汽車設(shè)計(jì) 第6版 課件第4章-萬向傳動(dòng)設(shè)計(jì)

汽車設(shè)計(jì)第四章萬向傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)第一節(jié)概述第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析第三節(jié)萬向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算第五節(jié)傳動(dòng)軸和中間支承結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)第一節(jié)概述一、功用相對位置不斷改變的兩軸間動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)傳遞二、組成萬向節(jié)傳動(dòng)軸管伸縮花鍵中間支承（長軸距）第一節(jié)概述三、基本設(shè)計(jì)要求1）保證所連接的兩軸的夾角及相對位置在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，能可靠而穩(wěn)定地傳遞動(dòng)力。2）保證所連接的兩軸盡可能等速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動(dòng)和噪聲應(yīng)在允許的范圍內(nèi)，在使用車速范圍內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。3）傳動(dòng)效率高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易等。第一節(jié)概述四、萬向節(jié)的應(yīng)用(a)變速器與驅(qū)動(dòng)橋之間(b)多軸汽車分動(dòng)器與驅(qū)動(dòng)橋間或驅(qū)動(dòng)橋與驅(qū)動(dòng)橋之間(c)發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間（由于車架的變形造成軸線間相互位置變化的兩傳動(dòng)部件）

(d)采用獨(dú)立懸架的汽車差速器之間

(e)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)車橋的差速器與車輪之間(f)汽車的動(dòng)力輸出裝置和轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析一、萬向節(jié)分類第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析二、十字軸式萬向節(jié)由萬向節(jié)叉、十字軸、油封、滾針軸承及其軸向定位件和密封件等組成。兩萬向節(jié)叉上的孔分別活套在十字軸的兩對軸頸上。當(dāng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)軸既可隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，又可繞十字軸中心在任意方向擺動(dòng)第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析二、十字軸式萬向節(jié)滾針軸承的潤滑和密封毛氈油封：因防漏油、防水、防塵效果差，已淘汰雙刃口復(fù)合油封：防漏油、防水、防塵效果好。在灰塵較多的環(huán)境中萬向節(jié)壽命顯著提高。多刃口油封：防漏油、防水、防塵效果更好。第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析二、十字軸式萬向節(jié)滾針軸承的潤滑和密封滾針直徑差值應(yīng)控制在0.003mm以內(nèi)滾針軸承徑向間隙0.009~0.095mm滾針周向總間隙取0.08~0.30mm為宜重型汽車有時(shí)采用較粗的滾針并分成兩段以提高其壽命，也有以滾柱代替滾針的結(jié)構(gòu)。為防止十字軸軸向竄動(dòng)及避免摩擦發(fā)熱，有的在十字軸軸端和軸承碗之間加裝端面滾針軸承。第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析二、十字軸式萬向節(jié)滾針軸承的軸向定位方式內(nèi)卡式、外卡式、翼型式第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析二、十字軸式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，傳動(dòng)效率高，生產(chǎn)成本低；且允許相鄰兩傳動(dòng)軸之間有一定交角，故應(yīng)用普遍。但當(dāng)所連接的兩軸夾角由4°增至16°，萬向節(jié)中滾針軸承的壽命下降為原來的1/4。萬向節(jié)安裝位置或相連接總成α不大于離合器-變速器；變速器-分動(dòng)器（相連接總成均安裝在車架上）1°~3°驅(qū)動(dòng)橋傳動(dòng)軸汽車滿載靜止夾角一般汽車6°越野汽車12°行駛中的極限夾角一般汽車15°~20°越野汽車30°第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析三、雙聯(lián)式萬向節(jié)將傳動(dòng)軸長度減縮至最小的雙十字軸式萬向節(jié)傳動(dòng)裝置不帶定心機(jī)構(gòu)第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析三、雙聯(lián)式萬向節(jié)帶定心機(jī)構(gòu)：為了保證雙聯(lián)式萬向節(jié)連接的軸工作轉(zhuǎn)速趨于相等，用分度機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定心，以確保所連接的兩軸接近等速轉(zhuǎn)動(dòng)第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析三、雙聯(lián)式萬向節(jié)現(xiàn)在的雙聯(lián)式萬向節(jié)多采用偏心式結(jié)構(gòu)，即使萬向節(jié)中心與轉(zhuǎn)向中心偏離一定距離（一般偏離1.0～3.5mm），從而使輸入軸與輸出軸的角速度接近相等第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析三、雙聯(lián)式萬向節(jié)兩軸夾角大（一般50°，偏心式可達(dá)60°）密封性好，傳動(dòng)效率高，工作可靠，制造方便尺寸大，零件多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，傳遞轉(zhuǎn)矩有限當(dāng)應(yīng)用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋中，由于軸向尺寸大，為使主銷軸線的延長線與地面交點(diǎn)到輪胎的印跡中心偏離不大，需要較大的主銷內(nèi)傾角第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析四、等速萬向節(jié)1.球籠式萬向節(jié)（1）固定型球籠式萬向節(jié)星形套7以內(nèi)花鍵與主動(dòng)軸1相連，其外表面設(shè)置有6條凹槽（形成內(nèi)滾道）。球形殼8的內(nèi)表面設(shè)置有對應(yīng)的6條凹槽（形成外滾道）。6個(gè)鋼球分別嵌裝在6條滾道中，并由保持架4使之保持在同一平面內(nèi)。動(dòng)力由主動(dòng)軸1經(jīng)過鋼球6、球形殼8輸出。第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析四、等速萬向節(jié)1.球籠式萬向節(jié)（1）固定型球籠式萬向節(jié)RF型滾道為圓形，鋼球與滾道為兩點(diǎn)接觸BJ型滾道為橢圓形，鋼球與滾道為四點(diǎn)接觸第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析四、等速萬向節(jié)1.球籠式萬向節(jié)（1）固定型球籠式萬向節(jié)兩軸交角范圍較大，通常在45°~50°范圍之內(nèi)在工作時(shí)，無論傳動(dòng)方向如何，6個(gè)鋼球全部參與傳遞動(dòng)力具有承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析四、等速萬向節(jié)1.球籠式萬向節(jié)（2）伸縮型球籠式萬向節(jié)內(nèi)外滾道采用圓筒形直槽，在傳動(dòng)動(dòng)力過程中，星形套2和筒形殼4可沿軸向相對移動(dòng)第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析四、等速萬向節(jié)1.球籠式萬向節(jié)（2）伸縮型球籠式萬向節(jié)兩軸交角范圍約為20°~25°，相較十字軸式萬向節(jié)相鄰兩軸的交角范圍有所增大，但要小于固定型球籠式萬向節(jié)多用于前置前驅(qū)且采用獨(dú)立懸架的乘用車轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋靠近主減速器側(cè)第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析四、等速萬向節(jié)2.三樞軸式萬向節(jié)主要由筒形殼、球面滾輪、滾針、三樞軸、彈性擋圈、卡簧等元件組成

第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析四、等速萬向節(jié)2.三樞軸式萬向節(jié)

三樞軸式萬向節(jié)能允許最大軸間交角為43°具有體積小、質(zhì)量輕、潤滑好、散熱快、承載大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、布置緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、工藝性突出等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在汽車驅(qū)動(dòng)橋中，特別是采用輕量化設(shè)計(jì)和布置較為困難的中小排量乘用車中第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析五、撓性萬向節(jié)依靠橡膠彈性元件的彈性變形來保證在相交兩軸間傳動(dòng)時(shí)不發(fā)生干涉。彈性元件可以是橡膠盤、橡膠金屬套筒、鉸接塊、六角環(huán)形橡膠圈等多種形狀第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析五、撓性萬向節(jié)撓性萬向節(jié)能減小傳動(dòng)系扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、動(dòng)載荷和噪聲，結(jié)構(gòu)簡單，使用中不需潤滑，一般用于兩軸間夾角不大（一般為3°~5°）和有很小軸向位移的萬向傳動(dòng)場合橡膠應(yīng)具有的力學(xué)特性：抗拉強(qiáng)度不小于15MPa；相對伸長率不小于350%；肖氏硬度為65～75HS；最大擠壓應(yīng)力為7.5～8.0MPa；切變模量G=0.85MPa；工作溫度為-45～80℃第三節(jié)萬向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析一、十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)1.單十字軸式萬向節(jié)傳動(dòng)

轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)第三節(jié)萬向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析

第三節(jié)萬向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析一、十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)1.單十字軸式萬向節(jié)傳動(dòng)十字軸萬向節(jié)的力矩平衡

第三節(jié)萬向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析

第三節(jié)萬向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析一、十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)1.單十字軸式萬向節(jié)傳動(dòng)十字軸萬向節(jié)的力矩平衡附加彎矩可引起與萬向節(jié)相連零部件的彎曲振動(dòng)，在萬向節(jié)主、從動(dòng)軸支承上引起周期性變化的徑向載荷，從而激起支承處的振動(dòng)，使傳動(dòng)軸產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形，從而降低傳動(dòng)軸的疲勞強(qiáng)度為了控制附加彎矩，應(yīng)避免兩軸之間的夾角過大第三節(jié)萬向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析一、十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)1.單十字軸式萬向節(jié)傳動(dòng)如果十字軸萬向節(jié)的主動(dòng)叉軸轉(zhuǎn)速不變，則從動(dòng)叉軸周期地加速、減速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的慣性力矩為

第三節(jié)萬向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析一、十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)2.雙十字軸式萬向節(jié)傳動(dòng)①第一萬向節(jié)兩軸間夾角α1與第二萬向節(jié)兩軸間夾角α2相等②第一萬向節(jié)的從動(dòng)叉與第二萬向節(jié)的主動(dòng)叉處于同一平面內(nèi)第三節(jié)萬向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析一、十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)3.多十字軸式萬向節(jié)傳動(dòng)從動(dòng)叉相對主動(dòng)叉的轉(zhuǎn)角叉與單萬向節(jié)相似：假如多萬向節(jié)傳動(dòng)的各軸軸線均在同一平面，且各傳動(dòng)軸兩端萬向節(jié)叉平面之間的夾角為零或π/2，則當(dāng)量夾角

第三節(jié)萬向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析二、雙聯(lián)式萬向節(jié)傳動(dòng)偏心式雙聯(lián)式萬向節(jié)

第三節(jié)萬向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析三、球籠式萬向節(jié)傳動(dòng)等速原理第三節(jié)萬向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析三、球籠式萬向節(jié)傳動(dòng)鋼球是主要的傳力部件，鋼球的運(yùn)動(dòng)對萬向節(jié)的工作能力和使用性能有著重要的作用當(dāng)主、從動(dòng)軸之間夾角為零時(shí)，鋼球的運(yùn)動(dòng)平面與傳動(dòng)軸垂直，此時(shí)鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓當(dāng)主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間存在夾角α之后，鋼球三種運(yùn)動(dòng)：繞軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓；平行于軸線的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一周中鋼球往返一次垂直于軸線的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一周中鋼球往返兩次因此在某一夾角α下高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼球?qū)a(chǎn)生很大的軸向力第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算一、計(jì)算載荷1.起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算一、計(jì)算載荷2.附著轉(zhuǎn)矩

第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算一、計(jì)算載荷3.日常行駛平均轉(zhuǎn)矩

日常汽車行駛的平均牽引力道路滾動(dòng)阻力系數(shù)平均爬坡能力系數(shù)性能系數(shù)第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算一、計(jì)算載荷第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算二、十字軸式萬向節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算損壞形式滾針軸承和十字軸軸頸的磨損過度磨損后，滾針軸承碗和十字軸軸頸工作表面將出現(xiàn)壓痕和剝落一般情況下，當(dāng)磨損或壓痕超過0.15mm時(shí)便應(yīng)報(bào)廢滾針直徑不小于1.6mm，公差帶0.003mm合適間隙0.009-0.095長度不超過軸頸第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算二、十字軸式萬向節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算滾針軸承接觸應(yīng)力

第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算二、十字軸式萬向節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算十字軸失效：軸頸根部斷裂軸頸應(yīng)力

T1計(jì)算轉(zhuǎn)矩rF到十字軸中心距

α最大夾角d1軸頸直徑d2油道直徑sF到軸頸根部距離第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算二、十字軸式萬向節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算萬向節(jié)叉

h/b1.01.51.752.02.53.04.010k0.2080.2310.2390.2460.2580.2670.2820.312

第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算

第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算二、十字軸式萬向節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算十字軸十字軸常用材料為20CrMnTi、20Cr、20MnVB、12CrNi3A等低碳合金鋼軸頸表面進(jìn)行滲碳淬火處理表面硬度為58～64HRC軸頸端面硬度不低于55HRC>-183050<=183050-有效硬化層深度mm0.6~1.00.8~1.21.0~1.41.1~1.5心部硬度HRC35~4833~4830~4525~40第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算二、十字軸式萬向節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算十字軸軸頸表面表面粗糙度不超過0.4μm軸頸端面表面粗糙度不超過0.8μm軸頸根部圓弧表面粗糙度不超過1.6μm其它非磨加工處表面粗糙度不超過3.2μm第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算二、十字軸式萬向節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩疲勞壽命

靜態(tài)承載能力系數(shù)動(dòng)態(tài)承載能力系數(shù)

工作轉(zhuǎn)速工作夾角工作轉(zhuǎn)矩第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算三、球籠式萬向節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算以與星形套連接軸的直徑作為萬向節(jié)基本尺寸

第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算三、球籠式萬向節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算轉(zhuǎn)矩傳遞能力疲勞壽命

相似系數(shù)許用比載荷球徑鋼球回轉(zhuǎn)中心直徑鋼球數(shù)夾角壓力角第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算

第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算四、撓性萬向節(jié)設(shè)計(jì)計(jì)算盤式橡膠盤的拉應(yīng)力和擠壓應(yīng)力應(yīng)滿足式中Tmax為萬向節(jié)靜強(qiáng)度計(jì)算轉(zhuǎn)矩，i為一個(gè)萬向節(jié)叉上的螺栓數(shù)，R為橡膠盤平均半徑，R1、R2為橡膠盤外、內(nèi)半徑，b為橡膠盤厚度，d0為螺栓孔直徑許用拉應(yīng)力12-15MPa，許用擠壓應(yīng)力8MPa

第五節(jié)傳動(dòng)軸和中間支承一、傳動(dòng)軸的分析與設(shè)計(jì)汽車傳動(dòng)軸的基本參數(shù)包括傳動(dòng)軸長度及其變化范圍、主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間的夾角及其變化范圍、傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速、軸管型式及尺寸、滑動(dòng)花鍵尺寸等在確定這些參數(shù)時(shí)，應(yīng)保證傳動(dòng)軸在任何工作條件下，工作可靠、壽命長傳動(dòng)軸的長度和夾角以及它們的變化范圍，是由汽車總布置設(shè)計(jì)所決定的第五節(jié)傳動(dòng)軸和中間支承一、傳動(dòng)軸的分析與設(shè)計(jì)夾角和長度主要取決于轉(zhuǎn)速傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速（r/min）6000450035003000250020001500最大夾角值（°）34567912傳動(dòng)軸長度（mm）0~11401140~15201520~1830-夾角（°）0~60~60~6≥6安全工作轉(zhuǎn)速（r/min）0.90nk0.85nk0.80nk0.65nk第五節(jié)傳動(dòng)軸和中間支承一、傳動(dòng)軸的分析與設(shè)計(jì)臨界轉(zhuǎn)速當(dāng)傳動(dòng)軸的工作轉(zhuǎn)速接近于其彎曲固有振動(dòng)頻率時(shí)，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以致振幅急劇增加而引起傳動(dòng)軸有折斷危險(xiǎn)的轉(zhuǎn)速它決定于傳動(dòng)軸的尺寸、結(jié)構(gòu)及支承情況

第五節(jié)傳動(dòng)軸和中間支承一、傳動(dòng)軸的分析與設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸管一般由壁厚均勻易平衡、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在長度一定時(shí)，傳動(dòng)軸軸管的斷面尺寸應(yīng)保證傳動(dòng)軸具有足夠的強(qiáng)度和足夠高的臨界轉(zhuǎn)速。同時(shí)斷面尺寸還應(yīng)保證有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度軸管的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力

第五節(jié)傳動(dòng)軸和中間支承

第五節(jié)傳動(dòng)軸和中間支承一、傳動(dòng)軸的分析與設(shè)計(jì)當(dāng)傳遞轉(zhuǎn)矩的花鍵伸縮時(shí)，產(chǎn)生的軸向阻力軸向阻力與摩擦因數(shù)成正比降低摩擦因數(shù)：對花鍵齒進(jìn)行磷化處理或噴涂尼龍層在花鍵槽中放入滾針、滾柱或滾珠等滾動(dòng)元件采用具有彈性的傳動(dòng)軸

第五節(jié)傳動(dòng)軸和中間支承一、傳動(dòng)軸的分析與設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸上的花鍵應(yīng)有潤滑及防塵措施，花鍵齒與鍵槽間隙不宜過大，且應(yīng)按對應(yīng)標(biāo)記裝配，以免裝錯(cuò)而破壞傳動(dòng)軸總成的動(dòng)平衡傳動(dòng)軸的伸縮花鍵一端不應(yīng)靠近后驅(qū)動(dòng)橋，而應(yīng)靠近變速器或中間支承，以減小其軸向阻力和磨損第五節(jié)傳動(dòng)軸和中間支承一、傳動(dòng)軸的分析與設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸總成的不平衡是傳動(dòng)系彎曲振動(dòng)