【文章內(nèi)容簡介】 慮設(shè)計(jì)參數(shù)的隨機(jī)性和模糊性，又能進(jìn)行多參數(shù)設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)方案最優(yōu)，且在設(shè)計(jì)后能預(yù)測新產(chǎn)品的可靠度 [3]。這是可靠性和最優(yōu)化設(shè)計(jì)的有機(jī)結(jié)合。 萬向節(jié)是實(shí)現(xiàn)萬向傳動的關(guān)鍵，萬向節(jié)性能的優(yōu)劣直接影響到整車的行駛性能、動力性、舒適性。從 19 世紀(jì)初虎克式萬向節(jié)在汽車上應(yīng)用以來，經(jīng)過 100 多年的發(fā) 2 展己經(jīng)有十幾種形式。可分為鍘性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié)。剛性萬向節(jié)又可分 為不等速萬向節(jié)、準(zhǔn)等速萬向節(jié)和等速萬向節(jié)。等速萬向節(jié)因其加工制造精度高、難度大，需成套引進(jìn)國外專用加工生產(chǎn)設(shè)備，且投資費(fèi)用大、價(jià)格高，已成為實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的關(guān)鍵問題之一。由于等速萬向節(jié)傳動軸應(yīng)是用橡膠護(hù)套來密封的，橡膠護(hù)套的壽命從很大程度上決定了傳動軸總成的使用壽命，因此橡膠護(hù)套設(shè)計(jì)和考核試驗(yàn)也成了等速萬向節(jié)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一。由于近年來 Pro/E、 CATIA、 Matlab 等軟件的開發(fā)與應(yīng)用，國內(nèi)的企業(yè)、科研單位也致力于基于 CATIA、 Matlab 等的模糊、仿真設(shè)計(jì)，從而大大提高了我國對萬向節(jié)的設(shè)計(jì)、制造水平。 綜合以上國內(nèi)外文獻(xiàn)和相關(guān)書籍可以看出：隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展、各種計(jì)算機(jī)輔助軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)，如 :Pro/E、 CAD、 CATIA 等以及有限元分析等設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，必然會給萬向節(jié)的設(shè)計(jì)、研發(fā)帶來日新月異的進(jìn)展，萬向節(jié)及傳動軸的設(shè)計(jì)己逐步實(shí)現(xiàn)自動化，集成化，智能化。 研究內(nèi)容及方法 傳動軸方案的選擇及主要參數(shù)的確定 在汽車行駛過程中，由于發(fā)動機(jī)的振動及不平路面的沖擊等因素引起彈性懸架系統(tǒng)的振動，使變速器的輸出軸和驅(qū)動橋的輸入軸相對位置經(jīng)常變化，故兩根軸不能剛性地連接，而必須采用一般由兩個(gè)十字軸萬向節(jié)和傳動軸組成的萬向 傳動裝置。在變速器與驅(qū)動橋之間距離較遠(yuǎn)的情況下，應(yīng)將傳動軸分成兩段，并用三個(gè)十字軸式萬向節(jié)連接起來，且在中間傳動軸后端加裝中間支承。 根據(jù)給定的發(fā)動機(jī)功率、變速器最大傳動動比、主速器傳動動比計(jì)算出最大剪應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，選取鋼材的材料并查得其屈服極限，傳動軸臨界轉(zhuǎn)速的校核。 萬向節(jié)類型的選擇 對萬向節(jié)類型及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并結(jié)合（ CA1041）技術(shù)要求選擇合適的萬向節(jié)類型?？紤]到本畢業(yè)設(shè)計(jì)所針對的車型為中輕型貨車，對其萬向傳動軸的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：制造加工容易、成本低，工作可靠承載能力強(qiáng)，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整 維修方便等要求，本設(shè)計(jì)選用十字軸式萬向節(jié)，帶中間支承的兩段式傳動軸。 十字軸式萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)分析 十字軸式萬向節(jié)的基本構(gòu)造，一般由一個(gè)十字軸、兩個(gè)萬向節(jié)叉、和滾針軸承等組成。兩個(gè)萬向節(jié)叉上的孔分別松套在十字軸的兩對軸頸上。為了減少磨擦損失，提高效率，在十字軸的軸頸處加裝有由滾針和套筒組成的滾針軸承。然后，將套筒固定 3 在萬向節(jié)叉上，以防止軸承在離心力作用下從萬向節(jié)叉內(nèi)脫出。這樣，當(dāng)主動軸轉(zhuǎn)動時(shí)，從動軸既可隨之轉(zhuǎn)動，又可繞十字軸中心在任意方向擺動。目前，最常見的滾針軸承軸向定位方式有蓋板式、卡環(huán)式、瓦蓋固定式和塑料 環(huán)定位式等 [4]。 萬向節(jié)總成主要參數(shù)的確定與校核 十字軸 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，十字軸軸頸的滾針軸承帽工作表面出現(xiàn)壓痕和剝落。一般情況下，當(dāng)磨損或壓痕超過 時(shí)便應(yīng)報(bào)廢。十字軸主要失效形式是軸頸根部斷裂，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證該處有足夠的抗彎強(qiáng)度。 十字軸滾針軸承 滾針軸承的結(jié)構(gòu)分析： 汽車萬向節(jié)用滾針軸承的結(jié)構(gòu)型式較多，但就滾針來說、主要有三種型式：錐頭滾針、平頭滾針及圓頭滾針。為了防止在運(yùn)輸及安裝過程中掉針，國內(nèi)的協(xié)作配套廠家大多都采用錐頭滾針 [5]。這種結(jié)構(gòu) 的軸承除滾針端頭為圓錐形外，還多了一個(gè)擋針圈并且在外圈滾道與底道之間加工出基底凹槽，滾針圓錐頭靠擋針圈及外圈基底凹槽擋住，從而避免了徑向掉針。 聯(lián)接螺栓 在發(fā)動機(jī)前置后驅(qū)動的汽車中，連接變速器與驅(qū)動橋之間的傳動軸是靠萬向節(jié)叉與驅(qū)動橋或變速器的法蘭盤組成的聯(lián)軸器來傳遞轉(zhuǎn)矩的，由于螺栓聯(lián)接工作時(shí)即承受剪切力又承受軸向力，所以需校核抗拉強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度和抗擠壓強(qiáng)度。 萬向節(jié)叉 萬向節(jié)叉與十字軸組成連接支承，在力 F 作用下產(chǎn)生支承反力，在與十字軸軸孔中心線成 ?45 截面處，萬向節(jié)叉承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，應(yīng)對其彎曲應(yīng)力 w? 和扭應(yīng)力 b?進(jìn)行校核。 中間支承的設(shè)計(jì)與校核 在長軸距汽車上，為了提高傳動軸臨界轉(zhuǎn)速，避免共振以及考慮整車總體布置上的需要，常將傳動軸分段。在乘用車中，有時(shí)為了提高傳動系的彎曲剛度，改善傳動系彎曲振動看特性，減小噪聲，也將傳動軸分成兩段。當(dāng)傳動軸分段時(shí)，需加設(shè)中間支承。 在設(shè)計(jì)中間支承時(shí)，應(yīng)合理選擇橡膠彈性元件的徑向剛度 RC ，固有 頻率 0f 對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速 060fn? r/min 盡可能低于傳動軸的常用轉(zhuǎn)速范圍，以免共振，保證隔振效果好。許用臨界轉(zhuǎn)速為 1000~2021r/min，對于乘用車，取下限。當(dāng)中間支承的固 4 有頻率依此數(shù)據(jù)確定時(shí)，由于傳動軸不平衡引起的共振轉(zhuǎn)速 1000~2021r/mim，而由于萬向節(jié)上的附加彎矩引起的共振轉(zhuǎn)速為 500~1000r/min，這樣就避免了中間支承與傳動軸的諧振 [6]。 5 第 2章 傳動軸總成的設(shè)計(jì) 萬向傳動軸總體概述 萬向傳動軸是汽車傳動系 的重要組成部件之一。傳動軸選用與設(shè)計(jì)的合理與否直接影響傳動系的傳動性能。選用、設(shè)計(jì)不當(dāng)會給傳動系增添不必要的和設(shè)計(jì)未能估算在內(nèi)的附加負(fù)荷，可能導(dǎo)致傳動系不能正常運(yùn)轉(zhuǎn) ..。 傳動軸是將發(fā)動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)知經(jīng)分動器傳遞給前驅(qū)和后驅(qū)的傳動機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)速達(dá)3000~7000r/min,振動是傳動軸總成設(shè)計(jì)需考慮的首要問題。盡管采取涂層技術(shù)來減小滑移阻力，但產(chǎn)生的滑移阻力仍為等速萬向節(jié)的 10~40 倍，而滑移阻力將產(chǎn)生振動。為選型設(shè)計(jì)提供依據(jù)，傳動軸分為 CJ+CJ 型、 BJ+BJ 型（靠花鍵產(chǎn)生滑移 )BJ+DOJ型、 BJ+TJ 型、 BJ+LJ 型 5 種類型。 傳動布置型式的選擇 萬向節(jié)傳動軸是汽車傳動系的重要組成部件之一。傳動軸選用與設(shè)計(jì)布置的合理與否直接影響傳動系的傳動性能。選用與布置不當(dāng)會給傳動系增添不必要的和設(shè)計(jì)未能估算在內(nèi)的附加動負(fù)荷，可能導(dǎo)致傳動系不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)和早期損壞。 車輛的萬向節(jié)傳動，主要應(yīng)用于非同心軸間和工作中相對位置不斷改變的兩軸之間的動力傳遞。裝在變速器輸出軸與前后驅(qū)動橋之間。變速器的動力輸出軸和驅(qū)動橋的動力輸入軸不在一個(gè)平面內(nèi)。有的裝載機(jī)在車橋與車架間裝有穩(wěn)定油缸、鉸接式裝載機(jī)在轉(zhuǎn)向時(shí)均會使變速箱與驅(qū)動橋之 間的相對位置和它們的輸出、輸出入軸之間的夾角不斷發(fā)生變化。這時(shí)常采用一根或多根傳動軸、兩個(gè)或多個(gè)十字軸萬向節(jié)的傳動[7]。圖 為用于汽車變速箱與驅(qū)動橋之間的不同萬向傳動方案。 （ a） 單軸雙萬向節(jié)式 （ b） 兩軸三萬向節(jié)式 圖 汽車的萬向傳動方案 [7] 6 如圖 a 為常用的單軸雙萬向節(jié)傳動，如圖 b 為連接距離較長且不宜于采用單軸雙萬向節(jié)傳動的連接。由于參考車型軸距為 米，故選取如圖 b 的傳動方案。 傳動軸斷面尺寸的確定與強(qiáng)度校核 傳動軸的運(yùn)動分析 傳動軸的長度和夾角及它們變化范圍，由汽車總布置設(shè)計(jì)決定。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證在傳動軸長度處在最大值時(shí)，套管叉與花鍵軸有中夠的配合長度；而在長度處于最小時(shí)，兩者不頂死。傳動軸夾角的大小影響萬向節(jié)十字軸和滾針軸承的壽命、萬向傳動效率和十字軸旋轉(zhuǎn)的不均勻性。 當(dāng)傳動軸長度確定后，其斷面尺寸必須保證有足夠的強(qiáng)度，并能承受相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn) 速。其許用的傳動軸轉(zhuǎn)速，不應(yīng)超過臨界轉(zhuǎn)速。所謂臨界轉(zhuǎn)速，即當(dāng)某個(gè)長度為 L 的傳動軸，在兩支點(diǎn)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，如圖 所示，由于軸自身的重力作用，使傳動軸中心（即質(zhì)量中心）相對軸線有一偏移量（初撓度） a，如果再考慮到軸與孔的間隙，傳動軸質(zhì)量的不均勻，則 a 將再增大。當(dāng)此軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，在質(zhì)量中心必有離心力的作用，這個(gè)別離心力又將引起傳動軸的進(jìn)一步彎曲，產(chǎn)生附加撓度 y。由于重力的大小和方向是不變的，而離心力的大小與方向是改變的，故使傳動軸的彎曲力（垂直力與離心力的向量和）也周期性的變化著，從而傳動軸的撓度也隨時(shí)在變化。即傳動 軸的旋轉(zhuǎn)，將伴隨有彎曲振動，它的頻率即等于傳動軸的轉(zhuǎn)速。當(dāng)傳動軸的轉(zhuǎn)速接近于它的彎曲自然振動頻率時(shí)，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，振幅（撓度）急劇增加，致使傳動軸折斷，這一轉(zhuǎn)速即稱為傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速。 圖 萬向節(jié)傳動軸的彎曲振動 傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速與軸的直徑、長度和支承點(diǎn)數(shù)目有關(guān)。設(shè)傳動軸轉(zhuǎn)速為)/( srad? 。作用在傳動軸上的離心力則為： 2)( ?aymF ?? （ ） 式中 :m— 傳動軸的質(zhì)量 7 這時(shí)離心力被 與長度成正比的材料彈性力 p 所平衡，由材料力學(xué)得知： 8LEIcyP? （ ） 式中： E— 傳動軸材料的抗拉彈性模數(shù)， 101021??E N/mm2； L— 支承長度，取兩萬向節(jié)的中心距離（ m）； I— 軸剖面對其對稱軸線（直徑）的轉(zhuǎn)動慣量（ m4）； 系數(shù) c 與受載情況、支承型式有關(guān)，當(dāng)載荷在兩端自由支承的梁上沿長度平均分布時(shí) 5384?c ，而在同樣受載情況下，對兩端固定支架支承的梁 384?c ； P— 材料彈性力 由平衡條件得： 32)( LEIcyaym ?? ? （ ） 解得： 232??mLEIcamy?? （ ） 式中： a— 初撓度； Y— 附加撓度； ω— 傳動軸角速度 當(dāng) 23 ?mLEIc ?時(shí)，軸的撓度 y 趨于無窮大，即若軸以與此相應(yīng)的角速度 0h? 旋轉(zhuǎn)時(shí)必將折斷。這時(shí)： 300 602 mLc E In kh ?? ?? （ ） 對于直徑為 D 的實(shí)心軸，由力學(xué)得知 644DI ?? ， LDm ??42? （ ） 式中： ? — 傳動軸材料單位體積重量 由此，對于兩端自由支承（開式傳動軸），且載荷沿軸長平均分布的軸，其臨界轉(zhuǎn)速為： 280 LDn k ?? r/min （ ） 對于兩端有固定支承的軸（軸封閉于傳動軸套管中的閉式傳動軸），則： 8 280 LDn k ??r/min （ ） 對于大量采用的空心軸，若其剖面外徑 D，內(nèi)徑為 d，則： ))((64)(64 222244 dDdDdDI ????? ?? LdDm ?? )(4 22 ?? 于是兩端自由支承的軸： 22280 L dDn k ???r/min （ ） 對兩端固定支承的軸，則： 22280 L dDn k ???r/min （ ） 以上各式中 D、 d、 L 均用同樣的 長度單位（厘米）。對于絕大多數(shù)開式傳動軸，可按兩端自由支承的軸來計(jì)算，工作長度 L 可取兩萬向節(jié)中心間距離。如為閉式傳動軸，可按兩端固定支承的軸承計(jì)算，工作長度 L 可取兩軸承中心間距離。 從上面公式可以看出：當(dāng)傳動軸外徑相同時(shí)，空心軸的臨界轉(zhuǎn)速比實(shí)心的要高。這就是為什么傳動軸廣泛采用空心軸的原因之一。同時(shí)還可看出當(dāng) L 增加， 0kn 下降，為了提高 0kn 可縮短傳動軸長度，增大軸管內(nèi)外徑。所以當(dāng) 1500?L mm 時(shí)，常采用中間支承。當(dāng)傳動軸外徑相同時(shí)，空心軸的臨界轉(zhuǎn)速比實(shí)心的要高。為了提高 0kn 在制造方面采取的主要措施是；用質(zhì)量分面比較均勻的焊接鋼管代替無縫鋼管；作軸管的鋼板厚度一般取 ～ ；對每根傳動軸總成應(yīng)進(jìn)行動平衡檢驗(yàn)，保證不平衡度在規(guī)定范圍以內(nèi)，如果不合格應(yīng)進(jìn)行校正（貼焊平衡塊）并使偏心振擺也在公差以內(nèi)。在確定傳動軸截面尺寸時(shí)，一定要使傳動軸的實(shí)際最大轉(zhuǎn)速小于其臨界轉(zhuǎn)速。其安全系數(shù) k 應(yīng)在以下范圍內(nèi)。 9 ~m ax ?? nnk ko （ ） 式中： maxn — 為對應(yīng)于車輛最大行駛速度時(shí)，傳動軸的轉(zhuǎn)速 如果傳動軸的動平衡很好，而且花鍵連接制造精度很高，此時(shí)臨界轉(zhuǎn)速的安全系數(shù)，可取較小值。 當(dāng)傳動軸質(zhì)量不平衡或花鍵連接處磨損出間隙后，傳動軸就能在低于臨界轉(zhuǎn)速下發(fā)生破壞。表 為某載重汽車的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)， vn 表示傳動軸破壞轉(zhuǎn)速 [8]。 傳動軸總成應(yīng)進(jìn)行動平衡試驗(yàn)，其不平衡度為：對轎 車及輕型客、貨車， 3000~6000r/min時(shí)不大于 1~2Nmm；對 5t 以上的貨車，在 1000~4000r/min 時(shí)不大于 10Nmm。十字軸端面磨損會使其軸向間隙及竄動增大而影響動平衡，因此應(yīng)嚴(yán)格控制該間隙或采用彈性蓋板，有的可加裝端面滾針軸承，傳動軸總成的徑向全跳動動應(yīng)不大 ~。由公式 可以確定傳動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軸尺寸，則需在變速器和后驅(qū)動橋之間安置兩根萬向傳動軸，且在它們的聯(lián)接處（在前傳動軸后端）需設(shè)置固定在車架車身上的中間支承。在某些轎 車上，為了縮短傳動軸的長度而采用加長的變速器。 表 某載重汽車傳動軸的破壞轉(zhuǎn)速與行駛里程的關(guān)系 [8] 行駛里程（ km） 0 17000 100000 在重心平面上的振擺（ mm） 破壞轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速之比（ 0/ kv nn ） 傳動軸斷面尺寸的計(jì)算與校核 本設(shè)計(jì)傳動方式為開式、兩軸三萬向節(jié)帶中間支承形式。 解放牌CA1041K26L— Ⅱ 載貨汽車主要技參數(shù)見附錄。 由安全系數(shù)maxnnk ko? ，得計(jì)算臨界轉(zhuǎn) maxknnko ? ，取 k=，轉(zhuǎn)速 maxn 為對應(yīng)于車輛最大行駛速度時(shí)，傳動軸的轉(zhuǎn)速。 5maxmax ke inn ?? 10 式中： maxen — 發(fā)動機(jī)最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)速 3400max ?en r/min； 5ki — 變速器最高檔傳動比 ?ki ；則：2 5 3 4 0 05m a xm a x ????? ke inn r/min。 將 2533max ?n r/min 代入 maxknnko? 得： 7 9 92 5 3 a x ???? knn ko r/min 取 4000?kon r/min 選取主傳動軸進(jìn)行計(jì)算：電焊管參數(shù)應(yīng)按冶金部標(biāo)準(zhǔn) YB24263 選取。表 給出外徑 D=60~95mm 的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值。 表 60— 95mm 電焊鋼管 YB24263 （ mm） 外徑 鋼 管 厚 度 60 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 70 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 75 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 83 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 89 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 95 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 由于傳動軸為開式，兩端自由支承所以臨界轉(zhuǎn)速按公式 計(jì)算。設(shè)主傳動軸外徑為 2cD ，內(nèi)徑為 2cd ，傳動軸管厚度為 B。初選傳動軸管 外徑 752 ?cD mm，厚度?B mm，則 70575222 ????? BDd cc mm 將 4000?kon r/min，主傳動軸長度9702 ?cL mm， 752 ?cD mm， 702 ?cd mm代入 得： 11 12183970 2 2282 2280 ???????? L dDn k r/min 經(jīng)計(jì)算主傳動軸符合臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)要求。 在按臨界轉(zhuǎn) 速 0kn 初選軸管斷面尺寸以后，還需要進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度驗(yàn)算，由于傳動軸夾角 α 引起的附加扭矩和彎矩很小，所以為了計(jì)算簡單，將不考慮由于夾角 α 而引起的附加扭矩和彎矩，只按純扭矩計(jì)算其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。傳動軸的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 ? (MPa)可按下式計(jì)算： 經(jīng)計(jì)算主傳動軸軸管符合設(shè)計(jì)要求，能保證在各種工況下有效的傳遞轉(zhuǎn)矩。 由于中間傳動軸比主傳動軸短，所以主傳動軸軸管的外徑和管壁厚度同樣適用于中間傳動軸。 主傳動軸滑動花鍵的設(shè) 計(jì) 汽車行駛過程中，變速器與驅(qū)動橋的相對位置經(jīng)常變化。為避免運(yùn)動干涉，傳動軸中設(shè)有由滑動叉和矩形或漸開線花鍵軸組成的滑動花鍵來以實(shí)現(xiàn)傳動軸長度的變化?；瑒踊ㄦI有矩形花鍵和漸開