某商用車萬向傳動裝置的設(shè)計

1、第1章 萬向傳動軸的概述11 萬向傳動軸的介紹實(shí)踐證明，萬向節(jié)傳動所連接的兩軸的位置和所傳動的動力大小不同萬向節(jié)傳動將有不同的形式。同時因?yàn)樯a(chǎn)和使用條件不一樣，往往所選擇的結(jié)構(gòu)形式也是不一樣的，故我們在進(jìn)行萬向節(jié)傳動設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)整車設(shè)計和生產(chǎn)部門的具體情況，設(shè)計制造出來的萬向節(jié)傳動裝置應(yīng)能滿足如下要求：1保證所連接的兩軸相對位置在預(yù)計范圍內(nèi)變動時能可靠的傳動扭矩。2保證所連接的兩軸能夠均勻的旋轉(zhuǎn)，而且由于兩軸之間存在夾角而產(chǎn)生的慣性力矩所引起的載荷應(yīng)降低到許可范圍內(nèi)。3保證傳動效率高，壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造維修方便。12 萬向傳動軸的概述隨著汽車工業(yè)的不斷壯大和發(fā)展，人民生活水平的提高，汽

2、車的設(shè)計思想也提高了。汽車上的萬向傳動裝置常由萬向節(jié)和傳動軸組成，主要用來在工作過程中相對位置不斷改變的兩根軸間傳遞動力。在發(fā)動機(jī)前置后輪驅(qū)動的汽車上，由于工作時懸架變形，驅(qū)動橋主減速器輸入軸與變速器輸出軸間經(jīng)常運(yùn)動，普通采用萬向節(jié)傳動。當(dāng)驅(qū)動橋與變速器的距離不大時，經(jīng)常采用兩個萬向節(jié)和一個傳動軸的結(jié)構(gòu)。萬向節(jié)按扭矩方向是否明顯的彈性變形，可分為剛性萬向節(jié)和柔性萬向節(jié)兩類。剛性萬向節(jié)又分為不等速萬向節(jié)，等速萬向節(jié)和等速萬向節(jié)。萬向節(jié)傳動軸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力。例如，在某些重型汽車上，按總布置要求將離合與變速器、變速器與分動器之間拉開一定距離時，考

3、慮到在它們之間很難軸與軸同心，以及安裝基體的車架也可以發(fā)生變形，故在這些總成間就應(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35。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。在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，常采用兩個十字軸萬向節(jié)和一根可伸縮的傳動軸；當(dāng)距離較遠(yuǎn)且傳動軸的長度超過15m時，則應(yīng)將傳動軸分成兩根或三根，用3個或4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。對于后橋傳動軸萬向節(jié)所聯(lián)的兩軸之間的交角，一般貨車不應(yīng)超過1520,短軸距的4

4、4越野汽車最大轉(zhuǎn)角可達(dá)30。對于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋的擺動半軸，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)3242。萬向節(jié)傳動還用于帶有擺動半軸的中、后驅(qū)動橋、轉(zhuǎn)向系轉(zhuǎn)向軸傳動機(jī)構(gòu)及變速器的動力輸出裝置等。萬向傳動軸應(yīng)適應(yīng)所聯(lián)兩軸夾角及相對位置在一定范圍內(nèi)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)，并且由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動及噪聲等應(yīng)在允許范圍內(nèi)，在使用車速范圍內(nèi)不應(yīng)有共振現(xiàn)象。還要求轉(zhuǎn)動效率高、使用壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便及維修容易等。第2章 傳動軸的設(shè)計21 萬向傳動軸的結(jié)構(gòu)形式的確定汽車后橋驅(qū)動的萬向傳動軸簡稱為傳動軸，它由萬向節(jié)，軸管以及其伸

5、縮花鍵組成。對于長軸距汽車的分段傳動軸，還需要由中間支撐也有用滾動珠或滾柱的滾動摩擦代替伸縮花鍵齒間的滑動摩擦的結(jié)構(gòu)。1傳動軸管由低碳鋼板卷制壁厚均勻，壁薄（1.53.5），管徑較大，質(zhì)量平衡，扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度高，彎曲剛度大，適用于高速旋轉(zhuǎn)的電焊鋼管制成。2伸縮花鍵具有矩形或漸開線齒形，用于補(bǔ)償由于汽車行駛時傳動軸兩端萬向節(jié)之間的長度變化。為減小阻力及磨損，對花鍵齒的磷化處理或噴涂尼龍，也有用滾珠或滾柱在內(nèi)，外軸管間的滾道中作軸向循環(huán)實(shí)現(xiàn)軸管伸縮，以代替伸縮花鍵的結(jié)構(gòu)。對這兩軸結(jié)構(gòu)的伸縮部位都應(yīng)有潤滑和防塵措施，間隙不宜過大以免引起傳動軸的振動，花鍵齒與鍵槽以及滾珠或滾柱的內(nèi)管道應(yīng)按對應(yīng)標(biāo)記裝配，以保

6、持傳動軸總成的動平衡。動平衡的不平衡由點(diǎn)焊在軸外的平衡片補(bǔ)償決定。當(dāng)承受轉(zhuǎn)矩的花鍵在伸縮時，產(chǎn)生的軸向摩擦力為:=(fTi)/r (2.1)式中：Ti傳動軸傳遞的轉(zhuǎn)矩(); r花鍵齒的側(cè)表面的單徑(mm)； f摩擦系數(shù)。為減少鍵齒摩擦表面間的壓力及磨損，應(yīng)使鍵齒長l與其最大直徑d之比不小于2。裝車時傳動軸的伸縮花鍵一段應(yīng)靠近變速器或中間支撐而不應(yīng)該靠近驅(qū)動橋。3中間支撐用于長軸距的分段傳動軸，以提高傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速，避免共振及減小噪聲。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)的竄動和車架的變形引起的移動，而其軸承應(yīng)不受或少承受由此產(chǎn)生的附加載荷以及

7、中間支撐多采用自位軸承，目前則廣泛采用座于相交彈性元件上的單列球軸承。橡膠彈性元件能吸收傳動軸的振動，降低噪聲及承受徑向力但不能承受軸向力，因此設(shè)計時應(yīng)合理選擇支撐剛度，避免在傳動軸常用轉(zhuǎn)速內(nèi)產(chǎn)生共振。擺臂式中間支撐的擺臂用于適應(yīng)中間傳動軸軸線在縱向平面內(nèi)的位置變化。66越野汽車在傳動軸的中間支撐常安裝在中驅(qū)動橋殼上，多用于兩個圓錐滾子軸承，軸承座應(yīng)牢固的固定在中橋殼上。由上述內(nèi)容可確定本設(shè)計采用開放式萬向傳動，直接用兩個簡單的十字軸和一根傳動軸普通十字軸萬向節(jié)，花鍵連接，無中間支撐。2.2 傳動軸的參數(shù)確定汽車傳動軸的基本參數(shù)包括傳動軸長度及其變動范圍，主動軸和從動軸之間的夾角，傳動軸的臨界

8、轉(zhuǎn)速及滑動花鍵的尺寸。在確定這些參數(shù)時應(yīng)保證傳動軸的任何條件下，工作可靠，壽命長。一 傳動軸的長度及夾角傳動軸的長度及夾角以及它們的變化范圍均由汽車總布置設(shè)計決定。設(shè)計時應(yīng)保證足夠的傳動軸長度變化量。即應(yīng)保證在傳動軸長度最大值時，花鍵套與軸有足夠的配合長度，而在長度達(dá)最小時不頂死。在確定傳動軸夾角時，必須考慮到當(dāng)懸架上下變形到極限位置時的情況，夾角的大小直接影響到萬向十字軸和它的軸承使用壽命，萬向節(jié)傳動裝置的效率以及傳動軸旋轉(zhuǎn)的不均勻性。傳動軸的長度和夾角以及它們的變化范圍，可用做傳動軸跳動圖的方法來確定。為此必須求出車輪上下跳動到極限位置時，傳動軸后萬向節(jié)中心的運(yùn)動軌跡和極限位置。由于懸掛導(dǎo)

9、向機(jī)構(gòu)的形式和運(yùn)動規(guī)律不同，此圖的做法也不同。當(dāng)采用鋼板彈簧懸掛時，這個圖的做法如圖2.1。在做此圖前，先要已知彈簧的一些參數(shù)，如靜撓度fc，動撓度fg及彈簧長度，并畫出汽車滿載時鋼板彈簧，橋殼及傳動軸的位置。圖2.1中O為前萬向節(jié)中心，B為后萬向節(jié)中心，O為鋼板彈簧固定卷耳中心，A為鋼板彈簧第一片的中心。對一端卷兒固定式的對稱（或不對稱程度小于10）的鋼板彈簧可假定：橋殼與彈簧的中央夾緊部分在車輪跳動時是平行移動。這樣，后萬向節(jié)中心B與鋼板彈簧中心A的連線AB也必然平行本身移動，這就表明直線AB的運(yùn)動情況與平行四邊形機(jī)構(gòu)上的一條邊的運(yùn)動情況相同，因此找出A點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，即可求出B的軌跡。而A

10、點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，可近似地認(rèn)為是一個弧，其圓心D地縱向位置距O點(diǎn)J/4。J為卷耳中心至前騎馬螺栓中心的距離，D點(diǎn)在高度方向距O點(diǎn)e/2.e為卷耳中心到第一片中性面的距離。以DA為半徑作圓弧，即得A點(diǎn)得運(yùn)動軌跡。按fc和車fg輪的反跳值（一般取0.1fc），在橋垂直線上截取相應(yīng)的線段，作車架平行線于A點(diǎn)圓弧相割，即得車輪跳動時鋼板第一片中點(diǎn)A的壓緊，自由反跳工況的位置。過D點(diǎn)AB平行線，取DC=BA得C點(diǎn)，以C為圓心，BC為半徑作圓弧得B點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，過B點(diǎn)作車架垂線，分別取BE等于動撓度fg，BF等于靜撓度fc，BF等于反跳距離0.1fc。過E,F,G作車架平行線與C點(diǎn)為圓心，BC為半徑作出的圓弧

11、相交得H,J,I,即得懸架壓緊，自由，反跳和滿載時后萬向節(jié)中心B點(diǎn)的位置。連接OH,OJ,OI得相應(yīng)工況下傳動軸的位置。傳動軸最大長度為OB；其最短長度為OI和OH較短的一個。BOH和BOI即為傳動軸角度的總變化量。此角度最好不超過40（每邊不超過20）圖2.1 萬向傳動裝置總布置圖各種轉(zhuǎn)速下推薦采用最大夾角值（如表2.1）：表2.1 傳動軸夾角傳動軸轉(zhuǎn)速(r/min)6000450035003000夾角()3456選取夾角為4由已知參數(shù)以及參考同級樣車可得 ：傳動軸管長1250二 傳動軸臨界轉(zhuǎn)速和橫斷面尺寸 在一定長度時，傳動軸的橫截面尺寸，必須保證傳動軸有足夠的強(qiáng)度和足夠大的臨界轉(zhuǎn)速，以便

12、在傳遞最大扭矩或以相當(dāng)于最高車速的最大轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)動軸能夠正常工作。傳動軸軸管尺寸可由下圖和下表選，然后驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速和強(qiáng)度。所謂臨界轉(zhuǎn)速，就是當(dāng)傳動軸的工作轉(zhuǎn)速接近于其彎曲自然振動頻率時，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以致振幅急劇增加而引起轉(zhuǎn)動軸的工作轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速，其降低的百分比與傳動軸的長度，軸間夾角及轉(zhuǎn)速由關(guān)。在低速正常使用的條件時，則可降低少些，而高速大夾角時則應(yīng)降低多些。對于傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速可按照下面的分析求得。假定傳動軸沿全長端面尺寸相同。兩端自由支撐，軸的的兩端不受彎矩，兩軸的兩端的曲率為零。即。根據(jù)圖2.2中所取坐標(biāo)，當(dāng)Z=0和t=L時，y=0。圖2.2 傳動軸受力圖當(dāng)傳動軸旋轉(zhuǎn)時，因

13、離心力等原因產(chǎn)生了軸的彈性變形，其軸的彈性曲線方程為：由此參考同級樣車選擇：軸外徑D=70，壁厚3.5。表2.2 6095點(diǎn)焊鋼管 壁厚(mm)外徑(mm)6015202530356351520253035701520253035761520253035831520253035891520253035951520253035式中：軸的最大撓度(mm)。發(fā)生在x=L/2時； L兩支點(diǎn)處的距離(mm)；軸離開平衡位置的最大彈性變形為： (2.2)式中：M軸變形所受的彎矩()；E彈性變形，對鋼為2.110000；J傳動軸斷面抗彎慣性矩()。因曲率為： (2.3)設(shè)： （2.4）由(2.2)的二階導(dǎo)數(shù)

14、代入得： （2.5）軸運(yùn)動到平衡位置得動能為： （2.6）式中：q軸的單位長度量(mm)； 軸上任意一點(diǎn)過平衡位置的速度(m/s)wy, w為軸的彎曲自然振動頻率。它等于傳動軸折斷時得角速度。利用（2.5）代入（2.6）,則得： （2.7）根據(jù)能量守恒定律得： （2.8）所以： （2.9）式中：g重力加速度(N/kg)；故臨界轉(zhuǎn)速： （2.10）對于內(nèi)外半徑為d, D的空心軸，其J為： （2.11）單位長度質(zhì)量： （2.12）對于鋼其比重r7.58Kg/,將q,J,g等數(shù)代入（2.10），即得： (2.13)式中：L兩萬向節(jié)中心之間的距離(mm)； D傳動軸管外徑(mm)； d傳動軸管內(nèi)徑(m

15、m)。上面已確定L1250，D70，d7023.563。故：(最高擋轉(zhuǎn)速：)所以符合。應(yīng)當(dāng)指出，上述計算臨界轉(zhuǎn)速的公式是在軸兩端支撐為剛性的假設(shè)條件下推出來的。實(shí)際上由于轉(zhuǎn)動軸一端接彈性懸置在車架上的動力總成，另一端接彈性懸掛在車架上的驅(qū)動橋。所以傳動軸兩端并非剛性，而且有一定的彈性，因此計算臨界轉(zhuǎn)速的公式是近似的。所以，在確定軸管尺寸時，進(jìn)行扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計算，可按下式進(jìn)行：除了滿足臨界轉(zhuǎn)速的要求外，還需要對所選的軸管進(jìn)行校核。 （2.14）式中：最大工作扭矩()； D，d傳動軸管外，內(nèi)徑(mm)。傳動軸多為15號或20號低碳鋼板卷制后焊接。按上式計算應(yīng)力不應(yīng)大于12.5。由已知可得：,D70，d

16、63代入得：所以符合。2.3 傳動軸的強(qiáng)度校核傳動軸所能傳遞的扭矩除與傳動軸尺寸有關(guān)外，還與萬向節(jié)夾角與轉(zhuǎn)速等有關(guān)。強(qiáng)度計算按最大工作扭矩進(jìn)行，并取安全系數(shù)2.53。最大工作扭矩，指傳動軸工作時所傳遞的最大扭矩。在汽車使用中，始終以最大工作扭矩工作的情況時沒有的。如果按最大扭矩計算壽命則必須使用尺寸過大而不經(jīng)濟(jì)。此外，汽車傳動軸的轉(zhuǎn)速也比較高，因此使用壽命計算比強(qiáng)度計算更為重要。計算滾針軸承平均壽命時的扭矩成為平均扭矩。萬向節(jié)傳動裝置因布置的位置不同，設(shè)計載荷的選取也是不一樣的。用于驅(qū)動橋傳動軸其傳遞的最大工作扭矩為： (2.15)式中：發(fā)動機(jī)的最大扭矩()； 變速器頭擋速比； 分動器低檔速比

17、（1）； N驅(qū)動橋數(shù)（個）（N1）。由已知：，5.568代入得：如果在傳動系中采用液力傳動，則考慮液力變矩器得變矩比。當(dāng)傳動系（在變速器和分動器后）裝有制動器時，則驅(qū)動橋傳動最大工作扭矩按車輪與地面附著扭矩計算，即最大制動力矩計算： （2.16）式中：驅(qū)動橋的滿載負(fù)荷(kg)；車輪與地面間的摩擦系數(shù)；車輪滾動半徑(mm)；主減速比。由已知：2520 kg,=0.8,=390,=6.17代入得： 傳動軸設(shè)計中的壽命問題，一般是指計算十字軸軸承壽命。由于汽車傳動軸承工作時所受載荷是變化的，在載荷的工況下僅工作一部分時間，而大部分時間是在不苛刻的工況下工作。因此對于十字軸軸承的壽命的驗(yàn)算，不應(yīng)依發(fā)動

18、機(jī)的最大扭矩作為計算載荷的依據(jù)。應(yīng)依靠大量的試驗(yàn)及統(tǒng)計，得出經(jīng)常使用得扭矩，作為驗(yàn)算用。目前國內(nèi)外常采用傳動軸平均使用扭矩作為計算傳動軸壽命得依據(jù)。國內(nèi)常用當(dāng)量扭矩作為壽命計算中的平均扭矩。當(dāng)量扭矩與發(fā)動機(jī)最大扭矩之比，成為扭矩利用系數(shù)，它直接取決于使用條件并下式表示： （2.17）式中：當(dāng)量扭矩()； 發(fā)動機(jī)最大扭矩()； 扭矩利用系數(shù)。由已知得：157 代入得：扭矩利用系數(shù)取決于汽車總質(zhì)量與發(fā)動機(jī)最大扭矩之比。當(dāng)大于3.3時，平均扭矩可用發(fā)動機(jī)的最大扭矩來進(jìn)行計算。由于扭矩利用系數(shù)所得之當(dāng)量扭矩，其標(biāo)準(zhǔn)工作條件為轉(zhuǎn)動軸夾角3，壽命為5000h，且不存在動載荷。當(dāng)實(shí)際工作條件不是標(biāo)準(zhǔn)工作條件

19、時，則當(dāng)量扭矩按下面的式子計算： （2.18）式中：動載荷系數(shù)； 1.5，用于缸數(shù)4的柴油汽車以及缸數(shù)3的汽油汽車； 1.25，用于缸數(shù)4的汽油汽車。 壽命系數(shù)；（如表2.3）表2.3 壽命參數(shù)壽命(h)5000750010000150002000011.121.261.441.58我們采用的標(biāo)準(zhǔn)是壽命為5000h。 角度系數(shù)；（如表2.4）表2.4 角度參數(shù)角度()336610101511.21.451.65本萬向節(jié)角度為4。采用的1.2。由上選取：1.25,=1,=1.2,=5.5, 157 代入得： 2.4 傳動軸花鍵的計算傳動軸花鍵連接套是為了在后橋跳動時補(bǔ)償傳動軸長度的變化而設(shè)置的。

20、花鍵軸頭應(yīng)壓入管口進(jìn)行焊接。傳動軸帶花鍵的一端，為靜止位置較高的一端。傳動軸花鍵的尺寸按下表推薦的數(shù)值和結(jié)構(gòu)設(shè)計初定后，結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)選取，最后進(jìn)行強(qiáng)度校核。目前國產(chǎn)汽車的傳動軸花鍵均為矩形。國外也有根據(jù)用戶要求使用漸開線花鍵的。1. 花鍵的齒側(cè)面壓力按下式計算： （2.19）表2.5 十字軸參數(shù)序 號()十字軸總程花鍵十字軸及軸承碗滾針D(mm)d(mm)h(mm)H(mm)(mm)L(mm)Z(個)1552514.860672.0142610-302642902817.676832.5142510-3228431353220.080892.5162816-35333.542003623.19

21、0982.5163216-38333.553004025.51081182.5183516-50435式中：L花鍵的有效工作長度(mm)； n花鍵的齒數(shù)（個）； D花鍵外徑(mm)； d花鍵內(nèi)徑(mm) K花鍵扭矩不均勻系數(shù)，K1.31.4； 花鍵軸承受的扭矩()。上式計算的擠壓應(yīng)力，在硬度Rc35時，不應(yīng)大于2.52.8,由上式可知：L90 mm，n=16,D=38 mm ,d33 mm ，K1.3，g=9.8 /kg代入得：所以符合。2. 花鍵上的平均壓力 （2.20）式中：傳動軸的平均計算扭矩（）；計算出的平均工作壓力應(yīng)在0.20.3由已知：157 代入得：所以符合。3. 花鍵的扭矩強(qiáng)度

22、通常以花鍵的內(nèi)徑作為計算花鍵軸扭矩應(yīng)力的根據(jù)，如下式： （2.21）式中：M花鍵傳遞的扭矩()； d花鍵軸的花鍵內(nèi)徑()?；ㄦI頭常采用40Cr鋼或40碳素鋼制造，并進(jìn)行氰化處理，表面硬度達(dá)到HRC3844，其計算扭矩應(yīng)力不應(yīng)大于30。由已知：M874.2 ，d33 代入得：所以符合。第3章 十字軸萬向節(jié)的設(shè)計3.1 十字軸萬向節(jié)主要尺寸參數(shù)的確定十字軸萬向節(jié)的尺寸主要取決于十字軸的尺寸（由萬向節(jié)運(yùn)動原理可知，當(dāng)十字軸兩軸運(yùn)動時的夾角時，誤差不大于1.96）。危險截面大都發(fā)生在軸徑根部。因此，通常都是計算軸徑根部的彎曲應(yīng)力和軸徑的平均單位壓力。軸徑的彎曲應(yīng)力按下式計算： （3.1）式中：彎曲應(yīng)力

23、()； 十字軸軸徑()； 十字軸油孔直徑()； t平均作用力作用到校核應(yīng)力處的距離()； p作用在十字軸軸徑上的力(N)。 （3.2）式中：最大軸距（）； r十字軸軸徑的中點(diǎn)至十字軸中心的距離（mm）。十字軸軸徑上的平均單位壓力，按下式計算： (3.3)式中：平均計算扭矩()； l滾針工作長度(mm)。上述計算應(yīng)力，對于表面經(jīng)過硬化處理的合金鋼，其硬度HRC大于58時，計算出的彎曲應(yīng)力和平均單位壓力分別不應(yīng)超過45和0.8。則按上面要求，查表2.5，d23.1, =2.5,l=16, =,r=z/2=32/2=16,tr16，157計算結(jié)果 所以符合。3.2 十字軸萬向節(jié)軸承的設(shè)計計算萬向節(jié)軸

24、承是由滾針，密封及軸承套組成。軸承以總成方式把萬向節(jié)叉連接起來，軸承套用鋼制造，其硬度應(yīng)大于HRC60。軸承應(yīng)具有易于裝于萬向節(jié)叉的外形。萬向節(jié)軸承常用的滾動體是滾針。當(dāng)軸承套的尺寸一定時，應(yīng)選用小直徑滾針配用較粗的軸徑，同時增加滾針的數(shù)目以降低滾針與軸徑間的接觸應(yīng)力，下表所列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了這一點(diǎn)。但滾針的直徑不得小于1.6，以免壓碎。理論上滾針越長，萬向節(jié)的承載能力越高，但滾針過長時其歪斜帶來的不良影響亦越大，故其長度不宜超過十字軸軸徑。滾針沿十字軸軸徑圓周布置時，必須保證一定的周向間隙，現(xiàn)分析如下：當(dāng)滾針沿圓周無間隙布置時，每個滾針在圓周上所占的角度如圖3.1所示，由此確定滾針數(shù)為：圖3

25、.1 滾針布置示意圖表3.1 滾針參數(shù)滾針直徑()軸徑d()滾針數(shù)Z(個)表面硬度(HRC)接觸應(yīng)力()最大壓印深度()2.524.63431.80.08833529626333.60.125式中：Z滾針數(shù)目（個）；此時滾針中心的最大分布直徑為： （3.4）式中：滾針直徑(mm)； 每個滾針?biāo)冀嵌鹊囊话耄ǎ?K系數(shù)，K1/； r滾針半徑(mm)。180/345.294K1/=10.84=10.842.5=27.1當(dāng)滾針間的距離為F時滾針中心分布直徑由增加到，如圖3.1： （3.5）d=因?yàn)?所以 式中：周向總間隙（）； d十字軸軸徑(mm)；所以符合。把值代入上式得：d 得 或f0.025

26、最小值 f最大值十字軸的滾針軸承在擺動的工況下工作，因此允許采用較小的徑向間隙，以便有數(shù)量上盡可能多的滾針同時參與工作，但其最小徑向間隙不應(yīng)小于0.005。總的周向間隙不應(yīng)大于0.5，以防止會歪斜。由上已知最?。鹤畲螅核苑稀Ｔ诔醪酱_定滾針軸承后，應(yīng)按作用在它上面的最大應(yīng)力來計算，該力應(yīng)小于軸承的許用應(yīng)力按下式計算： （3.6）式中：Z滾針數(shù)目(個)； l滾針的工作長度（mm）； 滾針軸承的轉(zhuǎn)速（r/min）。 （3.7）其中發(fā)動機(jī)最大扭矩時的轉(zhuǎn)速(r/min)；變速器頭擋速比；傳動軸最大工作角度()作用在滾針軸承上的最大壓力按下式計算： (3.8)式中：最大扭矩()； r十字軸軸徑中點(diǎn)至十

27、字軸中心的距離(mm)計算的p應(yīng)大于。滾針與十字軸接觸處的接觸應(yīng)力按下式計算： （3.9）式中：Q每個滾針?biāo)惺艿呢?fù)荷Q=4.6p/Zk（kg）; P滾針軸承上最大壓力(N)； d十字軸軸徑(mm)。其中：k表示軸承的特征系數(shù)，對于滾針軸承可取1按上式計算出對于表面經(jīng)過硬化處理的合金鋼，當(dāng)表面硬度大于HRC58時，其應(yīng)力值不應(yīng)超過300320。由已知：Z=34，l16，4,2800，5.568，r16，d23.1代入得：r/min N N所以符合。3.3 十字軸萬向節(jié)叉和凸緣螺栓的計算萬向節(jié)叉按傳遞最大扭矩時彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力來校核其強(qiáng)度。位于半徑R的力P將引起叉子耳部的彎曲和扭矩。力的大小按

28、下式計算： （3.10）式中：H十字軸端部之間的距離(mm)； 傳遞的最大扭矩()； l滾針的長度(mm)。由上面已知：H98，l16在叉子根部易斷裂面處的彎曲應(yīng)力和扭矩應(yīng)力由下式?jīng)Q定： （3.11） （3.12）抗彎斷面系數(shù)，抗扭斷面系數(shù)與斷面形狀有關(guān)；對于矩形斷面，抗彎斷面系數(shù)為： （3.13）對于橢圓形截面，抗彎截面系數(shù)為： （3.14）對于矩形斷面，抗彎斷面系數(shù)由下式?jīng)Q定：式中：系數(shù)，與有關(guān)。系數(shù)的值按下表3.2推薦值選?。罕?.2 參數(shù)11.51.7522.534100.2080.2310.2460.2390.2580.2670.2820.312對于橢圓斷面，抗彎斷面系數(shù)由下式?jīng)Q定：

29、斷面處的合成應(yīng)力為： （3.15）參考同級樣車，初步確定b=10,h=40,=0.282矩形：=104040/62666.74010100.2821128/2666.73.998 /11289.5 傳動軸凸緣螺栓傳遞扭矩時可能存在兩種方式：螺栓1與孔正常配合和給予不大的過盈配合，傳遞扭矩時，螺栓受剪切；或者是螺栓與凸緣孔之間有一定間隙，并依靠結(jié)合處的摩擦力來傳遞扭矩。對于螺栓的結(jié)構(gòu)，按剪切力計算。一個螺栓承受的力P為： （3.16）式中：螺栓傳遞的最大扭矩（）；螺栓分布直徑（）；螺栓數(shù)(個)；考慮螺栓工作不均勻系數(shù)，通常取m=0.75。由以上可知：，60，4，0.75代入計算得： 螺栓的材料和

30、螺紋的直徑d按下列條件選擇： （3.17）由題已知：螺栓材料選45號鋼，則查資料得：式中：剪切許用應(yīng)力()，通常取0.20.3其中：材料的屈服極限(MPa)對于螺栓固緊力T的計算，一方面由傳遞的摩擦力矩來確定，另一方面應(yīng)滿足強(qiáng)度條件。300 MPa。則0.250.2530075由此解得： 所以取螺栓直徑為8所以傳遞的摩擦力矩的固緊力T： （3.18）另一方面應(yīng)滿足強(qiáng)度條件的固緊力T： (3.19）式中：摩擦系數(shù)，對于鋼表面的值可在0.140.2范圍內(nèi)選??； 螺紋內(nèi)徑（mm）； 許用拉應(yīng)力（）。對于螺栓連續(xù)的比T2874.2/（600.164）45.5 所以符合。表3.3 材料參數(shù)鋼恒定負(fù)荷（k

31、g）交變負(fù)荷（kg）=516630060616630060碳鋼0.200.250.250.300.400.600.080.120.120.120.08合金鋼0.150.200.200.300.30.100.150.150.150.10由前式所求的固緊力T相對應(yīng)的固緊力矩由下式定： （3.20）式中：； 螺紋升角（）； 螺紋中徑（mm）； 螺紋的名義直徑(mm)； 螺紋副的摩擦角()，；式中：螺紋的齒形角()； 螺紋副材料的摩擦系數(shù)。對于公制螺紋，系數(shù)k和的值可以從下表3.4選取。公制螺紋系數(shù)k和的值表3.4螺紋系數(shù)螺紋表面接觸狀態(tài)系數(shù)K有潤滑的精制螺紋表面0.070.1有潤滑的粗制螺紋表面0.

32、120.2無潤滑的粗制螺紋表面0.170.3上述傳動軸經(jīng)過靜態(tài)跳動動量實(shí)驗(yàn)，剩余不平衡量實(shí)驗(yàn)，臨界轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)，扭矩間隙實(shí)驗(yàn)，靜扭轉(zhuǎn)剛性實(shí)驗(yàn)，靜扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，萬向節(jié)磨損實(shí)驗(yàn)均符合要求。 第4章 CATIA繪圖及二次開發(fā)技術(shù)4.1 CATIA繪圖CATIA 的全稱為Computer-Aided Three-dimension Interactive Application，是集成CAD、CAM、CAE的大型軟件，由法國達(dá)索系統(tǒng)公司開發(fā)，是全球制造業(yè)的主流設(shè)計軟件。CATIA 廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各個領(lǐng)域，從航空、汽車、造船、通用機(jī)械到電子電器、生活用品。許多世界知名的公

33、司如波音、克萊斯勒、寶馬、奔馳、本田、豐田等都使用CATIA作為主要的設(shè)計軟件。隨著中國制造業(yè)的發(fā)展，特別是汽車工業(yè)的發(fā)展，隨著越來越多的國際把生產(chǎn)和開發(fā)工作引入中國，CATIA也在不斷地普及和深入。CATIA V5涵蓋了機(jī)械設(shè)計、外形設(shè)計、分析與仿真、工廠設(shè)計、數(shù)控加工、數(shù)字化樣機(jī)、數(shù)字樣機(jī)、設(shè)備與系統(tǒng)、人體工程和知識工程等豐富的內(nèi)容。圖2.1所示為包含了所有CATIA V5模塊的菜單。每個使用CATIA V5的企業(yè)都只是用其中的一部分模塊，但是，了解一下CATIA V5所包含的模塊還是很有用的。CATIA功能介紹 裝配設(shè)計(ASS) CATIA裝配設(shè)計可以使設(shè)計師建立并管理基于3D零件機(jī)械

34、裝配件。裝配件可以由多個主動或被動模型中的零件組成。零件間的接觸自動地對連接進(jìn)行定義，方便了CATIA運(yùn)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行早期分析?；谙惹岸x零件的輔助零件定義和依據(jù)其之間接觸進(jìn)行自動放置，可加快裝配件的設(shè)計進(jìn)度，后續(xù)應(yīng)用可利用此模型進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計、分析、制造等。 Drafting(DRA) CATIA制圖產(chǎn)品是2D線框和標(biāo)注產(chǎn)品的一個擴(kuò)展。制圖產(chǎn)品使用戶可以方便地建立工程圖樣，并為文本、尺寸標(biāo)注、客戶化標(biāo)準(zhǔn)、2D參數(shù)化和2D瀏覽功能提供一整套工具。 Draw-Space(2D/3D) Integration(DRS) CATIA 繪圖-空間(2D/3D)集成產(chǎn)品將2D和3D CATIA環(huán)境完

35、全集成在一起。該產(chǎn)品使設(shè)計師和繪圖員在建立2D圖樣時從3D幾何中生成投影圖和平面剖切圖。通過用戶控制模型間2D到3D相關(guān)性，系統(tǒng)可以自動地由3D數(shù)據(jù)生成圖樣和剖切面。 CATIA 特征設(shè)計模塊(FEA) CATIA特征設(shè)計產(chǎn)品通過把系統(tǒng)本身提供的或客戶自行開發(fā)的特征用同一個專用對話結(jié)合起來，從而增強(qiáng)了設(shè)計師建立棱柱件的能力。這個專用對話著重于一個類似于一族可重新使用的零件或用于制造的設(shè)計過程。 板金設(shè)計(Sheetmetal Design) CATIA板金設(shè)計產(chǎn)品使設(shè)計和制造工程師可以定義、管理并分析基于實(shí)體的板金件。采用工藝和參數(shù)化屬性，設(shè)計師可以對幾何元素增加象材料屬性這樣的智能，以獲取設(shè)

36、計意圖并對后續(xù)應(yīng)用提供必要的信息。 高級曲面設(shè)計(ASU) CATIA高級曲面設(shè)計模塊提供了可便于用戶建立、修改和光順零件設(shè)計所需曲面的一套工具。高級曲面設(shè)計產(chǎn)品的強(qiáng)項(xiàng)在于其生成幾何的精確度和其處理理想外形而無需關(guān)心其復(fù)雜度的能力。無論是出于美觀的原因還是技術(shù)原因，曲面的質(zhì)量都是很重要的 白車身設(shè)計(BWT) 白車身設(shè)計產(chǎn)品對設(shè)計類似于汽車內(nèi)部車體面板和車體加強(qiáng)筋這樣復(fù)雜的薄板零件提供了新的設(shè)計方法?？墒乖O(shè)計人員定義并重新使用設(shè)計和制造規(guī)范，通過3D曲線對這些形狀的掃掠，便可自動地生成曲面，結(jié)果可生成高質(zhì)量的曲面和表面，并避免了耗時的重復(fù)設(shè)計。該新產(chǎn)品同時是對CATIA-CADAM方案中已有的

37、混合造型技術(shù)的補(bǔ)充。 CATIA與ALIAS互操作模塊(CAI) 對于外形至關(guān)重要得行業(yè)，比如汽車、摩托車及日用消費(fèi)品，CATIA-ALIAS數(shù)據(jù)互操作接口可在CATIA和Wavefrant的ALIAS間提供有效的數(shù)據(jù)交換，它提高了風(fēng)格造型過程的效率，同時保證這些行業(yè)的設(shè)計師與工程師間更方便的協(xié)調(diào)設(shè)計。該解決方案很大程度上避免了導(dǎo)致耗時的模型清理的數(shù)據(jù)傳輸錯誤，結(jié)果，行業(yè)設(shè)計師和工程師可以有有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和縮短項(xiàng)目完成時間。 CATIA逆向工程模塊(CGO) 該產(chǎn)品可使設(shè)計師將物理樣機(jī)轉(zhuǎn)換到CATIA Designs下并轉(zhuǎn)變?yōu)樽謽訖C(jī)，并將測量設(shè)計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CATIA數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品同時提供了一

38、套有價值的工具來管理大量的點(diǎn)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行過濾、采樣、偏移、特征線提取、剖截面和體外點(diǎn)剔除等。由點(diǎn)數(shù)據(jù)云團(tuán)到幾何模型支持由CATIA曲線和曲線生成點(diǎn)數(shù)據(jù)云團(tuán)。反過來，也可由點(diǎn)數(shù)據(jù)云團(tuán)到CATIA曲線和曲面。 自由外形設(shè)計(FRF) CATIA自由外形設(shè)計產(chǎn)品提供設(shè)計師一系列工具，來實(shí)施風(fēng)格或外形定義或復(fù)雜的曲線和曲面定義。對NURBS的支持使得曲面的建立和修形以及與其它CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換更加輕而易舉。 創(chuàng)成式外形建模(GSM) 創(chuàng)成式外形建模產(chǎn)品是曲面設(shè)計的一個工具，通過對設(shè)計方法和技術(shù)規(guī)范的捕捉和重新使用，可以加速設(shè)計過程，在曲面技術(shù)規(guī)范編輯器中對設(shè)計意圖進(jìn)行捕捉，使用戶在設(shè)計周期中任何時

39、候方便快速地實(shí)施重大設(shè)計更改。 整體外形修形(GSD) CATIA整體外形修形提供了一套工具，使用戶在CATIA模型中使用表皮、面、曲面和曲對復(fù)雜的外形進(jìn)行連續(xù)的修形。用戶在工具編目中選取合適的工具，以此對CATIA元素進(jìn)行操作。這些整體和非線性修形(比如拉伸、彎曲和扭曲等)仍使CATIA元素保持特征線和幾何等的連續(xù)性。用戶控制包括位置公差、曲面細(xì)分行修改程度等一些關(guān)鍵性的“承前啟后”參數(shù)。 曲面設(shè)計(SUD) CATIA曲面設(shè)計模塊使設(shè)計師能夠快速方便地建立并修改曲面幾何。它也可作為曲面、面、表皮和閉合體建立和處理的基礎(chǔ)。曲面設(shè)計產(chǎn)品有許多自動化功能，包括分析工具、加速分析工具、可加快曲面設(shè)

40、計過程。 電氣設(shè)備和支架造型(ELD) CATIA電氣設(shè)備和支架造型產(chǎn)品為設(shè)計師提供了建立電氣標(biāo)準(zhǔn)件庫的工具。以此產(chǎn)品建立的庫可用于CATIA電氣束安裝產(chǎn)品。 電纜布線路徑定義(SPD) 使用CATIA系統(tǒng)路徑定義產(chǎn)品，用戶可以在CATIA數(shù)字化樣機(jī)中為象管路或電線束這樣的元素定義一個3D網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)可自動尋找最佳的網(wǎng)絡(luò)路徑，并自動地檢查每個結(jié)點(diǎn)的連接性，同時把路徑與支持約束聯(lián)系起來考慮。系統(tǒng)也可對用戶定義的規(guī)則進(jìn)行檢查，以保證符合技術(shù)要求。 電線束安裝(ELW) CATIA電線束安裝產(chǎn)品允許用戶在大型的或復(fù)雜的裝配件中方便地設(shè)計和鋪設(shè)3D線束。該產(chǎn)品的若干特點(diǎn)可使鋪設(shè)電線束的設(shè)計、連接、修改和

41、分析自動化。在同CATIA電氣設(shè)備和支架造型產(chǎn)品所建立的設(shè)備一起優(yōu)化使用時，電線束安裝可使用戶處理電線束的參數(shù)和約束，而系統(tǒng)對幾何圖形進(jìn)行管理。 電氣生成模板(ELG) 使用以電線束安裝產(chǎn)品建立的3D設(shè)計也可以同時使用以電氣設(shè)備和支架造型產(chǎn)品所建立的庫中等電氣和支架零件，電氣生成模板產(chǎn)品可計算并分析線束的2D模板布局。 裝配模擬(Fitting Simulation) CATIA裝配模擬產(chǎn)品可使用戶定義零件裝配或拆卸過程中的軌跡。使用動態(tài)模擬，系統(tǒng)可以確定并顯示碰撞及是否超出最小間隙。用戶可以重放零件運(yùn)動軌跡，以確認(rèn)設(shè)計更改的效果。 空間分析(SPA) CATIA空間分析產(chǎn)品允許汽車、航空航天

42、、造船和設(shè)備行業(yè)的機(jī)械設(shè)計師檢查零件干涉和驗(yàn)證CATIA3D元素之間的間隙。該產(chǎn)品對快速方便地混合環(huán)境下辨別和確定相關(guān)干涉提供了集成化的工具。 ANSYS接口(ANSYS Interface) CATIA ANSYS接口產(chǎn)品能對CATIA有限元模型生成器所建立德模型進(jìn)行預(yù)處理，以供 ANSYS求解器使用。ANSYS接口產(chǎn)品將ANSYS這個通用求解器集成到CATIA環(huán)境中，包括對ANSYS求解器生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，以便用CATIA科學(xué)管理模塊進(jìn)行描述。 有限元模型生成器(FEM) 該產(chǎn)品同時具有自動化網(wǎng)格劃分功能，可方便的生成有限元模型。有限元模型生成器具有開放式體系結(jié)構(gòu)，可以同其它商品化或?qū)?/p>

43、用求解器進(jìn)行接口。該產(chǎn)品同CATIA緊密地集成在一起，簡化了CATIA客戶的培訓(xùn)，有利于在一個CAD/CAM/CAE系統(tǒng)中完成整個有限元模型造型和分析。 創(chuàng)成式零件分析及優(yōu)化(GPO) CATIA創(chuàng)新式零件應(yīng)力分析產(chǎn)品在產(chǎn)品開發(fā)過程初期提供設(shè)計師一個應(yīng)力分析工具,作為鑄件、鍛件或厚壁零件設(shè)計的指導(dǎo)。交互式地對零件而非有限元模型進(jìn)行操作；用戶只需輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)可對設(shè)計自動優(yōu)化。載荷及約束值隨著每次迭代，自動地顯示出來。用戶可通過歷史瀏覽器對所有分析結(jié)果的變化進(jìn)行研究，邊設(shè)計邊分析，同時可獲得有關(guān)質(zhì)量、位移以及主應(yīng)力等數(shù)據(jù)。 創(chuàng)成式零件應(yīng)力分析(GPS) CATIA創(chuàng)成式應(yīng)力分析產(chǎn)品在產(chǎn)品開發(fā)過程

44、初期提供設(shè)計師一個應(yīng)力分析工具，作為鑄件、鍛件或厚壁零件設(shè)計的指導(dǎo)。交互地對零件而非有限元模型進(jìn)行操作，設(shè)計師只用六個簡單的步驟在零件上進(jìn)行檢查。 CATIA機(jī)構(gòu)設(shè)計運(yùn)動分析模塊(KIN) CATIA運(yùn)動機(jī)構(gòu)產(chǎn)品可使用戶通過真實(shí)化仿真設(shè)計并驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀況，基于新的或現(xiàn)有的零件幾何，運(yùn)動機(jī)構(gòu)可以建立許多2D和3D連接，來分析加速度、干涉、速度、間隙等。 科學(xué)表示管理器(SPM) 該產(chǎn)品主要用于有限元求解器如CATIA ELFINI求解器產(chǎn)品等所產(chǎn)生的計算結(jié)果的后置處理?？茖W(xué)表示管理器的圖形顯示使其可以描述基于網(wǎng)格的數(shù)據(jù)。用戶可以用許多方法包括對結(jié)果的著色、標(biāo)注、重疊顯示和模擬等手段處理和顯示

45、這些生成數(shù)據(jù) 制造基礎(chǔ)框架(Manufacturing Infrastructure) CATIA制造基礎(chǔ)框架產(chǎn)品是所有CATIA數(shù)控產(chǎn)品的基礎(chǔ)，其中包含的NC工藝數(shù)據(jù)庫(NC Technological Database)存放所有刀具、刀具組件、機(jī)庫、材料和切削狀態(tài)等信息。該產(chǎn)品提供對走刀路徑進(jìn)行重放和驗(yàn)證的工具，用戶可以通過圖形化顯示來檢查和修改刀具軌跡；同時可以定義并管理機(jī)械加工的CATIA NC 宏，并且建立和管理后處理代碼和語法。 注模和壓模加工輔助器(Mold and Die Machining Assistant) CATIA注模和壓模加工輔助器產(chǎn)品將加工象注模和壓模這樣的零件的

46、數(shù)控程序的定義自動化。這種方法簡化了程序員的工作，系統(tǒng)可以自動生成NC文件。 多軸加工編程器(Multi-Axis Machining Programmer) CATIA多軸加工編程器產(chǎn)品對CATIA制造產(chǎn)品系列提出新的多軸編程功能，并采用NCCS(數(shù)控計算機(jī)科學(xué))的技術(shù)，以滿足復(fù)雜5軸加工的需要。這些產(chǎn)品為從2.5軸到5軸銑加工和鉆加工的復(fù)雜零件制造提供了解決方案。 2軸半加工編程器(Prismatic Machining Programmer) CATIA 2軸半加工編程器產(chǎn)品提供專用于基本加工操作的NC編程功能的輸入。基于幾何圖形，用戶通過查詢工藝數(shù)據(jù)庫(Technological Da

47、ta Base)，可建立加工操作。在工藝數(shù)據(jù)庫中存放著公司專用的制造工藝環(huán)境。這樣，機(jī)器、刀具、主軸轉(zhuǎn)速、加工類型等加工要素可以得到定義。 STL快速樣機(jī)(STL Rapid Prototyping) STL快速樣機(jī)是一個專用于STL(Stereolithographic)過程生成快速樣機(jī)的CATIA產(chǎn)品。 曲面加工編程器(Surface Machining Programmer) CATIA曲面加工編程器產(chǎn)品可使用戶建立3軸銑加工的程序，將CATIANC銑產(chǎn)品的技術(shù)與CATIA制造平臺結(jié)合起來，這就可以存取制造庫，并使機(jī)械加工標(biāo)準(zhǔn)化，這些都是在CATIA制造圖4.1 CATIA V5模塊圖4.2 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)“基礎(chǔ)模塊”包含了如圖2.2所示的模塊，裝配件的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料庫、與C