萬向傳動設(shè)計(jì)

1、CDIO課程設(shè)計(jì) 項(xiàng) 目 名 稱： 雙十字萬向傳動裝置 小 組 成 員： 謝坤明閆廷旺王 浩專 業(yè) 班 級： 13機(jī)械（3） 指 導(dǎo) 教 師： 楊啟耀 目 錄設(shè)計(jì)任務(wù)書.2前 言.3第一章 萬向傳動軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及方案選擇.5 1.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn).51.2 基本組成的選擇.6第二章 萬向傳動的受力分析與選擇.82.1 單十字萬向節(jié)傳動.8 2.2 雙十字萬向節(jié)傳動.9 2.3 傳動軸管的選擇.112.4 伸縮花鍵的選擇.11第三章 傳動軸的計(jì)算與強(qiáng)度校核.123.1 傳動軸計(jì)算轉(zhuǎn)矩.123.2 傳動軸管內(nèi)外徑確定.12 3

2、.3 傳動軸扭矩強(qiáng)度校核.12第四章 十字軸總成尺寸的確定與強(qiáng)度校核.134.1 十字軸萬向節(jié)尺寸的確定與強(qiáng)度校核.144.2 十字萬向節(jié)的軸承.16第五章 整體的結(jié)構(gòu)與繪圖.17第六章 總結(jié).186.1 結(jié)論.186.2 展望.19致 謝.19參考文獻(xiàn) 附件125 設(shè)計(jì)任務(wù)書 本次的課程設(shè)計(jì)，經(jīng)我們小組討論和決定，我們設(shè)計(jì)的是雙十字萬向傳動裝置，在生活中的各類汽車都會有萬向傳動裝置，使我們生活中汽車不可缺少的。本次的設(shè)計(jì)，為了更加改善，以及提升萬向傳動軸的性能。 組長：閆廷旺 負(fù)責(zé)三維圖的繪制，裝配以及工程圖，簡單計(jì)算。 組員：謝坤明 負(fù)責(zé)收集資料，制作word文檔。 組員：王 浩 負(fù)責(zé)PP

3、T制作以及動態(tài)仿真。 前 言 本文所設(shè)計(jì)的是雙十字萬向傳動裝置。萬向傳動裝置在汽車上有很多應(yīng)用，結(jié)構(gòu)也稍有不同，但其功用都是一樣的，即在軸線相交且相互位置經(jīng)常發(fā)生變化的兩轉(zhuǎn)軸之間傳遞動力。與其它的齒輪傳動、帶傳動、鏈傳動機(jī)構(gòu)相比，萬向節(jié)傳動機(jī)構(gòu)有著獨(dú)特的、其它機(jī)構(gòu)不能代替的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)需要將一根軸上的扭矩或傳動以較大的軸間夾角傳到相距較遠(yuǎn)、且角度可能變化的另一根軸時(shí)，往往只能選擇萬向節(jié)傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。其作用在航空航天、機(jī)床、機(jī)械、尤其是汽車領(lǐng)域非常重要。隨著汽車工業(yè)100多年的發(fā)展歷史，萬向傳動軸的設(shè)計(jì)形式也得到了很快的發(fā)展。目前，常用的萬向節(jié)大體可以分為四類：十字軸式剛性萬向節(jié)、準(zhǔn)等速萬向節(jié)、等

4、速萬向節(jié)、撓性萬向節(jié)。在貨車中，由于十字軸式剛性萬向傳動軸具有其不可忽視的優(yōu)點(diǎn)，所以在此次設(shè)計(jì)任務(wù)中，選用十字軸式剛性萬向傳動軸。本文介紹了萬向傳動裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理，及相關(guān)參數(shù)的確定。全文的中心內(nèi)容共分為七章：第一章為萬向傳動軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本要求；第二章為萬向傳動軸結(jié)構(gòu)方案的分析；第三章為萬向傳動的運(yùn)動和受力分析；第四章為萬向傳動軸的選擇；第五章為傳動軸的計(jì)算與強(qiáng)度校核；第六章為十字軸總成尺寸的確定與強(qiáng)度校核；第七章整體的結(jié)構(gòu)與繪圖，以及第八章的總結(jié)。在原始數(shù)據(jù)確定的前提下，設(shè)計(jì)所要完成的任務(wù)有：查找、收集相關(guān)資料，進(jìn)一步確定萬向傳動裝置的基本尺寸的選取、材料選擇、加工精度、熱處理方法和

5、傳動過程中的接觸應(yīng)力等工作，其中傳動過程中零件內(nèi)部的接觸應(yīng)力最為關(guān)鍵，在此文中著重做到了應(yīng)力校核這一步。最后的工作是工程制圖，實(shí)實(shí)在在地手工制圖，發(fā)現(xiàn)了一些知識點(diǎn)的死角，都進(jìn)行一定程度的糾正，驗(yàn)證了許多以前只有在書本上學(xué)的知識點(diǎn)。通過此次課程設(shè)計(jì)的親身體驗(yàn)，極大地增長了見識，拓展了視野，提高了親身動手的能力，提升了繪圖以及個(gè)人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。第1章 萬向傳動軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及方案選擇1.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)雙十字萬向傳動裝置一般是由萬向節(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

6、線夾角的變化，并實(shí)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(gè)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。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。其廣泛應(yīng)用在汽車上，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。如下圖：圖1-1 萬向傳動裝置的工作原理及功用 圖1-2 變速器與驅(qū)動橋之間的萬向傳動裝置 基本要求：1.保證所連接的兩根軸的夾角及相對位置在一定范圍內(nèi)變動時(shí)，能可靠而穩(wěn)定地傳遞動力。 2.保證傳動盡可能同步，所連接兩軸盡可能等速運(yùn)轉(zhuǎn)。 3.由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附

7、加載荷、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。 4.傳動效率高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易等。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(shí)多采用等速萬向傳動軸。如圖1-3圖1-3 萬向節(jié)在汽車上的各種應(yīng)用1.2 基本組成的選擇一般貨車采用動力前置后驅(qū)裝置。此種布置的優(yōu)點(diǎn)有： 1.容易發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)的故障，維修方便；離合器、變速器等操作機(jī)構(gòu)簡單，容易布置；貨廂地板低平； 2.汽車總長和軸距尺寸短；最小轉(zhuǎn)彎直徑??；機(jī)動性能良好；不需要發(fā)動機(jī)罩和翼子板，加上總長縮短等因素的影響，汽車整備質(zhì)量減??；駕駛員的視野得到明顯改善；采用翻轉(zhuǎn)式駕駛室是能改善

8、發(fā)動機(jī)及其附件的接近性；汽車面積利用率高。 在普通汽車傳動裝置中，因十字軸式剛性萬向節(jié)結(jié)構(gòu)簡單、傳動可靠等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。十字軸式剛性萬向節(jié)結(jié)構(gòu)簡單、強(qiáng)度高、耐久性好，生產(chǎn)性高，生產(chǎn)成本較低，且傳動可靠，效率較高，目前允許兩傳動軸之間的交角一般為15°20°，在連接角較小時(shí)大都使用這種萬向節(jié)。 十字軸式剛性萬向節(jié)結(jié)構(gòu)如圖圖1-4 十字軸式剛性萬向節(jié)在貨車設(shè)計(jì)中，選定為十字軸式萬向傳動裝置，即采用單節(jié)式萬向傳動軸，其兩端用普通萬向節(jié)分別與變速器和驅(qū)動橋連接。裝配時(shí)為了保證滿載時(shí)，實(shí)現(xiàn)等速傳動，要滿足：1. 傳動軸兩端的萬向節(jié)叉在同一平面內(nèi) ；2. 輸入軸、輸出軸與傳 動

9、軸的夾角相等，即=。如下圖 圖1-5 輸入軸與輸出軸的夾角 第二章 萬向傳動軸的受力分析與選擇2.1 單十字萬向節(jié)傳動 如下圖2-1所示，設(shè)主動叉由初始位置轉(zhuǎn)過角，從動叉相應(yīng)轉(zhuǎn)過角， 圖2-1 萬向節(jié)的運(yùn)動分析1-主動叉 2-從動叉 3-十字軸由機(jī)械原理分析可以得出如下關(guān)系式 = (2.1） 當(dāng)十字軸萬向節(jié)的主動軸與從動軸存在一定夾角時(shí)，主動軸角速度與從動軸的角速度之間存在如下的關(guān)系 (2.2) 由于是周期為2的周期函數(shù)，所以也為同周期函數(shù)。當(dāng)為0、時(shí)，達(dá)到最大值且為；當(dāng)為、時(shí)，有最小值且為。因此，主動軸以等角速度轉(zhuǎn)動時(shí)，從動軸時(shí)快時(shí)慢，即為普通十字軸萬向節(jié)傳動的不等速性。十字軸萬向節(jié)傳動的不

10、等速性可用轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)k來表示 k (2.3)如不計(jì)萬向節(jié)的摩擦損失，主動軸轉(zhuǎn)矩和從動軸轉(zhuǎn)矩與各自相應(yīng)的角速度有關(guān)系式 = ，因此可得 = (2.4)2.2 雙十字萬向節(jié)傳動 當(dāng)輸入軸與輸出軸之間存在夾角 時(shí)，單個(gè)十字軸萬向節(jié)的輸出軸相對于輸入軸時(shí)不等速旋轉(zhuǎn)的。為了使處于同一平面的輸出軸與輸入軸等速旋轉(zhuǎn)，可采用雙萬向節(jié)傳動，但必須保證同傳動軸相連的兩萬向節(jié)應(yīng)布置在同一平面內(nèi)，且使兩萬向節(jié)夾角與相等。當(dāng)輸入軸與輸出軸平行時(shí)見圖2-2，直接連接傳動軸的兩萬向節(jié)叉所受的附加彎矩，使傳動軸發(fā)生如圖2-2中雙點(diǎn)劃線所示的彈性彎曲，從而引起傳動軸的彎曲振動。當(dāng)輸入軸與輸出軸相對時(shí)見圖2-2，傳動軸兩端萬

11、向節(jié)叉上所受的附加彎矩方向相同，不能彼此平衡，傳動軸發(fā)生如圖2-2所示中雙點(diǎn)劃線所示的彈性彎曲。 圖2-2 附加彎矩對傳動軸的作用 輸入軸與輸出軸平行； 輸入軸與輸出軸相交； 傳動軸發(fā)生彈性彎曲； 相交時(shí)傳動軸發(fā)生彈性彎曲附表 表2-1 十字軸萬向節(jié)的允許范圍萬向節(jié)安裝位置或相聯(lián)兩總成夾角不大于離合器與變速器；變速器與分動器（相聯(lián)總成均裝在車架上） 13驅(qū)動橋傳動軸汽車滿載靜止時(shí)一般汽車 6 越野汽車 12行駛中極限夾角 一般汽車 1520 短軸距越野汽車 302.3 傳動軸管的選擇 傳動軸的長度和夾角及它們的變化范圍，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)，花鍵套與花鍵軸

12、有足夠的配合長度；而在長度處于最小時(shí)，兩者不頂死。傳動軸夾角大小會影響萬向節(jié)十字軸和滾針軸承的壽命、萬向傳動效率和十字軸的不均勻性。變化范圍為3。 傳動軸經(jīng)常處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，所以軸的材料查機(jī)械零件手冊選取40CrNi，適用于很重要的軸，具有較高的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。傳動軸管由低碳鋼板制壁厚均勻、壁?。?.53.0mm）、管徑較大、易質(zhì)量平衡、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度高、彎曲剛度高、適用高速旋轉(zhuǎn)的電焊鋼管制成。2.4 伸縮花鍵的選擇選擇矩形花鍵，用于補(bǔ)償由于汽車行駛時(shí)傳動軸兩端萬向節(jié)之間的長度變化。為減小阻力及磨損，對花鍵齒磷化處理或噴涂尼龍，外層設(shè)有防塵罩，間隙小一些，以免引起傳動軸的震動?；ㄦI齒與鍵槽按對應(yīng)標(biāo)記裝

13、配，以保持傳動軸總成的動平衡。動平衡的不平衡度由電焊在軸管外的平衡片補(bǔ)償。裝車時(shí)傳動軸的伸縮花鍵一端應(yīng)靠近變速器，減小其軸向阻力和磨損。其結(jié)構(gòu)圖如下: 圖 2-3 萬向傳動軸花鍵軸結(jié)構(gòu)簡圖 1-蓋子；2-蓋板；3-蓋墊；4-萬向節(jié)叉；5-加油嘴；6-伸縮套； 7-滑動花鍵槽；8-油封；9-油封蓋；10-傳動軸管 第三章 傳動軸的計(jì)算與強(qiáng)度校核3.1 傳動軸計(jì)算轉(zhuǎn)矩 = = 593.99690% （3.1） = 212187 N 3.2 傳動軸管內(nèi)外徑確定 =1.2 = 6600 （3.2） 得 = = 7385.3 （3.3） 又 1.5 mm 3 mm根據(jù)電焊鋼管外徑6095mm的標(biāo)準(zhǔn)資料（

14、從冶金部標(biāo)準(zhǔn)YB24263中選?。?初選 = 63.5 mm ，則 = = 58 mm （3.4）其中： 為傳動軸長度(mm)，即兩萬向節(jié)中心的距離 和分別為傳動軸軸管的外、內(nèi)徑(mm) 3.3 傳動軸扭矩強(qiáng)度校核 由于傳動軸只承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力而不承受彎曲應(yīng)力，所以只需校核扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，根據(jù)公式有 = = （3.5） =13.8 MPa = 300 MPa （為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力） 上式說明設(shè)計(jì)參數(shù)滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度要求附表 表3-1 6095mm毫米的電焊鋼管YB242-63外徑（mm）鋼管厚度（mm）601.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、63.51.4、

15、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、701.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、751.4、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、4.5 第四章 十字軸總成尺寸的確定與強(qiáng)度校核 為便于設(shè)計(jì)時(shí)確定十字軸總成尺寸，表4-1列出了不同噸位載重汽車十字軸按圖4-1所示尺寸的范圍 表4-1 推薦采用的十字軸總成及花鍵尺寸載重質(zhì)量

16、十 字 軸 總 成 花鍵工作長度十 字 軸滾 針軸 承 套HdhL nC11.522.534578104.1 十字軸萬向節(jié)尺寸的確定與強(qiáng)度校核按表4-1所示，初步確定十字軸萬向節(jié)的尺寸，然后利用強(qiáng)度校核公式進(jìn)行其軸頸彎曲應(yīng)力的校核。(十字軸要素見4-1圖)初步選定 H = 90 mm d = 18 mm h = 16 mm = 20 mm = 6 mm；s = 8 mm r = 37 mm (自圖4-2十字軸受力示意圖)，十字軸軸頸根部的彎曲應(yīng)力 應(yīng)滿足： = (4.1)其中 d 十字軸徑，mm F = 為萬向傳動的計(jì)算轉(zhuǎn)矩， r 為合力F作用線到十字軸中心的距離，mm s 合力F作用線到軸頸

17、根的距離，mm 十字軸油道孔直徑，mm代入數(shù)據(jù)可得 = =40.5 MPa 式中 為彎曲應(yīng)力許用值，為250300MPa。則可得，十字軸軸頸根部的彎曲應(yīng)力滿足要求。圖4-1 十字軸尺寸要素十字軸軸頸的切應(yīng)力應(yīng)滿足 = = (4.2) =12.7MPa 式中為切應(yīng)力 的許用值，為80120MPa。 則，十字軸軸頸的切應(yīng)力滿足要求。 圖4-2 十字軸受力示意圖4.2 十字萬向節(jié)的軸承萬向節(jié)軸承可以認(rèn)為是由滾針、密封及軸承套所組成。軸承以總成方式把萬向節(jié)叉連接起來，軸承套用鋼制作，其硬度大于HRC60。軸承應(yīng)具有易于裝入萬向節(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(shí)，應(yīng)選用小直徑

18、滾針配用較粗的軸頸，同時(shí)增加滾針數(shù)目，以降低滾針與軸頸間的接觸應(yīng)力，但滾針直徑不得小于1.6 mm，以免壓碎，而且差別要小，否則會加重載荷在滾針間分配的不均勻性，一般控制在0.003mm以內(nèi)。理論上滾針越長，萬向節(jié)的承載能力越高，但滾針過長時(shí)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頸，使其具有較高的承載能力，又不至因滾針過長發(fā)生歪斜而造成應(yīng)力集中，滾針在軸向的游隙一般不超過0.20.4mm。則經(jīng)參考表6-1，另根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，初定十字萬向節(jié)軸承的尺寸為滾針尺寸 = 3 mm = 14 mm n = 22軸承套尺寸 = 32 mm C = 4 mm其中 滾針的直徑，mm 滾針的長度，m

19、m n 滾針的數(shù)目 軸承套的外徑，mm C 軸承套的厚度，mm滾針軸承的接觸應(yīng)力為 = 272 (4.3) 其中 在合力F的作用下一個(gè)滾針?biāo)艿淖畲筝d荷，N = (4.4)其中 滾針列數(shù)，此處取 = 1 ,將數(shù)據(jù)代入上面兩式，得 = 272= 1110.7 MPa 式中為滾針的許用接觸應(yīng)力，當(dāng)其表面硬度在58HRC以上時(shí)，許用接觸應(yīng)力為30003200MPa 。 十字軸常用材料為 、等低碳合金鋼，軸頸表面進(jìn)行滲碳淬火處理，滲碳層深度為,表面硬度,軸頸端面硬度不低于，芯部硬度為。萬向節(jié)叉一般采用45中碳鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度,滾針軸承碗材料一般采用。 第五章 整體的結(jié)構(gòu)與繪圖 經(jīng)過以上的設(shè)計(jì)與計(jì)算，

20、我們用solidworks繪制了整體的三維圖以及工程圖，使本次的課程設(shè)計(jì)更加的完善。 圖5.1 整體三維圖 圖5.2整體的工程圖 第六章 總結(jié)6.1 結(jié)論 課程設(shè)計(jì)是大學(xué)生涯一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)，對于個(gè)人也是一個(gè)相當(dāng)重要的經(jīng)歷。我們在親自著手查閱資料，進(jìn)行實(shí)體模型分析，更進(jìn)一步地計(jì)算、設(shè)計(jì)全過程，學(xué)會了許多，也吸取了教訓(xùn)，使自己有了一個(gè)全面的發(fā)展，不再局限于書本知識，注重的是實(shí)際動手能力。 隨著大型軟件的開發(fā)，再加上計(jì)算機(jī)速度的提高，人們對汽車方面的設(shè)計(jì)工作要求越來越高。此次的設(shè)計(jì)任務(wù)是萬向傳動裝置的設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行萬向節(jié)、傳動軸等元件的計(jì)算與分析。在根據(jù)已知數(shù)據(jù)得前提下，查閱足夠的資料，進(jìn)行充分

21、的計(jì)算，最后才能得出符合實(shí)際要求的尺寸。在繪圖中，利用三維制圖軟件SolidWorks，完成實(shí)體建模與工程圖的工作。通過積極地與同學(xué)進(jìn)行交流，充分體會到了團(tuán)結(jié)的力量，在各方面的努力下，終于在規(guī)定日期完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。 此次設(shè)計(jì)的完成，是我們大學(xué)生活中一次難忘的經(jīng)歷，一個(gè)令我們終生難忘的經(jīng)驗(yàn)，是一筆寶貴的財(cái)富。通過對萬向傳動軸的設(shè)計(jì)過程，充分了解到了萬向傳動軸的重要應(yīng)用，及其廣泛的發(fā)展前景。對設(shè)計(jì)工作有了一個(gè)深刻的認(rèn)識，相信對以后從事設(shè)計(jì)方面的工作有極大地幫助。6.2 展望 萬向傳動軸是汽車的關(guān)鍵部件之一，也是汽車國產(chǎn)化技術(shù)難度較大的部件之一，沒有高技術(shù)的設(shè)備是很難達(dá)到要求的。它是汽車前后動力的傳動裝置，是汽車正常行駛不可或缺的一部分。目前，國內(nèi)只有少數(shù)合資企業(yè)能夠具備這樣的生產(chǎn)能