轻型商用车传动轴及万向节设计(共38页)

精选优质文档-倾情为你奉上本科学生毕业设计轻型商用车传动轴及万向节设计 系部名称： 汽车工程系 专业班级： 车辆工程 B05-18班 学生姓名： 田 宇 指导教师： 苏清源 职 称： 副教授 二九年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of Light Commercial Vehicle Transmission Shaft and Cardan Joint Candidate：Tian YuSpecialty ：Vehicle EngineeringClass：B05-18Supervisor：Associate Prof. Su QingyuanHeilongjiang Institute of Technology2009-06Harbin专心-专注-专业摘要汽车的万向传动轴是由传动轴、万向节两个主要部件联接而成，在长轴距的车辆中还要加装中间支承。万向传动轴主要用于工作过程中相对位置不断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。在本世纪初万向节与传动轴的发明与使用，在汽车工业的发展中起到了极其重要的作用。随着汽车工业的发展，现代汽车对万向节与传动轴的效率、强度、耐久性和噪声等性能方面的设计及计算校核要求也越来越严格。本毕业设计将依据现有生产企业在生产车型(CA1041)的万向传动装置作为设计原型。在给定整车主要技术参数以及发动机、变速器等主要总成安装位置确定的条件下，对整车结构进行了分析，确定了传动轴布置方案，采用两轴三万向节带中间支承的布置形式。在确定了传动方案后，对传动轴、万向节总成、中间支承总成进行设计，使该总成能够在正常使用的情况及规定的使用寿命内不发生失效。 关键字：传动轴；万向节；中间支承；设计；校核ABSTRACT The universal drive shaft of automotive is composed of transmission shaft and cardin joint. The main function of the universal drive shaft is to transmitting torque and rotation movement between two shafts whose relative position is variation in the working process. At the beginning of this century the transmission shaft and cardin joint play an important role in the development of automobile industry. As the development of automobile industry, the automobile demand that the design and verification of transmission shaft and cardin join stricter in the efficiency, intension, durability and noise performance. This graduation design chooses existing production business enterprise of basis is producing the car type(CA1041) of ten thousand to spread to move to equip the conduct and actions design prototype. Under the conditions of the main technical parameters of the given vehicle, installation location of engine, transmission and other major assembly are determined , the structure of the vehicle is analysised, the transmission shaft layout program is determined. Two shaft-three cardin joints is adapted. After determining the transmission options, the right drive shaft and universal joint assembly, intermediate bearing assembly is designed, so that the assembly can be used in normal situations and the life within no failure. Keywords：Transmission shaft；Cardin joint；Middle supporting；Design ；Verification目录第1章 绪论1.1 选题的目的和意义 随着汽车工业的迅猛发展，车型的多样化、个性化已经成为发展趋势，对汽车节能、舒适与轻量化的要求越来越高。而传动轴及万向节的设计装配不良将产生振动和噪声，增添未能估算在内的符加动载荷，还可能导致传动系不能正常运转和早期破坏，万向传动轴是汽车传动系的重要组成部件之一1。传动轴选用与设计的合理与否直接影响传动系的传动性能。选用、设计不当会给传动系增添不必要的和设计未能估算在内的附加负荷，可能导致传动系不能正常运转，因此该总成设计是汽车设计中重要的环节之一。1.2 国内外研究现状、发展趋势传动轴普遍采用具有较高的强度的薄钢板卷焊而成的空心轴，超重型货车的传动轴则直接采用无缝钢管制成。近年来由于对汽车低能耗，低成本的要求越来越高，汽车必须轻量化，汽车变得更易产生振动和噪声。因此对传动系重要组成部分万向节振动特性必须进行分析2。目前国内外都将以NVH(噪音，振动，啸声)为设计目标，为了满足这类要求，汽车制造厂对该总成的设计要求越来越严格。随着Matlabl软件的开发，国内对传动轴的设计己从传统设计向模糊可靠性设计发展。基本方法是把传统设计公式中的参量看作随机变量，进行概率计算，从中找出规律，得出合理的校核强度和截面参数。汽车和工程机械用传动轴在高速转动时要产生弯曲振动。因此导致共振现象使传动轴断裂.尤其是高速轴。为避免共振产生应进行振动计算。确定其临界转速.常规优化设计是为了使传动轴在工作时不出现共振现象.使传动轴的临界转速尽量避开其实际最高转速。因载荷的随机性及切削加下时下件表而凹凸不平及材料软硬不均。临界转速具有离散性。它不是一个点，而是一个区域。而模糊可靠性设计理论应用于具有振动的传动轴的优化设计中，提出传动轴的模糊可靠性优化设计方法，建立了在满足给定模糊可靠要求设计条件下优化设计数学模型。传动轴模糊可靠性优化设计在设计中，既考虑设计参数的随机性和模糊性，又能进行多参数设计，使设计方案最优，且在设计后能预测新产品的可靠度3。这是可靠性和最优化设计的有机结合。万向节是实现万向传动的关键，万向节性能的优劣直接影响到整车的行驶性能、动力性、舒适性。从19世纪初虎克式万向节在汽车上应用以来，经过100多年的发展己经有十几种形式。可分为铡性万向节和挠性万向节。刚性万向节又可分为不等速万向节、准等速万向节和等速万向节。等速万向节因其加工制造精度高、难度大，需成套引进国外专用加工生产设备，且投资费用大、价格高，已成为实现国产化的关键问题之一。由于等速万向节传动轴应是用橡胶护套来密封的，橡胶护套的寿命从很大程度上决定了传动轴总成的使用寿命，因此橡胶护套设计和考核试验也成了等速万向节设计的重要环节之一。由于近年来Pro/E、CATIA、Matlab等软件的开发与应用，国内的企业、科研单位也致力于基于CATIA、Matlab等的模糊、仿真设计，从而大大提高了我国对万向节的设计、制造水平。综合以上国内外文献和相关书籍可以看出：随着计算机的发展、各种计算机辅助软件的设计开发，如:Pro/E、CAD、CATIA等以及有限元分析等设计理论的发展，必然会给万向节的设计、研发带来日新月异的进展，万向节及传动轴的设计己逐步实现自动化，集成化，智能化。1.3 研究内容及方法1.3.1 传动轴方案的选择及主要参数的确定在汽车行驶过程中，由于发动机的振动及不平路面的冲击等因素引起弹性悬架系统的振动，使变速器的输出轴和驱动桥的输入轴相对位置经常变化，故两根轴不能刚性地连接，而必须采用一般由两个十字轴万向节和传动轴组成的万向传动装置。在变速器与驱动桥之间距离较远的情况下，应将传动轴分成两段，并用三个十字轴式万向节连接起来，且在中间传动轴后端加装中间支承。根据给定的发动机功率、变速器最大传动动比、主速器传动动比计算出最大剪应力和弯曲应力，选取钢材的材料并查得其屈服极限，传动轴临界转速的校核。1.3.2 万向节类型的选择对万向节类型及其结构进行分析，并结合（CA1041）技术要求选择合适的万向节类型。考虑到本毕业设计所针对的车型为中轻型货车，对其万向传动轴的设计应满足：制造加工容易、成本低，工作可靠承载能力强，使用寿命长，结构简单，调整维修方便等要求，本设计选用十字轴式万向节，带中间支承的两段式传动轴。1.3.3 十字轴式万向节的结构分析十字轴式万向节的基本构造，一般由一个十字轴、两个万向节叉、和滚针轴承等组成。两个万向节叉上的孔分别松套在十字轴的两对轴颈上。为了减少磨擦损失，提高效率，在十字轴的轴颈处加装有由滚针和套筒组成的滚针轴承。然后，将套筒固定在万向节叉上，以防止轴承在离心力作用下从万向节叉内脱出。这样，当主动轴转动时，从动轴既可随之转动，又可绕十字轴中心在任意方向摆动。目前，最常见的滚针轴承轴向定位方式有盖板式、卡环式、瓦盖固定式和塑料环定位式等4。1.3.4 万向节总成主要参数的确定与校核1、十字轴十字轴万向节的损坏形式主要是十字轴轴颈和滚针轴承的磨损，十字轴轴颈的滚针轴承帽工作表面出现压痕和剥落。一般情况下，当磨损或压痕超过0.15mm时便应报废。十字轴主要失效形式是轴颈根部断裂，所以设计时应保证该处有足够的抗弯强度。2、十字轴滚针轴承滚针轴承的结构分析：汽车万向节用滚针轴承的结构型式较多，但就滚针来说、主要有三种型式：锥头滚针、平头滚针及圆头滚针。为了防止在运输及安装过程中掉针，国内的协作配套厂家大多都采用锥头滚针5。这种结构的轴承除滚针端头为圆锥形外，还多了一个挡针圈并且在外圈滚道与底道之间加工出基底凹槽，滚针圆锥头靠挡针圈及外圈基底凹槽挡住，从而避免了径向掉针。3、联接螺栓 在发动机前置后驱动的汽车中，连接变速器与驱动桥之间的传动轴是靠万向节叉与驱动桥或变速器的法兰盘组成的联轴器来传递转矩的，由于螺栓联接工作时即承受剪切力又承受轴向力，所以需校核抗拉强度，抗剪强度和抗挤压强度。4、万向节叉万向节叉与十字轴组成连接支承，在力F作用下产生支承反力，在与十字轴轴孔中心线成截面处，万向节叉承受弯曲和扭转载荷，应对其弯曲应力和扭应力进行校核。1.3.5 中间支承的设计与校核在长轴距汽车上，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。在乘用车中，有时为了提高传动系的弯曲刚度，改善传动系弯曲振动看特性，减小噪声，也将传动轴分成两段。当传动轴分段时，需加设中间支承。在设计中间支承时，应合理选择橡胶弹性元件的径向刚度，固有频率对应的临界转速 r/min尽可能低于传动轴的常用转速范围，以免共振，保证隔振效果好。许用临界转速为10002000r/min，对于乘用车，取下限。当中间支承的固有频率依此数据确定时，由于传动轴不平衡引起的共振转速10002000r/mim，而由于万向节上的附加弯矩引起的共振转速为5001000r/min，这样就避免了中间支承与传动轴的谐振6。第2章 传动轴总成的设计2.1 万向传动轴总体概述万向传动轴是汽车传动系的重要组成部件之一。传动轴选用与设计的合理与否直接影响传动系的传动性能。选用、设计不当会给传动系增添不必要的和设计未能估算在内的附加负荷，可能导致传动系不能正常运转.。 传动轴是将发动机输出的转知经分动器传递给前驱和后驱的传动机构，转速达30007000r/min,振动是传动轴总成设计需考虑的首要问题。尽管采取涂层技术来减小滑移阻力，但产生的滑移阻力仍为等速万向节的1040倍，而滑移阻力将产生振动。为选型设计提供依据，传动轴分为CJ+CJ型、BJ+BJ型（靠花键产生滑移)BJ+DOJ型、BJ+TJ型、BJ+LJ型5种类型。2.2 传动布置型式的选择万向节传动轴是汽车传动系的重要组成部件之一。传动轴选用与设计布置的合理与否直接影响传动系的传动性能。选用与布置不当会给传动系增添不必要的和设计未能估算在内的附加动负荷，可能导致传动系不能正常运转和早期损坏。车辆的万向节传动，主要应用于非同心轴间和工作中相对位置不断改变的两轴之间的动力传递。装在变速器输出轴与前后驱动桥之间。变速器的动力输出轴和驱动桥的动力输入轴不在一个平面内。有的装载机在车桥与车架间装有稳定油缸、铰接式装载机在转向时均会使变速箱与驱动桥之间的相对位置和它们的输出、输出入轴之间的夹角不断发生变化。这时常采用一根或多根传动轴、两个或多个十字轴万向节的传动7。图2.1为用于汽车变速箱与驱动桥之间的不同万向传动方案。 （a）单轴双万向节式 （b）两轴三万向节式 图2.1 汽车的万向传动方案7如图a为常用的单轴双万向节传动，如图b为连接距离较长且不宜于采用单轴双万向节传动的连接。由于参考车型轴距为2.85米，故选取如图b的传动方案。2.3 传动轴断面尺寸的确定与强度校核2.3.1 传动轴的运动分析传动轴的长度和夹角及它们变化范围，由汽车总布置设计决定。设计时应保证在传动轴长度处在最大值时，套管叉与花键轴有中够的配合长度；而在长度处于最小时，两者不顶死。传动轴夹角的大小影响万向节十字轴和滚针轴承的寿命、万向传动效率和十字轴旋转的不均匀性。当传动轴长度确定后，其断面尺寸必须保证有足够的强度，并能承受相当的转速。其许用的传动轴转速，不应超过临界转速。所谓临界转速，即当某个长度为L的传动轴，在两支点中旋转时，如图2.2所示，由于轴自身的重力作用，使传动轴中心（即质量中心）相对轴线有一偏移量（初挠度）a，如果再考虑到轴与孔的间隙，传动轴质量的不均匀，则a将再增大。当此轴旋转时，在质量中心必有离心力的作用，这个别离心力又将引起传动轴的进一步弯曲，产生附加挠度y。由于重力的大小和方向是不变的，而离心力的大小与方向是改变的，故使传动轴的弯曲力（垂直力与离心力的向量和）也周期性的变化着，从而传动轴的挠度也随时在变化。即传动轴的旋转，将伴随有弯曲振动，它的频率即等于传动轴的转速。当传动轴的转速接近于它的弯曲自然振动频率时，即出现共振现象，振幅（挠度）急剧增加，致使传动轴折断，这一转速即称为传动轴的临界转速。图2.2 万向节传动轴的弯曲振动传动轴的临界转速与轴的直径、长度和支承点数目有关。设传动轴转速为。作用在传动轴上的离心力则为： （2.1）式中:m传动轴的质量这时离心力被与长度成正比的材料弹性力p所平衡，由材料力学得知： （2.2）式中：E传动轴材料的抗拉弹性模数，N/mm2；L支承长度，取两万向节的中心距离（m）；I轴剖面对其对称轴线（直径）的转动惯量（m4）；系数c与受载情况、支承型式有关，当载荷在两端自由支承的梁上沿长度平均分布时，而在同样受载情况下，对两端固定支架支承的梁；P材料弹性力由平衡条件得： （2.3）解得： （2.4）式中：a初挠度；Y附加挠度；传动轴角速度当时，轴的挠度y趋于无穷大，即若轴以与此相应的角速度旋转时必将折断。这时： （2.5）对于直径为D的实心轴，由力学得知 ， （2.6） 式中：传动轴材料单位体积重量由此，对于两端自由支承（开式传动轴），且载荷沿轴长平均分布的轴，其临界转速为： r/min （2.7）对于两端有固定支承的轴（轴封闭于传动轴套管中的闭式传动轴），则： r/min （2.8） 对于大量采用的空心轴，若其剖面外径D，内径为d，则：于是两端自由支承的轴：r/min （2.9）对两端固定支承的轴，则：r/min （2.10）以上各式中D、d、L均用同样的长度单位（厘米）。对于绝大多数开式传动轴，可按两端自由支承的轴来计算，工作长度L可取两万向节中心间距离。如为闭式传动轴，可按两端固定支承的轴承计算，工作长度L可取两轴承中心间距离。从上面公式可以看出：当传动轴外径相同时，空心轴的临界转速比实心的要高。这就是为什么传动轴广泛采用空心轴的原因之一。同时还可看出当L增加，下降，为了提高可缩短传动轴长度，增大轴管内外径。所以当mm时，常采用中间支承。当传动轴外径相同时，空心轴的临界转速比实心的要高。为了提高在制造方面采取的主要措施是；用质量分面比较均匀的焊接钢管代替无缝钢管；作轴管的钢板厚度一般取1.852.50mm；对每根传动轴总成应进行动平衡检验，保证不平衡度在规定范围以内，如果不合格应进行校正（贴焊平衡块）并使偏心振摆也在公差以内。在确定传动轴截面尺寸时，一定要使传动轴的实际最大转速小于其临界转速。其安全系数k应在以下范围内。 （2.11）式中：为对应于车辆最大行驶速度时，传动轴的转速如果传动轴的动平衡很好，而且花键连接制造精度很高，此时临界转速的安全系数，可取较小值。当传动轴质量不平衡或花键连接处磨损出间隙后，传动轴就能在低于临界转速下发生破坏。表2.1为某载重汽车的实验数据，表示传动轴破坏转速8。传动轴总成应进行动平衡试验，其不平衡度为：对轿车及轻型客、货车，30006000r/min时不大于12Nmm；对5t以上的货车，在10004000r/min时不大于10Nmm。十字轴端面磨损会使其轴向间隙及窜动增大而影响动平衡，因此应严格控制该间隙或采用弹性盖板，有的可加装端面滚针轴承，传动轴总成的径向全跳动动应不大0.50.8mm。由公式2.10可以确定传动轴总成的最大可能长度，如果它小于汽车总布置所要求的传动轴尺寸，则需在变速器和后驱动桥之间安置两根万向传动轴，且在它们的联接处（在前传动轴后端）需设置固定在车架车身上的中间支承。在某些轿车上，为了缩短传动轴的长度而采用加长的变速器。表2.1 某载重汽车传动轴的破坏转速与行驶里程的关系8行驶里程（km）017000在重心平面上的振摆（mm）1.151.582.75破坏转速与临界转速之比（）0.920.860.692.3.2 传动轴断面尺寸的计算与校核 本设计传动方式为开式、两轴三万向节带中间支承形式。解放牌CA1041K26L载货汽车主要技参数见附录。由安全系数，得计算临界转，取k=1.5，转速为对应于车辆最大行驶速度时，传动轴的转速。 式中：发动机最大功率时的转速r/min；变速器最高档传动比；则：r/min。将 r/min代入得：r/min取r/min选取主传动轴进行计算：电焊管参数应按冶金部标准YB242-63选取。表2.2给出外径D=6095mm的标准参数值。表2.2 6095mm电焊钢管YB242-63 （mm）外径钢 管 厚 度601.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.563.51.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5701.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5751.4、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、4.5831.4、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、4.5891.4、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、4.8951.4、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 由于传动轴为开式，两端自由支承所以临界转速按公式2.9计算。设主传动轴外径为，内径为，传动轴管厚度为B。初选传动轴管外径mm，厚度mm，则mm将r/min，主传动轴长度mm，mm，mm代入2.9得：r/min经计算主传动轴符合临界转速设计要求。在按临界转速初选轴管断面尺寸以后，还需要进行扭转强度验算，由于传动轴夹角引起的附加扭矩和弯矩很小，所以为了计算简单，将不考虑由于夹角而引起的附加扭矩和弯矩，只按纯扭矩计算其扭转应力。传动轴的最大扭转应力(MPa)可按下式计算： （2.12）式中：传动轴的计算扭矩，Nmm；W抗扭断面模量，对空心轴将W代入上式，则传动轴扭转强度应满足以下要求： （2.13）式中：许用扭转应力，MPa传动轴计算扭计算公式如下: （2.14）式中：发动机最大转矩(Nmm)，Nmm；N计算驱动桥数，CA1041为后桥驱动车辆，所以取；变速器一挡传动比，CA1041装配的变速器一挡传动比；发动机到万向传动轴之间的传动效率，取；猛接离合器所产生的动载系数，液力自动变速器，具有手动操纵的机械变速器的高性能赛车，性能系数 的汽车：，的汽车：或由经验选定。性能系数计算由下式计算： 当时 当时式中：汽车满载质量（若有挂车，则要加上挂车质量），kg；由CA1041技术参数查得：Kg，Nm。代入得：，取。将Nmm、代入公式2.14得：Nmm将传动轴计算扭矩Nmm，传动轴管外径Nmm，内径Nmm代入公式2.13得：MPa 经计算主传动轴轴管符合设计要求，能保证在各种工况下有效的传递转矩。 由于中间传动轴比主传动轴短，所以主传动轴轴管的外径和管壁厚度同样适用于中间传动轴。2.4 主传动轴滑动花键的设计汽车行驶过程中，变速器与驱动桥的相对位置经常变化。为避免运动干涉，传动轴中设有由滑动叉和矩形或渐开线花键轴组成的滑动花键来以实现传动轴长度的变化。滑动花键有矩形花键和渐开线花键两种形式。本设计选矩形花键，其主要参数可按照机械设计手册选取9。下表2.3给出了部分轻系列花键的基本尺寸：初选花键断面基本尺寸NdDB 为846509。矩形花键主要有下图2.3所示四种形式：由于汽车上所用的花键要求可以沿轴向滑动，所以选A型花键。表2.4给出了部分矩形内花键长度：根据表2.4所给出的长度，初选花键长度mm，花键轴孔长度mm。在选定花键尺寸后，还应对作用在花键轴上的扭转应力(MPa)和作用在齿侧的挤压应力(MPa)进行校核。表2.3 矩形花键基本尺寸系列（摘自GB/T 1144-2001） （mm）小径d轻系列规格NdDB轻系列r轻系列c286232660.20.1328323660.30.2368364070.30.2428424680.30.2468465090.30.25285258100.40.3注：表中 N-键齿数；D-花键大径；B-键宽；r-倒角；c-倒角表2.4 矩形内花键长度很系列(摘自GB/T 10081-1988) （mm）花键小径d3652花键长度或22120孔的最大长度L200花键长度或系列10,12,15,18,22,25,28,30,32,36,38,42,45,48,50,56,60,63,71,75,80,85,90,95,100,110,120,130,140,160,180,200对于传动轴上的花键轴，通常以底径计算扭转应力(MPa)，的计算公式如下： （2.15）式中：T传动轴的计算转矩（Nmm）；d花键轴的花键内径（mm）；许用应力，按安全系数确定，取，则：MPa；将N.mm、mm代入公式2.15得：MPa 经校核主传动轴花键的齿根扭转应力符合设计要求。传动轴花键的齿侧挤压应力MPa计算公式如下： （2.16） 图2.3 矩形花键的主要形式 式中：T传动轴的计算转矩（Nmm）；花键转矩分布不均匀系数，取；、分别为花键外径和内径（mm）；花键的有效工作长度（mm）；N花键齿数；许用挤压应力(MPa)当花键的齿而硬度大于35HRC时，滑动花键MPa。将N.mm、mm、mm、mm、代入公式（2.16）得：MPa 经校核主传动轴花键齿侧挤压应力符合设计要求。当传递转矩的花键伸缩时，产生的轴向阻力为： （2.17）式中：传动轴所传递的转矩，Nmm；r滑动花键齿侧工作表面的中径，mm；f摩因数，取代入公式2.17得：N为了减小滑动花键的轴向滑动阻力和磨损，有时对花键齿进行磷化处理或喷涂尼龙层，有的则在花键槽中放入滚针、滚柱或滚珠等滚动元件，以滚动摩擦代替滑动摩擦，从而提高传动效率。但这种结构较复杂，成本较高。有时对于有严重冲击载荷的传动，还采用具有弹性的传动轴。传动轴上的花键应有润滑及防尘措施，花键齿与键槽间隙不宜过大，且应按对应标记装配，以免装错而破坏传动轴总成的动平衡10。2.5 中间传动轴花键的设计 由于所所设计的传动轴为两段，为中间传动轴和主传动轴，所以要考虑两段轴的连接问题。通常将中间传动轴加工出一段花键和一段螺纹，花键与中间传动轴凸缘叉组成花键副，再用一个开槽螺母将凸缘叉轴向定位，防止凸缘叉轴向窜动；再将凸缘叉与万向节叉相连实现动力的传递。 选取中间传动轴花键键型为矩型花键，主要尺寸参照表2.3：初选花键小径mm，大径mm，键齿数N=8，键宽B=7mm。参照表2.4，取键长 mm。 选定花键尺寸后，对作用在花键轴上的扭转应力(MPa)和作用在齿侧的挤压应力(MPa)进行校核。对于传动轴上的花键轴，通常以底径计算其扭转应力MPa，其许用应力同上， MPa。的计算公式如下： （2.18）将、代入公式2.18得：MPaMPa 经校核中间传动轴齿根扭转应力符合设计要求。中间传动轴花键的齿侧挤压应力MPa应满足： （2.19）式中：T传动轴的计算转矩（Nmm）；花键转矩分布不均匀系数，取；、分别为花键外径和内径（mm）；花键的有效工作长度（mm）；N花键齿数；许用挤压应力当花键的齿而硬度大于35HRC时，非滑动花键许用挤压应力 MPa，取MPa。将N.mm、mm、mm、mm、代入公式（2.19）得：MPa 经校核中间传动轴花键齿侧挤压应力符合设计要求。2.6 本章小结本章完成了对中间传动轴、主传动轴的设计。在给定了发动机转矩、变速器低挡传动比的情况下确定了中间传动轴与主传动轴的内、外径，保证发动机在各工况工作时传动轴不发生共振行成传动轴的折断。在确定了传动轴尺寸后对其扭转应力进行了校核，使传动轴在各种工况以及冲载荷情况下不会产生扭转变形。两段传动轴间转矩是靠主传动轴花键与中间传动轴花键传递的，这两处花键的设计也是这一章的重中这重。本设计中选用了相对渐开线花键定心精度更高、加工更容易的矩型花键，这种形式提高了传动轴高速转动时的稳定性，也减少了花键的磨擦从而提高了传动轴整体的使用寿命。由于花键配合间隙小，减小了车辆行驶时的振动的噪声，提高了驾驶舒适性。第3章 万向节总成的设计3.1 万向节类型的选择万向节是转轴和转轴之间实现变角度传递动力的基本部件，按其在扭转方向上是否有明显的弹性，可分为挠性万向节和刚性万向节。刚性万向节的动力是靠零件之间的铰链式连接传递的；而挠性万向节的动力则靠弹性零件传递的，且有一定的缓冲减振作用。刚性万向节根据其运动特点又可分为不等速万向节、准等速万向节和等速万向节和等速万向节三种形式11。不等速万向节是指万向节连接的两轴夹角大于零时，输出轴和输入轴之间以变化的瞬时角速度比传递运动，但平均角速度相等的万向节。准等速万向节是指在设计角度下以相等的瞬时角速度传递运动，而在其他角度下以近似相等的瞬时角速度传递运动的万向节。输出轴和输入轴以始终相等的瞬时角速度传递运动的万向节，称之为等速万向节。万向节分类如下图3.1所示： 万向节刚性万向节不等速万向节十字轴式准等速万向节 双联式 凸块式三销轴式球面滚轮式样等速万向节 球叉式 球笼式 挠性万向节图3.1 万向节的分类由于十字轴式万向节具有结构简单、传动可靠、效率高、且制造成本低，被广泛应用于各类汽车的传动系统中。根据本设计适用的车型，选用十字轴式万向节。3.2 十字轴式万向节的结构分析十字轴式万向节的基本构造，一般由一个十字轴、两个万向节叉、和滚针轴承等组成。两个万向节叉上的孔分别松套在十字轴的两对轴颈上。为了减少磨擦损失、提高效率、在十字轴轴颈和万向节间有由滚针和套筒组成的滚针轴承。然后，将将套筒固定在万向节叉上，以防止轴承在离心力作用下从万向节叉内脱出。这样，当主动轴转动时，从动轴既可随之转动，又可绕十字轴中心在任意方向摆动。目前，最常见的滚针轴承轴向定位方式有盖板式、卡环式、瓦盖固定式和塑料环定位式等12。最普通的盖板式轴承轴向定位结构是用螺栓和盖板将套筒固定在万向节叉上，并用锁片将螺栓锁紧。它工作可靠，拆装方便，但零件数目较多。有时将弹性盖板点焊于轴承座底部，装配后，弹性盖板对轴承座底部有一定的预压力，用来防止高速转动时由于离心力作用，在十字轴端面与轴承座底之间出现间隙而引起十字轴轴向窜动，并避免了由于这种窜动所造成的传动轴动平衡状态的破坏。13卡环式又分为外卡式和内卡式两种。它们具有结构简单、工作可靠、零件少和质量小的优点。瓦盖固定式结构中的万向节叉与十字轴颈配合的圆孔不是一个整体，而分成两半，再用螺钉连接起来。这各结构具有拆装方便、使用可靠的优点，但加工艺复杂。塑料环定位结构是在轴承碗外圆和万向节叉的轴承孔中部开一环形槽，当滚针轴承动配合装入万向节叉到正确位置时，将塑料经万向节叉上的小孔压注到环槽中，待万向节叉上另一与环槽垂直的小孔有塑料溢出时，表明塑料己充满环槽。这种结构轴向定位可靠，十字轴轴向窜动小，但拆装不方便。为了防止十字轴轴向窜动和发热，保证在任何工况下，十字轴的端间隙始终为零，有的结构在十字轴轴端与轴承碗之间加装端面止推滚针或滚柱轴承。滚针轴承的润滑和密封好坏直接影响十字轴万向节的使用寿命。毛毡油封由于漏油多，防尘、防水效果差，加注润滑油时，在个别滚针轴承中可能出现空气阻塞而造成缺油，故应用己越来越少。在结构较复杂的双刃口复合油封中反装的单刃口橡胶油封，用作径向密封；另一双刃口橡胶油封用作端面密封。当向十字轴内腔注入润滑油时，陈油、磨损产物及多余的润滑油便从橡胶油封内圆表面与十字轴轴颈接触处溢出，不需安装安全阀，防尘、防水效果良好。在灰尘较多的条件下使用时，可显著提高万向节寿命。十字轴万向节结构简单，强度高，耐久性好，传动效率高，生产成本低；但所连接的两轴夹角不宜过大。当夹角由增至于时，万向节中的滚针轴承寿命将下降到原来寿命的1/4。3.3 万向节的受力分析3.3.1 单十字轴万向节的受力分析第4章 中间支承的设计4.1 中间支承的结构分析与选择在长轴距汽车上，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。在乘用车中，有时为了提高传动系的弯曲刚度，改善传动系弯曲振动看特性，减小噪声，也将传动轴分成两段。当传动轴分段时，需加设中间支承19。中间支承能常安装在车架横梁上或车身底架上，以补偿传动轴轴向和角度方向的安装误差，以及车车辆行驶过程中由于弹性支承的发动机的窜动和车架等变形所引起的位移。目前中间支承主要有橡胶弹性中间支承和摆臂式中间支承两种形式。橡胶弹性中间支承在其结构中采用单列滚子轴承，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，它主要承受传动轴因不平衡、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。蜂窝软垫式中间支承与车架横梁相连接。单列球轴承可在轴承座内滑动。由于蜂窝形橡胶垫的弹性作用，能适应上述安装误差和行驶中出现的位移。此外还可吸收振动并减少噪声。单列球轴承通过油嘴加入的润滑脂来实现，并在球轴承两端安装油封加以密封。蜂窝软垫式结构简单，效果良好，应用广泛。双列圆锥滚子轴承中间支承，其特点是双列圆锥滚子轴承可承受较大的轴向力，且便于调整，使用寿命长。有的汽车采用摆式中间支承。整个中间支承通过螺栓固定在支架和车架横梁上。当发动机轴向窜动时，摆臂可绕支承轴摆动，适应中间传动轴的轴线在纵向平面的位置变化，改善了轴承的受力状况。此外橡胶衬套能适应传动轴轴线在横向平面内少量的位置变化。综上所述，由于本设计适用车型CA1041载重小，行驶时传动轴承受冲击载荷小，而摆动式中间支承具有结构简单、质量轻、制造容易、维修保养方便等优点，故本设计选用摆动式中间支承，其结构如图4.1。单列深沟球轴承套装在中间传动轴上，内圈由凸缘叉和轴肩轴向定位，外圈由两个卡环固定在轴承座孔上使之不能在轴向滑动。两个支承销管由两个挡圈通过销联接在一起；销管分别与轴承座和支架焊接，支架由螺栓固定在车架横梁上。由于摆动式中间支承的结构特点，作用在轴承上的轴向力和径向力都较小，故选用单列深沟球轴承。中间传动轴花键大径D=40mm，所以取轴承内径d=45mm,初选轴承外径D=85mm，轴承宽度B=19mm。选定轴承型号后需对其使用寿命进行校核。图4.1 摆动式中间支承4.2 轴承的选取由机械设计手册查得：对于每日8小时工作的机械（利用率不高），预期使用寿命=120002000h；每日8小时工作（利用率较高），预期使寿命=2000030000h。取预期使用寿命=20000h计算20。计算公式（以小时数表示）如下： （4.1）式中：n轴承转速（r/min），取n=2500r/min；寿命指数，对球轴承；C基本额定动载荷，C=20500N；P当量动载荷；Ft温度系数，工作温时，当量动载荷P的一般计算公式为： （4.2）式中：考虑载荷性质引入的载荷系数，取；X、Y径向，轴向载荷系数；轴承径向载荷；轴承轴向载荷，取N轴承径向载荷可按如下公式计算：N （4.3）式中：F滑动花键滑动时的阻力，F=3030N；a传动轴工作时两万向节的夹角；传动轴重力作用在轴承上的分力由机械设计手册查得：X=0.56，Y=2.07。将，X=0.56，Y=2.07，N，N代入公式4.2得：N将n=2500r/min，C=20500N，代入公式4.1得：经计算轴承寿命符合设计要求。另外，还应考虑中间支承的固有频率，计算公式如下： （4.4）式中：中间支承的固有频率（Hz）；中间支承橡胶弹性元件的径向刚度（N/mm）；m中间支承悬置质量（Kg），等于传动轴落在中间支承上的一部分质与中间支承轴承及其轴承座所阴承受的质量之和。在设计中间支承时，应合理选择橡胶弹性元件的径向刚度，固有频率对应的临界转速r/min尽可能低于传动轴的常用转速范围，以免共振，保证隔振效果好。许用临界转速为10002000r/min，对于乘用车，取下限。当中间支承的固有频率依此数据确定时，由于传动轴不平衡引起的共振转速10002000r/min ,而由于万向节上的附加弯矩引起的共振转速为5001000r/min，这样就避免了中间支承与传动轴的谐振。4.3 本章小结本章完成了中间支承总成的设计。摆动式中间支承具有结构简单、质量轻、制造容易、维修保养方便等优点。当发动机轴向窜动时，摆臂可绕支承轴摆动，适应中间传动轴的轴线在纵向平面的位置变化，改善了轴承的受力状况。橡胶衬套可以大大吸收、减小由于传动轴引起的振动，进而减小车辆行驶时的噪声和振动。此外，还选择了轴承的型号并对轴承的使用寿命进行校核；设计了合理有效的润滑及密封型式，从而提高了总成的使用寿命。结 论随着汽车工业的迅猛发展，车辆的多样化、轻量化己成为发展趋势，对车辆的操控性、行驶稳定性、乘坐舒适性的要求也越来越高。而传动轴及万向节的布置、设计装配不良将产生振动和噪声，影响车辆的行驶性和舒适性。因此该总成设计是汽车设计中重要的环节之一。本题是依据现有生产企业在生产车型的万向传动装置作为设计原型，在给定变速器输出转矩、转速及发动机和主减速器安装位置等条件下，设计出符合要求的万向传动装置，着重设计了传动轴、花键；万向节总成及中间支承总成并对其进行了校核计算。在对各种结构件进行了分析计算后，进行了合理的总体布置，该总成己基本符合了设计要求。此外，在主传动轴、十字轴滚针轴承、中间传动轴总成上均采用了较先进的润滑及密封形式，从而保证了传动轴总成工作的可靠性，并提高了使用寿命；主传动轴滑动花键采用了直齿矩形花键，提高了定心精度，而使传动轴的运转更加平稳，行驶时产生的振动的噪声更小。在过去，国内十字轴万向节一般应用在转速相对不高的车辆上，而且十字轴上都设计有注油嘴，要求定期对十字轴轴承碗补充润滑脂。随着高档商务车辆如丰田考斯特在国内的推出，同时一些厂家要求在十字轴上取消注油嘴实现免维护的越来越多，因此高速免维护十字轴万向节应用日益广泛，也必将成为十字轴万向节的发展趋势。本设计中也存在一些缺点和不足，由于采用传统的设计方法，在设计上不可避免的会有设计精度不高、和资源、材料的浪费。展望：随着计算机技术的发展、各种电脑辅助设计软件的开发如： ProE、CAD、CATIA、等软件的开发和对力学问题的有限元算法的普及，万向传动轴的设计的自动化，集成化，智能化己成为万向传动轴设计的发展趋势，也使设计更加精确定可靠、更加节省材料。参考文献01 吴修义.汽车万向节传动轴的选择和应用J.重型汽车,1999.6.02 卢曦,周萍,孙跃东.汽车等速万向节的现状与发展J.机械设计与制造，2002.6.03 陈家瑞.汽车构造M.北京机械工业出版社,2005.1.04 F.Schmelz,Graf von H.-Cseherr-Thoss.北京理工大学出版社,万向节与传动轴M,1997.12.05 张立,王丽娟.PLC在汽车传动轴涂敷系统中的应用J.西安工业大学学报,.06 刘惟信.汽车设计M.清华大学出版社,2001.7.07 肖生发,伍德荣.一种新型等速万向节的设计J.机械工程师,2002.708 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在本设计的完成过程中得到罗辉、施奇等同学的帮助，感谢他们在做设计过程中给予我的无私的帮助。 附 录Cross-axis gimbal assembly Failure Analysis The main function of joints in different axis passing between the rotating shaft torque, it has been widely used in various types of truck axle shaft connected between the cross section, usually in the course of cross-axis universal joint of the Needle Roller Bearings for rotary movement is not, but for the rotation of the swing movement, the load cycle changes submitted. Based on the heavy-duty vehicle WX0082 Cross-axis gimbal assembly of less than life pieces of the failure mode of failure, failure, structural parameters and materials used and the performance of finite element analysis and other methods to conduct a comprehensive comparative analysis of product performance a design improvement.1. Oblique imprintThe author of a company from the provision of three packs of the three packs of Service returned failure cases observed that the cross-axis oblique jour