微型汽车万向传动设计Word下载.docx
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2.2 设计要求 5
3 万向传动轴的结构特点及基本要求 6
3.1 万向传动轴的结构特点 6
3.2 基本要求 7
4 万向传动轴结构方案的分析 8
4.1 基本组成的选择 8
4.2 万向传动轴的计算载荷 9
5 万向传动轴的选择 10
5.1 传动轴管的选择 10
5.2 伸缩花键的选择 10
6 传动轴的计算与强度校核 11
6.1 传动轴的临界转速 11
6.2 传动轴计算转矩 11
6.3 传动轴长度选择 11
6.4 传动轴管内外径确定 11
6.5 传动轴扭矩强度校核 12
7 十字轴总成尺寸的确定与强度校核 13
7.1 十字轴万向节尺寸的确定与强度校核 13
7.2 传动轴的花键 15
7.3 十字万向节的轴承 16
8 万向节叉的尺寸的确定与强度校核 18
8.1 万向节叉的尺寸的确定 18
8.2 万向节叉的尺寸的强度校核 18
结论 20
致谢 21
参考文献 22
附录 23
前言
国内发展情况与应面对的问题
2007年中国汽车销售879.15万辆，2008年汽车产销量将突破900万辆。
2007年我国汽车零部件产业总收入也达到6700亿元。
而作为汽车零部件的汽车传动轴市场随汽车需求的增长也高速增长，2007年我国汽车传动轴的需求已经突破992万根，产值达到了79亿元，其中，速传动轴超过860万根。
市场竞争非常激烈，市场被GKNDriveline等所控制，其他企业只能在有限的空间求的生存，例如，GKNDriveline凭借自身技术优势在中国轿车市场占有50%汽车传动轴市场份额，计划2009年在中国武汉在开设新的传动轴工厂，这是GKN继上海、重庆、吉林之后，在中国开设的第五家传动轴工厂，全国布局还在继续。
万向节市场前景很有潜力，但是在技术方面，国内工厂竞争力偏低。
万向传动轴是汽车的关键部件之一，也是汽车国产化技术难度较大的部件之一，没有高技术的设备支持，产品很难达到要求的。
目前，国内只有少数合资企业能够具备这样的生产能力，多数国内企业是在根据国外的样件进行开发生产，基本上没有自主的设计开发能力。
在万向传动装置的设计工作中，应充分克服传动效率低，传动部件寿命过短等缺陷，吸取在以往设计工作中的教训，大胆开阔视野，充分发挥我们的设计创新能力，利用现有的先进设备，并争取引进更先进的硬件与软件技术，努力与国际接轨，争取开发一条能耗低、低成本、高效率、可靠性高的研究路线。
设计意义
在汽车工业的迅猛发展，车型多样化、个性化的今天，人们对汽车舒适性、使用性能的要求日益提高，而传动轴及万向节的设计装配不良，将产生振动和噪声。
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，在给定的参数下，学生独立设计出符合要求的万向传动装置，来培养学生的专业素质和独立思考能力。
1概述
在现代汽车上，万向节传动装置是由万向节、传动轴和支承装置组成的。
它主要用于在工作过程中相对位置不断改变的两根轴之间的动力传递。
图1.1中所示为万向节传动在汽车传动系中的应用。
图1.1a）与1.1b）为用于汽车变速器到驱动桥之间的万向节传动装置。
由于发动机、变速器和离合器连成一个整体，再被支承在车架上，而驱动桥的连接方式，则是通过悬挂系统与车架相连接，主减速器的输入轴与变速器的输出轴二者的轴线往往不在同一个轴线上,由于悬挂系统在汽车的行驶过程中，会产生较大弹性形变，是驱动桥的输入轴和变速器的输出轴的相对位置发生变化，因此，往往采用一根传动轴与两个十字轴万向节或采用一根中间传动轴、一根传动轴和三个或四个十字轴万向节，将他们连接起来。
图1.1万向节传动装置
Fig1.1Universaljointtransmissiondevice
图1.2为用于4×
4型汽车上变速器和分动器之间及分动器与前后驱动桥之间的万向节传动装置。
对越野车来说，往往会遇到变速器第二轴与分动器输入轴之间有较大距离，或者分动器位置较高而引起分动器输出轴线与传动轴轴线、前后驱动桥主动锥齿轮轴线与传动轴轴线间的夹角过大；
或者由于安装不准确和车架变形在传动机构中引起附加载荷等情况。
为了克服在设计中碰到的这些矛盾，多采用简单十字轴万向节或柔性万向节将有关总成链接起来。
图1.2万向节传动装置
Fig1.2Universaljointtransmissiondevice
图1.3a）为用于重型汽车离合器与变速器之间万向节传动装置。
对于重型汽车，由于总布置要求，常将离合器与变速器分开一段距离，因此也常用万向节传动装置将两个总成连接起来。
图1.3b）为用于带有摆动半轴的驱动桥中的万向节传动装置。
由于半轴轴线和车轮轴线不重合，且其相对位置还经常发生变化，此时用一根整体轴将两端刚性连接起来显然是不行的，故要用万向节传动装置。
图1.3万向节传动装置
Fig1.3Universaljointtransmissiondevice
图1.4为用于汽车的转向驱动桥的万向节传动装置。
由于前轮既是驱动轮又是转向轮，要求车轮能在最大转角范围内任意偏转某一角度，并且能不间断地传递动力。
因此，转向驱动桥的半轴不能制成整体而要分段，车轮和半轴之间常用等角速万向节将两者连接起来。
图1.4万向节传动装置
Fig1.4Universaljointtransmissiondevice
实践表明，万向节传动所连接的两轴的位置和所传递的动力大小不同，万向节传动将有不同的结构型式。
同时因为生产和使用条件不一样，往往所选的结构型式也是不一样的，故我们在进行万向节传动设计时，应根据整车设计和使用部门的要求以及生产部门的具体情况，努力使设计、制造出来的万向节传动装置能满足如下要求：
1.保证所连接的两轴相对位置在预计范围内变动时能可靠地传递扭矩；
2.保证所连接的两轴能够均匀地旋转，且由于两轴之间存在的夹角而产生的惯性力矩所引起的载荷应降低到许可范围内；
3.保证传动效率高，寿命长、结构简单、制造维修方便。
2原始数据及设计要求
2.1原始数据
表2.1主要参数
Tab.2.1Themainparameter
额定载荷
（kg）
最大总质量
最高车速
（km/h）
最大扭矩
[N·
m/（r/min）]
额定功率
[kw/（r/min）]
630
1450
100
59/3500
29.4/5500
基本参数：
汽车的总长：
3200mm总宽：
1400mm总高；
1700mm
货箱的内部尺寸：
长1900mm宽1350mm高250mm
轴距：
1800mm
轮距：
前轮1200mm后轮1180mm
整车整备质量：
820kg前轴451kg（55%）后轴369kg（45%）
最大总质量：
前轴580kg（40%）后轴870kg（60%）
2.2设计要求
1.设计微型货车的万向传动装置，
2.进行万向传动的运动和受力分析，
3.确定万向传动装置的基本组件的尺寸，
4.进行弯、扭矩的强度校核，画图。
3万向传动轴的结构特点及基本要求
3.1万向传动轴的结构特点
万向传动轴一般是由万向节、传动轴和中间支撑组成。
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。
伸缩套能自动调节驱动桥与变速器之间距离的变化。
万向节是保证驱动桥输入轴与变速器输出轴两轴线夹角的变化，并实现两轴的等角速传动。
一般万向节由十字轴承、十字轴、凸缘叉及轴向定位件和橡胶密封件等组成。
图3.1双万向节等速传动布置图
Fig.3.1ThearrangementplanoftheDoubleuniversaljointconstantspeeddrive
万向节即万向接头，英文名称universaljoint，是实现变角度动力传递的机件，用于需要改变传动轴线方向的位置，它是汽车驱动系统的万向传动装置的“关节”部件。
万向节与传动轴组合，称为万向节传动装置。
传动轴的组成部分为万向节、轴管和伸缩套。
伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。
万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输入轴两轴线夹角的变化，并实现两轴的等角速传动。
其基本结构如图3.2：
图3.2变速器与驱动桥之间的万向传动装置
Fig.3.2UniversaldriveshaftofTransmissionandDrivebridge
3.2基本要求
1.保证所连接的两根轴的夹角及相对位置在一定范围内变动时，能可靠而稳定地传递动力。
2.保证传动尽可能同步，所连接两轴尽可能等速运转。
3.由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声应在允许范围内，在使用车速范围内不应产生共振现象。
4.传动效率高，制造方便，使用寿命长，结构简单，维修容易等。
另，万向传动装置有极其广泛的应用，发动机前置后轮或全轮驱动汽车行驶时，由于悬架不断变形，变速器或分动器的输出轴与驱动桥输入轴轴线之间的相对位置经常发生变化，因而普遍采用可伸缩的十字轴万向传动轴；
某些汽车根据总布置的要求，需将离合器与变速器、变速器与分动器之间拉开一端距离，考虑到它们之间很难保证轴与轴同心及车架的变形，所以常采用十字轴万向传动轴或挠性万向传动轴；
对于转向驱动桥，左、右驱动轮需要随汽车行驶轨迹变化而改变方向，这时多采用等速万向传动轴。
如图3.3
图3.3万向节在汽车上的各种应用
Fig.3.3AllkindsofapplyofCardanincars
4万向传动轴结构方案的分析
4.1基本组成的选择
通过参考我国微型货车的基本设计参数，选定TJ6350微型货车为前置后驱的布置形式，平头驾驶室。
因其为普通商用，则轴数根据其特点确定为两轴。
驱动形式：
4х2，后轮驱动。
此种布置的优点有：
1.容易发现发动机的故障，维修方便；
离合器、变速器等操作机构简单，容易布置；
货厢地板低平；
2.汽车总长和轴距尺寸短；
最小转弯直径小；
机动性能良好；
不需要发动机罩和翼子板，加上总长缩短等因素的影响，汽车整备质量减小；
3.驾驶员的视野得到明显改善；
采用翻转式驾驶室是能改善发动机及其附件的接近性；
汽车面积利用率高。
中间支撑：
由于TJ6350微型货车的轴距长度中等，根据初选为1800mm，且最大总质量不超过2t，所以不选中间支撑，只选用一根主传动轴。
设计此发动机形式为前置后驱，由于悬架不断变形，变速器或分动器输出轴轴线之间的相对位置经常发生变化,根据货车的总体布置要求，将变速器与离合器、分动器与变速器之间拉开一段距离，考虑到它们之间很难保证轴与轴同心及车架的变形，所以采用十字轴万向传动轴。
为了避免运动干涉,在传动轴设计中有由滑动叉和花键轴组成的伸缩节,以实现传动轴长度的变化。
空心传动轴具有较小的质量，能传递较大的转矩，比实心传动轴具有更高的临界转速，所以此传动轴管采用空心传动轴。
在普通汽车传动装置中，因十字轴式刚性万向节结构简单、传动可靠等优点而得到了广泛应用。
十字轴式刚性万向节结构简单、耐久性好、强度高，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。
十字轴式刚性万向节结构如图4.1
图4.1十字轴式刚性万向节
Fig.4.1Thecardanofuniversaljointpin
在TJ6350微型货车设计中，选定为十字轴式万向传动装置，即采用单节式万向传动轴，其两端用普通万向节分别与变速器和驱动桥连接。
装配时，要满足：
1.传动轴两端的万向节叉在同一平面内;
2.输入轴、输出轴与传动轴的夹角相等，即α1=α2。
如下图所示。
图4.2输入轴与输出轴的夹角
Fig.4.2Theincludedangleofinputaxleandexportaxle
保证满载时，实现等速传动。
综上可确定，TJ6350微型货车的万向传动装置设计为：
两个十字轴式万向节和一个传动轴。
此时的传动轴不分段，无需加中间支撑。
4.2万向传动轴的计算载荷
该设计万向传动装置用于变速器与驱动桥之间，则按发动机最大转矩和1挡传动比来确定，即：
Tse1=kdTemaxki1ifηn（4.1）
其中
Temax——发动机的最大转矩59N·
M
n——驱动桥的数目n=1
i1——变速器1挡传动比i1=3.996（由变速器设计知）
η——发动机到万向传动轴的传动效率η=90%
k——液力变矩器的变矩系数k=1
kd——猛接离合器所产生的动载系数kd=1即，对于性能系数fi=0的汽车（一般货车、矿用汽车和越野车）
代入数据，计算得Tse1=212N·
m
5万向传动轴的选择
5.1传动轴管的选择
传动轴的长度和夹角及它们的变化范围，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，花键轴与花键套有足够的配合长度；
而在长度处于最小时，两者不顶死。
传动轴夹角大小会影响万向节的滚针轴承和十字轴的寿命、万向传动效率和十字轴的不均匀性。
由于传动轴经常处于高速旋转的状态，所以轴的材料查机械零件手册选取40CrNi，适用于很重要的轴，具有较高的扭转强度。
传动轴管由低碳钢板制壁厚均匀、壁薄（1.5～3.0mm）、管径较大、易质量平衡、扭转强度高、弯曲刚度高、适用高速旋转的电焊钢管制成。
5.2伸缩花键的选择
应选择矩形花键，用于补偿由于汽车行驶时，传动轴两端万向节之间长度的变化。
为减小磨损及阻力，对花键齿磷化处理或喷涂尼龙，外层设有防尘罩，间隙应尽量减小，以免引起传动轴的震动。
键槽与花键齿按对应标记装配，以保持传动轴总成的动平衡。
动平衡的不平衡度由电焊在轴管外的平衡片来补偿。
装车时传动轴的伸缩花键的一端应靠近变速器，以减小其轴向阻力和磨损。
其结构图如下所示。
图5.1万向传动轴—花键轴结构简图
Fig.5.1UniversaldriveshaftThestructurefigofbloombond
1-盖子；
2-盖板；
3-盖垫；
4-万向节叉；
5-加油嘴；
6-伸缩套；
7-滑动花键槽；
8-油封；
9-油封盖；
10-传动轴管
6传动轴的计算与强度校核
6.1传动轴的临界转速
长度一定时，传动轴断面尺寸的选择应保证传动轴有足够的强度和足够高的临界转速。
所谓临界转速，就是当传动轴的工作转速接近于其弯曲固有振动频率时，即出现共振现象，以致振幅急剧增加而引起传动轴折断时的转速。
传动轴的临界转速nk（r/min）为，安全系数K取1.2，适用于一般精度的伸缩花键
则有（因TJ6350微型货车无超速挡，最高档即直接挡）
即
nmax=nw=5500r/min（6.1）
（nw为发动机转速）
安全系数k
k=nknmax=1.2（6.2）
nk=1.2nmax=6600rmin
6.2传动轴计算转矩
T1=Twi1η=59×
3.996×
103×
90%
=212187N⋅mm（6.3）
6.3传动轴长度选择
根据轴距1800mm,初选的传动轴支承长度Lc为（1250±
3.6）mm，花键轴长度应小于支承的长度，满足万向节与传动轴间隙的要求，取花键轴的长度为（1100±
2.5）mm
6.4传动轴管内外径确定
nk=1.2×
108Dc2+dc2Lc2=6600rmin（6.4）
得Dc2+dc2=（6600×
125021.2×
108）2=7385.3（6.5）
又1.5mm≤Dc-dc2≤3mm
根据电焊钢管外径60~95mm的标准资料（从冶金部标准YB242-63中选取），如表6.1所示
表6.160~95mm毫米的电焊钢管YB242-63
Tab6.1Theelectricsolderingsteeltubeof60to95millimetreYB242-63
外径（mm）
钢管厚度（mm）
60
1.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、
63.5
70
75
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
83
89
4.0、4.2、4.5、4.8
95
初选DC=63.5mm，则
dc=7385.3-Dc2=58mm（6.6）
其中Lc为传动轴长度（mm），即两万向节中心的距离
Dc和dc分别为传动轴轴管的外、内径（mm）
6.5传动轴扭矩强度校核
由于传动轴只承受扭转应力，而不承受弯曲应力，所以只需校核扭转强度。
根据公式有
τc=16DcdcπDC4-dc4=16×
63.5×
2121873.14×
63.54-584（6.7）
=13.7MPa≤τc=300MPa
（τc为许用扭转切应力）
由此可知，说明设计参数满足扭转强度要求。
7十字轴总成尺寸的确定与强度校核
为了便于设计时确定十字轴的总成尺寸，表7.1列出了不同吨位的载重汽车十字轴，按图7.1所示的尺寸要素的范围
表7.1推荐采用的十字轴总成及花键尺寸
Tab.7.1Thesizeofcrossaxleandbloombondrecommend
载重
质量
t
十字轴总成mm
花键外型
外径
mm
花键工作长度
十字轴
滚针
轴承套
H
d
h
h1
δ
L
滚针数n
D
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