少滑动，增设滚动零件之类的措施进行结构的改进。三枢轴式等速万向节具有结构简单、体积小、润滑好、散热快、承载能力大和工作可靠等优点在国内外被广泛地应用于汽车前后驱动轴上，特别在采用轻量化设计以及在布置上比较困难的中小排量轿车上应用的更多1。 1.1.4挠性万向节挠性万向节依靠其中弹性元件的弹性变形来保证在相交两轴间传动时不发生干涉。挠性万向节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。它常在轿车三万向节传动中，被用来作为靠近变速器的第一万向节，或在重型汽车中用于发动机与变速器之消除制造安装误差和车架变形对传动的影响1。综上所述，常用万向节类型如下：图1-3 万向节的分类1.2传动轴常见的轻、中型货车中，连接变速器与驱动桥的传动轴部件由传动轴及其两端焊接的花键轴和万向节差组成。汽车行驶过程中，变速器与驱动桥的相对位置经常变化，为避免运动干涉传功轴中设有由滑动叉和花键轴组成的滑动花键连接，以实现传动轴长度的变化。为减少磨损还装有用以加注滑脂的油嘴、油封、堵盖和防尘套。传动轴在高速旋转时，由于离心力作用将产生剧烈震动，因此传动轴与万向节装配后，必须满足动平衡要求。需加平衡片。传动轴过长时，自振频率降低，易产生共振，故将其分成两段并加中间支承，传动轴 的前段称中间传动轴，后段称主传动轴。为了得到较高的强度和刚度，传动轴多做成空心的，一般用厚度为1.53.0mm的薄钢板卷焊而成。超重型货车的传动铀则直接采用无缝钢管。在转向驱动桥、断开式驱动桥或微型汽车的万向传动装置中，通常将传动轴制成实心轴。为减小传动轴中间花键连接的周向滑动阻力和磨损，可对花键进行磷化处理或喷涂尼龙层或在花键槽内设置滚动元件。有些轿车的断开式后驱动桥中，采用了半轴滚动花键连接以减少摩擦损失，提高传动效率，但这种花键结构复杂，成本高。传动轴分段时须加中间支承。通常中间支承安装在车架横梁上，应能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等变形所引起的位移。中间支撑有蜂窝软垫式中支撑、双列圆锥滚子轴承式中间支撑、摆动式中间支撑几种1。2 UG简介UG为Unigraphics的缩写，它是美国Unigraphics Solutions of EDS公司推出的CAD/CAM/CAE一体化软件。该软件自1990年进入中国市场以来，以其先进的理论基础、强大的工程背景、完善的功能和专业化的技术服务，成为当今应用最为广泛的大型CAD/CAM/CAM软件，涵盖设计、分析、加工、产品数据和过程管理等各种功能，为制造行业产品开发的全过程提供了良好的解决方案。已在中国的航空、航天、汽车、模具和家电领域得到了广泛的应用 2 。因本次设计应用的是UG NX3版本，因此主要介绍一下UG NX系列。2.1 UG的概括介绍2.1.1 UG NX系列设计环境的核心内容（1）一个基于行业标准的核心平台，用来推进知识应用系统。（2）一个全新的用户交互方式，用来支持那些具备很高的生产力、面向过程的工作流。（3）UG NX应用模块为相关集成技术提供了新层次的互操作能力。（4）一个行业标准基础，包括用于实时设计协同的标准和协议、用于可视化和互操作的协议、用于网络寻址的知识服务以及其他行业Web服务的标准和协议。2.1.2 UG NX软件的应用领域（1）数字化产品的设计（2）数字化仿真（3）数字化产品制造2.2 UG NX的基本功能概述2.2.1 UG NX常用的菜单功能（1）文件功能菜单：UG的文件功能主要包括文件导入导出功能、选项功能、执行功能等特殊的功能。（2）编辑功能菜单：主要包括对象隐藏、编辑对象显示、对象变换等特殊功能。（3）视图功能菜单：主要包括视图布局功能和视图操作。（4）格式功能菜单：包括层的设置、在视图中可见、层的类别、移至层和复制层、WCS（工作坐标系）操作。（5）信息功能菜单：包括对象信息、样条曲线信息、特征信息及其他常用对象信息。（6）工具功能菜单：包括表达式功能、自定义功能。（7）预设计功能：对象设置命令、可视化设置命令、选择置命令、工作平面命令草图设置命令等。2.2.2 UG NX常用的基本绘图功能（1）基本曲线：包括点、直线、圆弧、圆形、倒圆角、曲线倒角、矩形、正多边形等基本曲线。（2）创建复杂曲线：包括椭圆、样条曲线、一般二次曲线、规律曲线、螺旋线、抛物线和双曲线。（3）编辑曲线功能：编辑曲线功能包括编辑曲线参数、裁剪曲线、裁剪角、分割曲线、编辑圆角编辑弧长、曲线拉伸等功能。（4）曲线操作功能：包括偏置、桥接、简化、合并、投影、组合投影、相交曲线、截面曲线等功能。2.2.3草图功能草图对象是与实体模型相关联的一种二维图形。该功能可以在需要的任何一个平面内建立草图平面，再创建相关的草图对象。草图曲线比曲线功能增加了“约束”的功能，通过修改约束就可以改变草图的图形。应用草图工具，用户可以绘制近似的曲线轮廓，再添加精确的约束定义后就可以完整的表达设计意图。已建立的草图还可以用实体造型工具进行拉伸、旋转等操作，生成与草图相关联的实体模型。修改草图时，关联的实体模型也会自动更新。用户在应用草图功能前首先要创建草图平面，并在上面创建所需的草图对象。这些草图对象可以先通过草图功能进行绘制，并利用草图约束进行约束操作来得到所需的截面图形，还可以利用添加和投影功能，通过已有的对象在草图平面创建草图对象。2.2.4实体建模功能（1）构建基准特征：包括基准面、基准轴和基本坐标系的创建。（2）基本体素特征：主要包括长方体、圆柱体、圆锥体、球体。（3）加工特征：包括孔、圆台、腔体、凸垫、键槽、沟槽、螺纹等。（4）扫描特征：拉伸、回转、沿导线扫描、管道等。（5）特征详细设计：包括拔模、边导圆、面导圆、软导圆、倒角、抽壳、偏置面、比例、引用、实体的修整、实体的分割等。（6）特征编辑：包括编辑特征参数、编辑定位尺寸、移动特征、特征重排序等。2.2.5工程图功能（1）图纸操作功能：包括工程图的建立、打开存在的工程图、删除工程图、编辑工程图等。（2）视图操作功能：有添加基本试图、添加投影视图和局部试图、对齐试图、移动或复制视图、定义视图边界、视图相关编辑、显示与更新试图功能。（3）剖视图：包括一般剖视图、半剖视图、旋转剖视图、局部剖视图等其他剖视图，还可以对剖视图进行编辑。（4）工程图标注功能：包括尺寸功能、实用符号标注、形位公差标住、文本注释标注、粗糙度符号标注、用户定义符号标注。（5）编辑制图对象：移动制图对象、编辑指引线、编辑制图对象的相关性。2.2.5装配功能包括装配暴炸图、组件阵列、克隆装配、装配工程图等。 2.3 UG NX3在十字轴万向节和传动轴设计中的应用因UG有着别的CAM软件无法比拟的强大功能，本次设计运用UG NX3绘制零件图。制图过程中几乎运用了2.2中所述的UG全部基本功能，从而将零件绘制得直观准确。最后将所有图层的零件图全部设为可见，便得到装配精确的装配图。3 十字轴万向传动装置基本参数的确定与校核3.1万向节基本尺寸参数的确定与校核3.1.1十字轴尺寸参数的确定与校核图3-1 万向节十字轴（1）轴颈的弯曲应力： （3-1）式中：D 十字轴轴径，取25mm ； 十字轴油孔直径，取8mm；T 平均作用力作用点到校核应力的距离，取15mm；P 作用在十字轴轴径上的力， （3-2）其中：r 十字轴轴径的中点到十字轴中心的距离，取39mm； （3-3） 其中： 发动机最大扭矩，为38000kgfmm； 变速器头档速比，为7.7；N 驱动桥数,为1。将所有相关数据和所选参数代入式（3-3）中得=292600kgfmm，代入式（3-2）中得p=3751.28kgf，最后代入式（3-1）中得=37.09kgf/45kgf/mm2，所以，十字轴轴颈弯曲应力合格 3 。（2）十字轴轴颈的平均单位压力： （3-4）式中： 为平均计算扭矩， （3-5）式中： 取0.65； 动载荷系数，取1.25； 寿命系数，取1； 角度系数，取1。将数据上述代入式（3-5）得=30875kgfmm，代入式（3-4）得P=0.79 kgf/ mm245 kgf/mm所以万向节结构强度合格 3 。图3-3 万向节叉校核分析图（2）螺纹直径的选择： （3-12） 式中： 取40 kgf/mm ； P 一个螺栓承受的力,P= （3-13）式中：D 螺栓分布直径，为99.43mm；n 螺栓数 ,为4； m 工作不均匀系数，取0.75。3.1.3十字轴万向节的轴承（1）轴承的许用压力： （3-14）式中：Z 滚针个数，取45；L 滚针工作长度，取20mm； 临界转速，= （3-15）其中： 变速器头档速比，取7.7； 发动机最大扭矩时的转速，为1300r/min； 传动轴最大工作角度，取； （3-16）式中：a 周向间隙，取0.4mm；k 系数，。将上述数据带入式（3-16），得=45.24r/min，代入式（3-15），得=1.86mm，代入式（3-14），得=37114.33kgf/ mm2 3。 （2）作用在滚针轴承上的最大压力： =3751.28kgf/ mm2 （3-17），所以合格3。（3）滚针与十字轴轴颈接触处的接触应力计算 （3-18）式中：Q 每个滚针承受的负荷，Q= （3-19）将数据带入式（3-19），式（3-18）得：=286.53kgf/1400r/min，所以，轴管临界转速校核合格3。（2）对所选轴管进行扭转强度计算： （3-23）将参数带入公式（3-23），得=10.78 kgf/ 12.5 kgf/，所选轴管扭转强度校核合格3。4结论万向传动装置是汽车上不可缺少的部件，因此设计汽车万向传动装置具有十分重要的意义。设计的主要工作是选择万向传动装置的各基本参数，进行校核后，运用软件UG NX3绘制三维实体模型，用CAD出图。经过此次设计，对万向传动装置有了进一步的了解，基本掌握了工程设计的步骤。但因万向传动装置结构简单，现在对万向传动装置研究的不是很多。因此，应加大对它的研究，以增强汽车的功能。14参考文献1 陈家瑞主编.汽车构造.北京：人民交通出版社，2000831002 黄贵东，韦志林，范健东编著.UG范例教程.北京：清华大学出版社，200213003 羊拯民主编.传动轴和万向节.北京：人民交通出版社，198647884 余志生主编.汽车理论.北京：机械工业出版社，2001201575 王望予主编.汽车设计.北京：机械工业出版社，20001782096（德）Graf von H.-C.Seherr-Thoss等著.万向节和传动轴.伍德荣等译.北京：北京理工大学出版社，199745967 吴宗泽主编.机械设计实用手册.北京：化学工业出版社,200368898 钟毅芳，吴昌林，唐增宝主编.机械设计.武汉：华中科技大学出版社，20012692989 过学迅，邓亚东主编.汽车设计.北京：人民交通出版社，200516120910（日）汽车工程全书编辑委员会编.汽车的传动装置.韩恩泽译.北京：机械工业出版社，1993369911 何铭新，钱可强主编.机械制图.北京：高等教育出版社，1997140012 汤晓华，邢立平，马丽心主编.工程材料.哈尔滨：东北林业大学出版社，2001115313 曲宝章，黄华烨主编.机械加工工艺基础.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002114614 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