【文章內(nèi)容簡介】 3。 46 附錄 B 外文文獻(xiàn)翻譯 49 1 第 1 章 緒 論 概述 萬向節(jié)傳動用于在不同軸心的兩軸間甚至在工作過程中相對位置不斷變化的兩軸間傳遞動力。例如，在某些重型汽車和越野汽車上，根據(jù)總布置的要 求需將離合器與變速器、變速器與分動器之間拉開 一定距離時，考慮到在它們之間很難保證軸與軸能同心以及安裝基體 即 車架也可能發(fā)生變形，因此在這些總成之間就應(yīng)采用萬向節(jié)傳動。此時常采用普通十字軸萬向節(jié)，也有采用撓性萬向節(jié)的，其工作夾角一般不大于176。176。5~3 。前置發(fā)動機(jī)后輪驅(qū)動的汽車在行駛過程中，由于懸架的不斷變形，變速器與驅(qū)動橋的相對位置 (高度和距離 )也在不斷變化，因此它們之間需要用可伸縮的萬向傳動軸聯(lián)接。這時當(dāng)聯(lián)接的距離較近時，常采用兩個萬向節(jié)和一根可伸縮的傳動軸；當(dāng)距離較遠(yuǎn)而使傳 動軸的長度超過 時，常將傳動軸分成兩根或三根，用三個或四個萬向節(jié)，且后面一根傳動軸可伸縮，中間傳動軸應(yīng)有支承，萬向節(jié)所聯(lián)的兩軸之間的夾角，對一般載貨汽車不應(yīng)超過 176。176。20~15 ，對于短軸距的 44 越野汽車，最大可達(dá) 176。30 。對于又要轉(zhuǎn)向又要驅(qū)動的轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，左、右驅(qū)動車輪需要隨汽車行駛的軌跡而改變方向，這時多采用球籠式或球叉式等速萬向節(jié)傳動，其最大夾角即車輪的最大轉(zhuǎn)角可達(dá) 176。176。42~32 。萬向節(jié)傳動還用于帶有擺動半軸的驅(qū)動橋、轉(zhuǎn)向軸傳動機(jī)構(gòu)及動力輸出裝置等。 萬向節(jié)傳動應(yīng)適應(yīng)所聯(lián)兩軸的夾角及相對位置在一定范圍內(nèi)的不斷變化且能可靠而穩(wěn)定地傳遞動力，保證所聯(lián)兩軸能等速旋轉(zhuǎn)，且由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動及噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi)，在使用車速范圍內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。此外，萬向節(jié)傳動還要求傳動效率高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易 [8]。 本課題使用 CAD、 Pro/E、 ANSYS 技術(shù)對萬向傳動裝置進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)了設(shè)計與制造的一體化，具有明顯的優(yōu)越性。在 縮短了設(shè)計周期的同時，實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，系列化，提高了加工效率及加工質(zhì)量，有利于提高企業(yè)自身應(yīng)變能力和市場競爭力，給企業(yè)帶來綜合效率。通過對 HGC1050 萬向傳動裝置的設(shè)計，能夠使我熟練地掌握 CAD、 Pro/E、 ANSYS 在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用，鍛煉自己分析問題解決問題的能力。解放汽車萬向傳動裝置正廣泛應(yīng)用于各種車輛上，使汽車傳動性能顯著提高，因此，對此課題的研究具有十分重要的意義。 2 汽車傳動軸的國內(nèi)外 研究 現(xiàn)狀 萬向傳動軸在汽車上的應(yīng)用比較廣泛。發(fā)動機(jī)前置后輪或全輪驅(qū)動汽車行駛時，由于懸架不斷變形，變 速器或分動器的輸出軸與驅(qū)動橋輸入軸軸線之間的相對位置經(jīng)常變化，因而普遍采用可伸縮的十字軸萬向傳動軸；某些汽車根據(jù)總布置要求需要將離合器與變速器、變速器與分動器拉開一段距離，顧及到它們之間很難保證軸與軸同心及車架的變形，所以常采用十字軸萬向傳動軸或撓性萬向傳動軸；對于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，左、右驅(qū)動輪需要隨汽車行駛軌跡變化而改變方向，多采用等速萬向傳動軸。依據(jù)在扭轉(zhuǎn)方向上是否有明顯的彈性，萬向節(jié)分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié)。剛性萬向節(jié)又分為不等速萬向節(jié)（十字軸式）、準(zhǔn)等速萬向節(jié)（雙聯(lián)式、凸塊式、三銷式、球面滾輪式）和等速 萬向節(jié)（球叉式、球籠式）。其中十字軸式萬向節(jié)是目前在汽車上應(yīng)用最廣泛的；雙聯(lián)式萬向節(jié)在越野車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋應(yīng)用增多；球籠式萬向節(jié)在轎車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋得到廣泛應(yīng)用。剛性萬向節(jié)是靠零件的鉸接式連接傳遞動力；撓性萬向節(jié)是靠彈性零件傳遞動了的，具有緩沖減振作用。單十字軸萬向節(jié)傳動的不等速，使從動軸及其相連的部件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，影響部件壽命，所以常采用雙十字軸萬向節(jié)來實現(xiàn)等速傳動。等速萬向節(jié)是從結(jié)構(gòu)上保證在其工作中，其傳力點總位于兩軸交角的平分面上；這也是以后的發(fā)展方向。這次課題設(shè)計中選的是目前汽車上應(yīng)用廣泛的十字軸萬向節(jié)。 傳動軸高速轉(zhuǎn)動時，在離心力的作用下長生劇烈振動；所以，傳動軸與萬向節(jié)裝配后，必須滿足動平衡要求。傳動軸過長時，自振頻率較低，易產(chǎn)生共振；通常將傳動軸分成兩段并加中間支承。蜂窩軟墊式中間支承應(yīng)用較廣泛。有的汽車也采用擺動式中間支承。 有限元方法在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用非常廣泛，主要在汽車上有以下幾種應(yīng)用： （ 1） 結(jié)構(gòu)靜力分析 這是在車輛及其發(fā)動機(jī)的各種零部件設(shè)計中最常見的問題，也是應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域，即分析計算結(jié)構(gòu)與時間無關(guān)的應(yīng)力分布與變形情況。如齒輪輪齒、鋼板彈簧、車橋、飛輪、傳動軸的靜力分析。 （ 2） 結(jié)構(gòu)動 力學(xué) 分析 一是求解結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)本身的動態(tài)特性，如固有頻率、振型等，這對分析與解決振動問題是十分重要的；二是強(qiáng)迫響應(yīng)分析，即結(jié)構(gòu)在動載的作用下的響應(yīng)，這較靜力分析更接近于車輛及其發(fā)動機(jī)中的許多零部件的實際工作情況，但一般計算量也將增加許多倍。隨著對環(huán)境問題的益重視，在車輛及發(fā)動機(jī)的設(shè)計中已普遍采用各種分析工具，采取各種有效措施，來改善和減少車輛的振動和噪聲。例如車輛動力裝置的動態(tài)性分析等。 （ 3） 溫度場分析 分析結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的分布情況以及熱應(yīng)力和熱變形的情況，包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的問題，例如可應(yīng)用于發(fā)動機(jī)中的活塞、氣 缸蓋等燃燒室附近的零部件。 3 在進(jìn)行這類零部件的強(qiáng)度剛度分析計算時，不僅要考慮機(jī)械負(fù)荷而且還要同時考慮熱負(fù)荷。 （ 4） 流場分析 是有限元方法在流體力學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用。一般流場分析是非線性問題，較為復(fù)雜。解決流體力學(xué)中的問題應(yīng)用較多的是有限差分法與可以認(rèn)為是介于有限差分法和有限元方法之間的有限容積法。這一類問題的應(yīng)用實例有車輛外形對行駛阻力的影響的分析、對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的分析等。 對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)進(jìn)行分析與優(yōu)化，可在產(chǎn)品設(shè)計初期對其剛度和強(qiáng)度有充分的認(rèn)識，使產(chǎn)品在設(shè)計過程就可保證使用要求，縮短設(shè) 計試驗周期，節(jié)省試驗和生產(chǎn)費(fèi)用。它在汽車產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用使得汽車在輕量化、舒適性、經(jīng)濟(jì)性與操縱穩(wěn)定性等方面得到改善及提高。 研究汽車萬向傳動軸的目的和意義 研究汽車萬向傳動軸的目的 中國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，車型的多樣化、個性化已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。我國汽車業(yè)的高速發(fā)展，帶動我國汽車傳動軸需求持續(xù)大幅增長。汽車傳動軸市場潛在需求與潛在機(jī)會，整個產(chǎn)業(yè)規(guī)模具有非常大的擴(kuò)展空間，單個企業(yè)規(guī)模也會越來越大。在這樣的一個背景下，中國汽車傳動軸發(fā)展前景一片光明。 萬向節(jié)傳動應(yīng)適應(yīng)所聯(lián)兩軸的夾角及相對位置在一定范 圍內(nèi)的不斷變化且能可靠而穩(wěn)定地傳遞動力，保證所聯(lián)兩軸能等速旋轉(zhuǎn)，且由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動及噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi)，在使用車速范圍內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。此外，萬向節(jié)傳動還要求傳動效率高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易。而傳動軸及萬向節(jié)的設(shè)計裝配不良將產(chǎn)生振動和噪聲，因此該總成設(shè)計是汽車設(shè)計中重要的環(huán)節(jié)之一。本題是依據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)車型的萬向傳動裝置作為設(shè)計原型，在給定變速器輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及發(fā)動機(jī)和主減速器安裝位置等條件下，學(xué)生獨立設(shè)計出符合要求的萬向傳動裝置，著重設(shè)計計算萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù) 及對其進(jìn)行了校核計算。在對各種結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了分析計算后，繪制出該總成裝配圖及主要零件的零件圖。 研究汽車傳動軸的意義 本課題使用 CAD、 Pro/E、 ANSYS 技術(shù)對萬向傳動裝置進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)了設(shè)計與制造的一體化，具有明顯的優(yōu)越性。在縮短了設(shè)計周期的同時，實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，通用化，系列化，提高了加工效率及加工質(zhì)量，有利于提高企業(yè)自身應(yīng)變能力和市場競爭力，給企業(yè)帶來綜合效率。通過 HGC1050 萬向傳動裝置的設(shè)計，能夠使我熟練地掌握 CAD、Pro/E、 ANSYS 在生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用，鍛煉自己分析問題解決問題的能 力。 汽車萬向傳 4 動裝置正廣泛應(yīng)用于各種車輛上，使汽車傳動性能顯著提高，因此，對此課題的研究具有十分重要的意義。 萬向傳動軸的結(jié)構(gòu)特點及基本要求 萬向傳動軸一般是由萬向節(jié)、傳動軸和中間支撐組成。主要用于工作過程中相對位置不斷改變的兩根軸間傳遞轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。伸縮套能自動調(diào)節(jié)變速器與驅(qū)動橋之間距離的變化。萬向節(jié)是保證變速器輸出軸與驅(qū)動橋輸入軸兩軸線夾角的變化，并實現(xiàn)兩軸的等角速傳動。一般萬向節(jié)由十字軸、十字軸承、凸緣叉及軸向定位件和橡膠密封件等組成。 傳動軸是一個高轉(zhuǎn)速、少支承的旋轉(zhuǎn)體，因斷改變的兩根軸間 傳遞轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。重型載貨汽車根據(jù)驅(qū)動形式的不同選擇不同型式的傳動軸。一般來講 4 2 驅(qū)動形式的汽車僅有一根主傳動軸。 6 4 驅(qū)動形式的汽車有中間傳動軸、主傳動軸和中、后橋傳動軸。 6 6 驅(qū)動形式的汽車不僅有中間傳動軸、主傳動軸和中、后橋傳動軸，而且還有前橋驅(qū)動傳動軸。在長軸距車輛的中間傳動軸一般設(shè)有傳動軸中間 支承．它是由支承架、軸承和橡膠支承組成。 傳動軸是由軸管、伸縮套和萬向此它的動平衡是至關(guān)重要的。一般傳動軸在出廠前都要進(jìn)行動平衡試驗，并在平衡機(jī)上進(jìn)行了調(diào)整。因 此，一組傳動軸是配套出廠的，在使用中就應(yīng)特別 注意。其基本結(jié)構(gòu)如圖 所示 圖 萬向傳動裝置的工作原理及功用 圖 變速器與驅(qū)動橋之間的萬向傳動裝置 5 基本要求： ，能可靠而穩(wěn)定地傳遞動力。 ，所連接兩軸盡可能等速運(yùn)轉(zhuǎn)。 、振動和噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi)，在使用車速范圍內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。 ，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易等。 萬向傳動裝置有極其廣泛的應(yīng)用，發(fā)動機(jī)前置后輪或全輪驅(qū)動汽車行駛時，由 于懸架不斷變形，變速器或分動器的輸出軸與驅(qū)動橋輸入軸軸線之間的相對位置經(jīng)常變化，因而普遍采用可伸縮的十字軸萬向傳動軸；某些汽車根據(jù)總布置要求需將離合器與變速器、變速器與分動器之間拉開一端距離，考慮到它們之間很難保證軸與軸同心及車架的變形，所以常采用十字軸萬向傳動軸或撓性萬向傳動軸；對于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋，左、右驅(qū)動輪 需要隨汽車行駛軌跡變化而改變方向，這時多采用等速萬向傳動軸。如圖 所示 圖 萬向節(jié)在汽車上的各種應(yīng)用 本 課題 研究的主要內(nèi)容 依據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)車型的萬向傳動裝置作為設(shè)計原型， 在給定變速器輸出 6 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及發(fā)動機(jī)和主減速器安裝位置等條件下，獨立設(shè)計出符合要求的萬向傳動裝置，著重設(shè)計計算萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及對其進(jìn)行了校核計算。對汽車萬向傳動軸的運(yùn)動特性，技術(shù)難題，制造工藝，使用壽命影響因素，失效形式，進(jìn)行深入系統(tǒng)的分析。在設(shè)計過程中避免振動，傳動動軸斷裂，十字軸折斷，及滾針軸承過早損壞等問題。運(yùn)用傳統(tǒng)設(shè)計方法完成對傳動軸的計算校核，傳動軸滑動花鍵的設(shè)計計算。 萬向節(jié)叉及十字軸的計算校核。利用相關(guān)書籍資料完成對十字軸 的設(shè)計及校核，傳動軸滑動花鍵和萬向節(jié)的潤滑方案的選擇與設(shè)計。 7 第 2 章 汽車傳動軸的結(jié)構(gòu) 方案分析與選擇 汽車傳動軸的結(jié)構(gòu)方案概述 萬向節(jié)與傳動軸的結(jié)構(gòu)型式 汽車后驅(qū)動橋的萬向節(jié)傳動裝置通常稱為汽車的萬向傳動軸或簡稱為傳動軸，它由萬向節(jié)、軸管及其伸縮花鍵等組成。對于長軸距汽車的分段傳動軸，還需有中間支承 。 如 圖 傳動軸管、伸縮花鍵及中間支承 結(jié)構(gòu)型式 傳動軸管由壁厚均勻易平衡、壁薄 (～ )、管徑較大、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度高、彎曲剛度大、適于高速旋轉(zhuǎn)的低碳鋼板卷制的電焊鋼管制成 如圖 所示 。 圖 汽車傳動軸的結(jié)構(gòu)圖 (a)帶有中間支承并有兩根軸管的分段傳動軸 ； (b)具有一根軸管的傳動軸 1— 萬向節(jié)； 2— 傳動軸管； 3— 平衡片； 4— 伸縮軸管； 5— 防塵罩； 6— 十字軸； 7— 中間支承 8 伸縮花鍵具有矩形或漸開線齒形，用于補(bǔ)償由于汽車運(yùn)動時傳動軸兩端萬向節(jié)之間的長度變化。當(dāng)承受轉(zhuǎn)矩的花鍵在伸縮時，產(chǎn)生軸向摩擦力為 aF 。 RTfF ja= () 式中 ： jT — 傳動軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩； R — 花鍵齒側(cè)工作表面的中徑； f — 摩擦系數(shù)。 由于花鍵齒側(cè)工作表面面積較小，在大的軸向摩擦力作用下將加速伸縮花鍵的磨損，引起不平衡及振動。應(yīng)提高鍵齒表面硬度及光 潔度，進(jìn)行磷化處理、噴涂尼龍，改善潤滑?？蓽p小摩擦阻力及磨損。也有用滾珠或滾柱的滾動摩擦代替花鍵齒間的滑動摩擦的結(jié)構(gòu) 如 圖 。 圖 帶有滾柱的汽車傳動軸 1— 滾柱； 2— 帶有滾柱內(nèi)滾道的傳動軸管； 3— 帶有滾柱外滾道的軸管 花鍵應(yīng)有可靠的潤滑及防塵措施，間隙不宜 過大，以免引起傳動軸振動。內(nèi)、外花鍵應(yīng)對中，為減小鍵齒摩擦表面間 的壓力及磨損應(yīng)使鍵齒長 jl 與其最大直徑 jd 之比不小于 2?；ㄦI齒與鍵槽應(yīng)按對應(yīng)標(biāo)記裝配 ，以免破壞傳動軸總成的動平衡。動平衡的不平衡度由點焊在軸管外表面上的平衡片補(bǔ)償。 裝車時傳動軸的仲縮花鍵一端不應(yīng)靠近后驅(qū)動橋，而應(yīng)靠近變速器或中間 支承，以減小其軸向摩擦力及磨損。中間支承用于長軸距汽車的分段傳動軸，以提高傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速，避免共 振，減小噪 聲。它安裝在車架橫梁或車身底架上，應(yīng)能補(bǔ)償傳動軸的安裝誤差及適應(yīng)行駛中由于彈性懸置的發(fā)動機(jī)的竄動和車架變形引起的位移，而其軸承應(yīng)不受或少受由此產(chǎn)生的附加載荷。以前中間支承多采用自位軸承，目前則廣泛采用坐于橡膠彈性元件上的單列球軸承 如 圖 ，圖 。橡膠彈性 元件能吸收傳動軸的振動，降低噪聲，承受徑向力，但不能承受軸向力。設(shè)計時應(yīng)合理選擇支承剛度，避免在傳動軸常用轉(zhuǎn)速內(nèi)產(chǎn)生共振。擺臂式中間支承的擺臂用于適應(yīng)中間傳動軸軸線在縱向平面內(nèi)的位置變化 如圖 。 9 6 6 越野汽車傳動軸的中間 支承常安裝在中驅(qū)動橋殼上 ,多采用兩個圓錐滾子軸承，軸承座應(yīng)牢固地固定在中橋殼上 如圖 所示 。 圖 汽車傳動軸的中間支承 (a)傳動軸及其中間支承； (b)(e)中間 支承方案 1 一撓性萬向節(jié)； 4 一前、后傳動軸； 3 一彈性中間支承； 5 一平衡片； 6 一橡膠套； 7 一橫梁 圖 擺臂式中間支承 10 圈 越野汽車傳動軸的中間支承 萬向節(jié)