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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
重型貨車萬向傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)
院系名稱： 汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)班級(jí)： 車輛工程 B07-10班
學(xué)生姓名： 胡冰
指導(dǎo)教師： 姚佳巖
職 稱： 副教授
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一一年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Universal Transmission Design of
Heavy Goods Vehicles
Candidate：Hu Bing
Specialty ：Vehicle Engineering
Class：B07-10
Supervisor：Associate Prof. Yao Jiayan
Heilongjiang Institute of Technology
2011-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
本畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)是對(duì)解放CA1140型貨車進(jìn)行萬向傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)、研究。在指導(dǎo)老師的細(xì)心指導(dǎo)下，通過對(duì)汽車萬向傳動(dòng)裝置的了解，進(jìn)一步進(jìn)行萬向傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)。通過實(shí)際的市場(chǎng)調(diào)查和客觀的實(shí)際觀察，全面了解萬向傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)，充分了解到萬向傳動(dòng)裝置的工作原理與意義，及其在汽車行駛中的重要作用。在汽車的正常工作中，是一個(gè)必不缺少的部件，也是一個(gè)不可替代的關(guān)鍵部件。對(duì)于萬向傳動(dòng)裝置的研究，有很大的發(fā)展空間，具有相當(dāng)大的研究意義。在充分與指導(dǎo)老師討論、研究后，故選此課題。
在進(jìn)行設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，分析了萬向傳動(dòng)裝置類型的，根據(jù)題目所要求的原始數(shù)據(jù)要求，確定了所選用萬向傳動(dòng)軸的種類。在初定各個(gè)部件的相關(guān)尺寸后，根據(jù)要求進(jìn)行了計(jì)算和校核，確定了所設(shè)計(jì)部件的尺寸和參數(shù)，并選擇了零部件的材料。
關(guān)鍵字：萬向節(jié),傳動(dòng)軸，強(qiáng)度，計(jì)算，校核
ABSTRACT
This graduation task is on the Jiefang CA1140 type trucks for universal transmission design. In the instructor's careful guidance, through the automotive universal drive unit, further universal design of the drive shaft. Through actual market research and objective observations, a comprehensive understanding of the structure of universal drive shaft to fully understand the universal drive unit works and significance, and its vehicle. In the car's work, is a not missing parts, is a key part. For the study of universal drive shaft, have a high potential for growth, with considerable significance. In fully and instructor to discuss, study, this issue.
The design task, analyzed the universal transmission device type, under the title the required raw data requirements, decide to choose the kind of universal drive shaft. In various parts of the associated YTC sizes depending on the requirements for the calculation and check, determine the design part of dimensions and parameters, and selected parts of the material.
Keywords：Universal joint, Transmission shaft, Strength,Calculation, Check
I
目 錄
摘要 ………………………………………………………………………………………I
Abstract……………………………………………………………………………………II
第1章 緒論 …………………………………………………………………………1
1.1 選題的目的和意義 ………………………………………………………………1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) ……………………………………………………2
第 2 章 設(shè)計(jì)方案選擇 ………………………………………………………………4
2.1 萬向傳動(dòng)裝置基本組成的選擇 …………………………………………………4
2.2 萬向節(jié)類型的選擇 ………………………………………………………………4
2.3 十字軸式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析 …………………………………………………5
2.4 十字軸萬向節(jié)總成尺寸的確定與強(qiáng)度校核 ……………………………………5
2.5 中間支承結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) ………………………………………………………6
2.6 本章小結(jié) …………………………………………………………………………6
第3章萬向傳動(dòng)軸總成的設(shè)計(jì)……………………………………………………7
3.1 萬向傳動(dòng)軸總體概述及傳動(dòng)布置型式的選擇 …………………………………7
3.2 傳動(dòng)軸斷面尺寸的確定與強(qiáng)度校核 ……………………………………………8
3.2.1傳動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)分析 …………………………………………………………8
3.2.2傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速…………………………………………………………11
3.2.3傳動(dòng)軸管內(nèi)外徑確定………………………………………………………12
3.2.4傳動(dòng)軸扭矩強(qiáng)度校核………………………………………………………13
3.3 連接花鍵的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………14 3.3.1主傳動(dòng)軸滑動(dòng)花鍵的設(shè)計(jì)…………………………………………………14
3.3.2中間傳動(dòng)軸連接花鍵的設(shè)計(jì)………………………………………………18
3.4本章小結(jié) …………………………………………………………………………20
第4章 萬向節(jié)總成的設(shè)計(jì) ………………………………………………………21
4.1 萬向節(jié)類型的選擇………………………………………………………………21
4.2 十字軸式萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)分析 …………………………………………………22
4.2.1十字軸式萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)方案分析 ………………………………………22
4.2.2十字軸式萬向節(jié)傳動(dòng)不等速性分析 ……………………………………23
4.3 萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)和受力分析 ……………………………………………………24
4.3.1 單十字軸萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)和附加彎曲力偶矩的分析 ……………………24
4.3.2 雙十字軸萬向節(jié)傳動(dòng) ……………………………………………………26
4.3.3 多十字軸萬向節(jié)傳動(dòng) ……………………………………………………27
4.4 萬向節(jié)總成主要參數(shù)的確定與強(qiáng)度校核 ……………………………………28
4.4.1 十字軸 ……………………………………………………………………28
4.4.2 十字軸萬向節(jié)的滾針軸承 ………………………………………………31
4.4.3 十字軸萬向節(jié)的傳動(dòng)效率 ………………………………………………34
4.5 連接元件的設(shè)計(jì) ………………………………………………………………35
4.5.1 連接螺栓 …………………………………………………………………35
4.5.2 萬向節(jié)叉 …………………………………………………………………36
4.6 十字軸總成的潤(rùn)滑 ……………………………………………………………38
4.7 本章小結(jié) ………………………………………………………………………39
第5章中間支承總成的設(shè)計(jì)……………………………………………………40
5.1 中間支承的結(jié)構(gòu)分析與選擇 …………………………………………………40
5.2 軸承的選取與校核 ……………………………………………………………41
5.3 本章小結(jié) ………………………………………………………………………43
結(jié)論………………………………………………………………………………………44
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………………45
致謝………………………………………………………………………………………46
附錄………………………………………………………………………………………47
第1章 緒 論
1.1選題的目的和意義
在重型貨車萬向傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)充分克服傳動(dòng)效率低、傳動(dòng)部件壽命過短等方面的缺點(diǎn)，吸取在以往設(shè)計(jì)工作中的教訓(xùn)，大膽開闊視野，充分發(fā)揮我們的設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力，利用現(xiàn)有的先進(jìn)設(shè)備，并爭(zhēng)取引進(jìn)更先進(jìn)的硬件與軟件技術(shù)，努力與國(guó)際接軌，爭(zhēng)取開發(fā)一條能耗低、低成本、高效率、可靠性高的研究路線。
同時(shí)在降低成本與售價(jià)的同時(shí)，必須以保證整車性能質(zhì)量水平為前提，只能提高，不能降低。降低成本與售價(jià)， 一方面通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少零件，降好自重與材料消耗，另一方面尊通過改善經(jīng)營(yíng)管理模式，提高效率，把人員減至最少，讓資金周轉(zhuǎn)最快。在設(shè)計(jì)過程中保證所連接的兩軸相對(duì)位置在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，能可靠傳動(dòng)扭矩。保證所連接的兩軸能均勻旋轉(zhuǎn)，使夾角變化引起的動(dòng)載荷在允許范圍內(nèi)。傳動(dòng)效率高、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便。變速器或分動(dòng)器輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋輸入軸之間普遍采用十字軸萬向傳動(dòng)軸。在轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋中，多采用等速萬向傳動(dòng)軸。當(dāng)后驅(qū)動(dòng)橋?yàn)楠?dú)立的彈性元件，采用萬向傳動(dòng)裝置。同時(shí)也為了綜合運(yùn)用“汽車構(gòu)造”，“汽車?yán)碚摗?，“汽車設(shè)計(jì)”等設(shè)計(jì)專用知識(shí)，學(xué)習(xí)查閱和應(yīng)用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)的習(xí)慣，熟練掌握汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法和特點(diǎn)，尤其是萬向傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的方法和特點(diǎn)，為進(jìn)一步掌握萬向傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
如何最優(yōu)最好的把萬向傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)好是我們汽車人需要面對(duì)的問題，而其中的基礎(chǔ)技術(shù)，專利水平則是更需要大力提高的，如果解決重型貨車萬向傳動(dòng)裝置的技術(shù)瓶頸，將會(huì)大大提高我國(guó)的汽車技術(shù)水平，不在受制于外國(guó)，走自主發(fā)展的道路。在當(dāng)前我國(guó)汽車工業(yè)還處于以技術(shù)引進(jìn)，加工制造為主的階段，這要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)既要具有前瞻性，又要與實(shí)際情況相結(jié)合。要有自主開發(fā)的能力與信心，以更扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，更專業(yè)的基礎(chǔ)知識(shí)，更強(qiáng)的動(dòng)手實(shí)踐能力，更高的綜合素質(zhì)來完實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的最終完成。
通過畢業(yè)設(shè)計(jì)來強(qiáng)化我們對(duì)基本知識(shí)和基本技能的理解和掌握,培養(yǎng)學(xué)生收集資料和調(diào)查研究的能力,一定的方案比較、論證的能力,一定的理論分析與設(shè)計(jì)運(yùn)算能力,進(jìn)一步提高應(yīng)用計(jì)算機(jī)繪圖的能力以及設(shè)計(jì)計(jì)算能力。同時(shí)通過重型貨車萬向傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì),培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)汽車整車及零部件的能力,使我們能熟練掌握重型貨車萬向傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)過程；掌握資料的收集和分析、相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的選擇和運(yùn)用；掌握參數(shù)的確定、萬向傳動(dòng)裝置的布置和計(jì)算、設(shè)計(jì)方案的選擇、裝配圖，零件圖的繪制以及設(shè)計(jì)答辯的全過程。另外對(duì)培養(yǎng)我們獨(dú)立思考問題和解決問題的能力有著極大的幫助,為今后工作做好技術(shù)儲(chǔ)備,都具有十分重要意義。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
當(dāng)今，汽車萬向傳動(dòng)裝置一般由萬向節(jié)和傳動(dòng)軸組成，有時(shí)還需加裝中間支承。主要是實(shí)現(xiàn)汽車上任何一對(duì)軸線相交且相對(duì)位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)軸之間的動(dòng)力傳遞。萬向傳動(dòng)裝置除用于汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)外，還可用于動(dòng)力輸出裝置和轉(zhuǎn)向操縱裝置。萬向傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的合理與否直接影響傳動(dòng)系的傳動(dòng)性能。選用與布置的不當(dāng)會(huì)給傳動(dòng)系增添不必要的和設(shè)計(jì)未能估算在內(nèi)的附加動(dòng)負(fù)荷，可能導(dǎo)致傳動(dòng)系不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)和早期損壞，只有合理的設(shè)計(jì)，才能保證汽車在各種工況和路面條件情況下可靠的傳遞動(dòng)力。并且汽車萬向傳動(dòng)裝置是汽車底盤傳動(dòng)系的主要總成之一，在工作中承受著巨大的轉(zhuǎn)矩和動(dòng)負(fù)荷。經(jīng)長(zhǎng)期使用后，技術(shù)狀況會(huì)發(fā)生變化，從而將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力的傳遞，降低傳動(dòng)效率，加劇燃料消耗，加速輪胎磨損，同時(shí)還會(huì)影響變速器和驅(qū)動(dòng)橋的正常工作。萬向傳動(dòng)裝置的類型可分為閉式和開式兩種。閉式萬向傳動(dòng)裝置采用單萬向節(jié),傳動(dòng)軸被封閉在套管中,套管與車架做球鉸連接,而與驅(qū)動(dòng)橋固定連接。其最大特點(diǎn)是傳動(dòng)著外殼作為推力管來傳遞汽車的縱向力,從而使傳動(dòng)軸外殼起到了懸架系統(tǒng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中縱向擺臂的作用,這對(duì)于其后懸架拆用螺旋彈簧作為彈性元件是十分必要的。而開式萬向傳動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,重量輕,現(xiàn)代汽車廣泛應(yīng)用開式萬向傳動(dòng)裝置。根據(jù)在扭轉(zhuǎn)方向是否有明顯的彈性，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)是靠零件的鉸鏈?zhǔn)竭B接傳遞動(dòng)力，又分成不等速萬向節(jié)，準(zhǔn)等速萬向節(jié)和等速萬向節(jié)；撓性萬向節(jié)是靠彈性零件傳遞動(dòng)力的，具有緩沖減振作用。而萬向傳動(dòng)裝置則是重型貨車的關(guān)鍵部件之一，也是汽車國(guó)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(dòng)力的傳動(dòng)裝置，是汽車正常行駛不可或缺的一部分。隨著汽車工業(yè)100多年的發(fā)展歷史，萬向傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)形式也得到了很快的發(fā)展。
目前，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)合資企業(yè)能夠具備這樣的生產(chǎn)能力，多數(shù)國(guó)內(nèi)企業(yè)是在根據(jù)國(guó)外的樣件進(jìn)行開發(fā)生產(chǎn)，基本上沒有自主的設(shè)計(jì)開發(fā)能力。主要問題是制造門檻低，技術(shù)含量要求不高，制造水平參差不齊。重型貨車的配置幾乎都沒達(dá)到皮卡的水平，絕大多數(shù)功率還不到350N·m，排放高，燃油經(jīng)濟(jì)性差。而國(guó)外重型卡車不僅技術(shù)含量很高，甚至有的還高于乘用車水平，同時(shí)具備大功率，低排放和比較出色的燃油經(jīng)濟(jì)性。展望未來5年，我國(guó)經(jīng)濟(jì)將繼續(xù)保持高增長(zhǎng)速度，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型也將繼續(xù)向前推動(dòng)，國(guó)家對(duì)基本建設(shè)投資的力度加大，尤其是重型汽車生產(chǎn)企業(yè)。近幾年，隨著國(guó)內(nèi)重型載貨汽車生產(chǎn)企業(yè)與國(guó)外重型載貨汽車生產(chǎn)企業(yè)技術(shù)交流、合資合作的加強(qiáng)及發(fā)展，以及國(guó)內(nèi)重型載貨汽車生產(chǎn)企業(yè)為適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，研發(fā)工作受到廣泛重視，在汽車舒適性、安全性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)保性等方面取得了一定進(jìn)步。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)主要25家重卡車企的產(chǎn)能已經(jīng)達(dá)到100萬輛以上,在3-5年之后,預(yù)計(jì)國(guó)產(chǎn)重卡的產(chǎn)銷量將膨脹達(dá)到150—200萬輛,市場(chǎng)將飽和過剩，競(jìng)爭(zhēng)將變得更加慘烈，屆時(shí)將會(huì)有一半的重卡車企遭到淘汰。隨著公路和鐵路建設(shè)，現(xiàn)代物流業(yè)和節(jié)能減排工程以及民生工程的實(shí)施到位，必將為緊系國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重卡產(chǎn)業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇。無數(shù)的事實(shí)證明，如果我們沒有自主創(chuàng)新的最終結(jié)果就是企業(yè)的發(fā)展強(qiáng)烈的依賴別人，落得極為被動(dòng)的局面，因此我們應(yīng)該清楚地認(rèn)識(shí)到：在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，技術(shù)并不能全球化，核心技術(shù)是買不來的，尤其像萬向傳動(dòng)裝置等技術(shù)，我們基本處于引進(jìn)來照著搬的套路來的，在大量引進(jìn)的同時(shí)，也失去了很多自主發(fā)展的機(jī)會(huì),我國(guó)應(yīng)掌握萬向傳動(dòng)裝置的核心技術(shù)，提高制造核心部件的能力，降低損耗，成本和投資風(fēng)險(xiǎn)。所以，必須把提高自主創(chuàng)新能力放在首位，加強(qiáng)我們的自己技術(shù)水平，努力做到最好。
第2章 方案的選擇
2.1萬向傳動(dòng)裝置基本組成的選擇
選定CA1140重型貨車車為前置后驅(qū)的布置形式，平頭駕駛室。因其用途一般，則軸數(shù)根據(jù)其特點(diǎn)確定為兩軸，驅(qū)動(dòng)形式：4х2，后輪驅(qū)動(dòng)。在汽車行駛過程中，由于發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)及不平路面的沖擊等因素引起彈性懸架系統(tǒng)的振動(dòng)，使變速器的輸出軸和驅(qū)動(dòng)橋的輸入軸相對(duì)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(dòng)軸組成的萬向傳動(dòng)裝置。在變速器與驅(qū)動(dòng)橋之間距離較遠(yuǎn)的情況下，應(yīng)將傳動(dòng)軸分成兩段，并用三個(gè)十字軸式剛性萬向節(jié)連接起來，且在中間傳動(dòng)軸后端加裝中間支承。為了避免運(yùn)動(dòng)干涉,在傳動(dòng)軸中設(shè)有由滑動(dòng)叉和花鍵軸組成的伸縮節(jié),以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸長(zhǎng)度的變化?？招膫鲃?dòng)軸具有較小的質(zhì)量，能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，比實(shí)心傳動(dòng)軸具有更高的臨界轉(zhuǎn)速，所以此傳動(dòng)軸管采用空心傳動(dòng)軸。根據(jù)給定的發(fā)動(dòng)機(jī)功率、變速器最大傳動(dòng)動(dòng)比、主速器傳動(dòng)動(dòng)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(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速的校核。
圖2.1傳動(dòng)裝置的布置
2.2萬向節(jié)類型的選擇
對(duì)萬向節(jié)類型及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并結(jié)合CA1140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(duì)的車型為重型貨車，對(duì)其萬向傳動(dòng)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(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修方便等要求，且傳動(dòng)可靠,效率較高，目前允許兩傳動(dòng)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)。本設(shè)計(jì)選用十字軸式剛性萬向節(jié)，帶中間支承的兩段式傳動(dòng)軸。
2.3十字軸式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析
采用十字軸萬向傳動(dòng)軸，為了避免運(yùn)動(dòng)干涉,在傳動(dòng)軸中設(shè)有由滑動(dòng)叉和花鍵軸組成的伸縮節(jié),以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸長(zhǎng)度的變化?？招膫鲃?dòng)軸具有較小的質(zhì)量，能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，比實(shí)心傳動(dòng)軸具有更高的臨界轉(zhuǎn)速，所以此傳動(dòng)軸管采用空心傳動(dòng)軸。
十字軸式萬向節(jié)的基本構(gòu)造，一般由一個(gè)十字軸、主動(dòng)叉、從動(dòng)叉、滾針軸承及其軸向定位件和橡膠密封件等組成。兩個(gè)萬向節(jié)叉上的孔分別松套在十字軸的兩對(duì)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。重型汽車有時(shí)采取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)。然后，將套筒固定在萬向節(jié)叉上，以防止軸承在離心力作用下從萬向節(jié)叉內(nèi)脫出引起十字軸軸向竄動(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。這樣，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)。目前，最常見的滾針軸承軸向定位方式有普通蓋板式、彈性蓋板式、外卡式、內(nèi)卡式、瓦蓋固定式和塑料環(huán)定位式等。
2.4十字軸萬向節(jié)總成尺寸的確定與強(qiáng)度校核
1、十字軸
車輛行駛時(shí)，由于扭矩傳遞的方向一致，十字軸的受力方向也一致。久而久之，造成十字軸軸頸的單邊磨損，隨著時(shí)間的推移，十字軸受力的一面便會(huì)磨損加大，起槽，以致于松曠發(fā)響。可以采取將十字軸在相對(duì)于原先位置轉(zhuǎn)動(dòng)90°再使用，這樣可以延長(zhǎng)使用時(shí)間。在組裝時(shí)應(yīng)注意將有油嘴的一面朝向傳動(dòng)軸，萬向節(jié)叉應(yīng)在十字軸上轉(zhuǎn)動(dòng)自如，不應(yīng)有卡滯現(xiàn)象，也不應(yīng)出現(xiàn)有軸向的間隙。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。
2、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，大多都采用錐頭滾針。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。
3、連接螺栓
在發(fā)動(dòng)機(jī)前置后驅(qū)動(dòng)的汽車中，連接變速器與驅(qū)動(dòng)橋之間的傳動(dòng)軸是靠萬向節(jié)叉與驅(qū)動(dòng)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。
4、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截面處，萬向節(jié)叉承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，應(yīng)對(duì)其彎曲應(yīng)力和扭應(yīng)力進(jìn)行校核。
5、連接花鍵
傳動(dòng)軸上的花鍵應(yīng)有潤(rùn)滑及防塵措施，花鍵齒與鍵槽間隙不易過大，且應(yīng)按對(duì)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，應(yīng)靠近中間支承或變速器，以減小其軸向阻力和摩擦。
2.5中間支承結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)
在長(zhǎng)軸距汽車上，為了提高傳動(dòng)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(dòng)軸分段。在乘用車中，有時(shí)為了提高傳動(dòng)系的彎曲剛度，改善傳動(dòng)系彎曲振動(dòng)看特性，減小噪聲，也將傳動(dòng)軸分成兩段。當(dāng)傳動(dòng)軸分段時(shí)，需加設(shè)中間支承。中間支承通常安裝在車架橫梁上或車身底架上，以補(bǔ)償傳動(dòng)軸軸向和角度方向的安裝誤差，以及車輛在行駛過程中由于彈性支承的發(fā)動(dòng)機(jī)的竄動(dòng)和車架等變形所引起的位移。目前廣泛采用的橡膠彈性中間支承，其結(jié)構(gòu)中采用單列球軸承，橡膠彈性元件能吸收傳動(dòng)軸的振動(dòng)，降低噪聲。這種彈性中間支承不能傳遞軸向力，它主要承受傳動(dòng)軸因不平衡、偏心等因素引起的徑向力，以及萬向節(jié)上的附加彎矩所引起的徑向力。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，固有頻率對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速 r/min盡可能低于傳動(dòng)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1000～2000r/min，對(duì)于乘用車，取下限。當(dāng)中間支承的固有頻率依此數(shù)據(jù)確定時(shí)，由于傳動(dòng)軸不平衡引起的共振轉(zhuǎn)速1000～2000r/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(dòng)軸的共振。
2.6本章小結(jié)
通過本章方案的選擇，能初步確定萬向傳動(dòng)軸的方案及主要參數(shù)，選用開式兩軸傳動(dòng)，根據(jù)萬向節(jié)的類型選取適合本設(shè)計(jì)的萬向節(jié)形式及連接方式，選用三個(gè)萬向節(jié)十字軸式，同時(shí)也確定了萬向節(jié)總成主要參數(shù)，最后分析傳動(dòng)過程的振動(dòng),確定中間支承的選擇方案后選定支承方式，對(duì)總體的設(shè)計(jì)有了初步的方向和把握。
第3章 萬向傳動(dòng)軸總成的設(shè)計(jì)
3.1萬向傳動(dòng)軸總體概述及傳動(dòng)布置型式的選擇
萬向傳動(dòng)軸與其所連接的萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。通常，萬向傳動(dòng)軸由中間部分和端部組成。中間部分可分為實(shí)心軸或者為空心的軸管?？招牡妮S管具有較小的質(zhì)量但能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩和更高的臨界轉(zhuǎn)速，故用作汽車傳動(dòng)系的萬向傳動(dòng)軸。
傳動(dòng)軸是將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩經(jīng)變速器傳遞給前驅(qū)和后驅(qū)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)速達(dá)3000~7000r/min，振動(dòng)是傳動(dòng)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(dòng)。為選型設(shè)計(jì)提供依據(jù)，傳動(dòng)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。
車輛的萬向節(jié)傳動(dòng)，主要應(yīng)用于非同心軸間和工作中相對(duì)位置不斷改變的兩軸之間的動(dòng)力傳遞。裝在變速器輸出軸與前后驅(qū)動(dòng)橋之間。變速器的動(dòng)力輸出軸和驅(qū)動(dòng)橋的動(dòng)力輸入軸不在一個(gè)平面內(nèi)。有的汽車根據(jù)總布置要求需將離合器與變速器分開一段距離，變速箱與驅(qū)動(dòng)橋之間的相對(duì)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(dòng)軸、兩個(gè)或多個(gè)十字軸萬向節(jié)的傳動(dòng)。下圖3.1為用于汽車變速箱與驅(qū)動(dòng)橋之間的不同萬向傳動(dòng)方案。
（a）單軸雙萬向節(jié)式
（b）兩軸三萬向節(jié)式
圖3.1 汽車的萬向傳動(dòng)方案
如圖a為常用的單軸雙萬向節(jié)傳動(dòng)，如圖b為連接距離較長(zhǎng)且不宜于采用單軸雙萬向節(jié)傳動(dòng)的連接。由于參考車型軸距為4.75米，故選取如圖b的傳動(dòng)方案。
3.2傳動(dòng)軸斷面尺寸的確定與強(qiáng)度校核
3.2.1傳動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)分析
傳動(dòng)軸的長(zhǎng)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(dòng)軸長(zhǎng)度處在最大值時(shí)，套管叉與花鍵軸有足夠的配合長(zhǎng)度；而在長(zhǎng)度處于最小時(shí)，兩者不頂死。傳動(dòng)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(dòng)效率和十字軸旋轉(zhuǎn)的不均勻性。
當(dāng)傳動(dòng)軸長(zhǎng)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(dòng)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(zhǎng)度為L(zhǎng)的傳動(dòng)軸，在兩支點(diǎn)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，如圖3.2所示，由于軸自身的重力作用，使傳動(dòng)軸中心（即質(zhì)量中心）相對(duì)軸線有一偏移量（初撓度）e，如果再考慮到軸與孔的間隙，傳動(dòng)軸質(zhì)量的不均勻，則e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)離心力又將引起傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)軸的撓度也隨時(shí)在變化。即傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)，將伴隨有彎曲振動(dòng)，它的頻率即等于傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。當(dāng)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速接近于它的彎曲自然振動(dòng)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(dòng)軸折斷，這一轉(zhuǎn)速即為傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速。
圖3.2 萬向節(jié)傳動(dòng)軸的彎曲振動(dòng)
傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速與軸的直徑、長(zhǎng)度和支承點(diǎn)數(shù)目有關(guān)。設(shè)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為。作用在傳動(dòng)軸上的離心力則為：
（3.1）
式中:m—傳動(dòng)軸的質(zhì)量。
這時(shí)離心力被與長(zhǎng)度成正比的材料彈性力p所平衡，由材料力學(xué)得知：
（3.2）
式中：E—傳動(dòng)軸材料的抗拉彈性模數(shù)，N/mm2；
L—支承長(zhǎng)度，取兩萬向節(jié)的中心距離（mm）；
I—軸剖面對(duì)其對(duì)稱軸線（直徑）的轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)度平均分布時(shí)，而在同樣受載情況下，對(duì)兩端固定支架支承的梁；
P—材料彈性力。
由平衡條件得：
（3.3）
解得： （3.4）
式中：e—初撓度；
y—附加撓度；
ω—傳動(dòng)軸角速度。
當(dāng)時(shí)，軸的撓度y趨于無窮大，即若軸以與此相應(yīng)的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)必將折斷。這時(shí)：
（3.5）
對(duì)于直徑為D的實(shí)心軸，由力學(xué)得知
， （3.6）
式中：—傳動(dòng)軸材料單位體積重量。
由此，對(duì)于兩端自由支承（開式傳動(dòng)軸），且載荷沿軸長(zhǎng)平均分布的軸，其臨界轉(zhuǎn)速為：
r/min （3.7）
對(duì)于兩端有固定支承的軸（軸封閉于傳動(dòng)軸套管中的閉式傳動(dòng)軸），則：
r/min （3.8）
對(duì)于大量采用的空心軸，若其剖面外徑D，內(nèi)徑為d，則：
于是兩端自由支承的軸：
r/min （3.9）
對(duì)兩端固定支承的軸，則：
r/min （3.10）
以上各式中D、d、L均用同樣的長(zhǎng)度單位（毫米）。對(duì)于絕大多數(shù)開式傳動(dòng)軸，可按兩端自由支承的軸來計(jì)算，工作長(zhǎng)度L可取兩萬向節(jié)中心間距離。如為閉式傳動(dòng)軸，可按兩端固定支承的軸承計(jì)算，工作長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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，下降，為了提高可縮短傳動(dòng)軸長(zhǎng)度，增大軸管內(nèi)外徑。所以當(dāng)mm時(shí)，常采用中間支承。當(dāng)傳動(dòng)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1.5～3.0mm；對(duì)每根傳動(dòng)軸總成應(yīng)進(jìn)行動(dòng)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(dòng)軸截面尺寸時(shí)，一定要使傳動(dòng)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)。
（3.11）
式中：—為對(duì)應(yīng)于車輛最大行駛速度時(shí)，傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。
如果傳動(dòng)軸的動(dòng)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(dòng)軸質(zhì)量不平衡或花鍵連接處磨損出間隙后，傳動(dòng)軸就能在低于臨界轉(zhuǎn)速下發(fā)生破壞。表3.1為某載重汽車的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表示傳動(dòng)軸破壞轉(zhuǎn)速。
傳動(dòng)軸總成應(yīng)進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，其不平衡度為：對(duì)轎車及輕型客、貨車，3000~6000r/min時(shí)不大于1~2N·mm；對(duì)5t以上的貨車，在1000~4000r/min時(shí)不大于10N·mm。十字軸端面磨損會(huì)使其軸向間隙及竄動(dòng)增大而影響動(dòng)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(dòng)軸總成的徑向全跳動(dòng)動(dòng)應(yīng)不大0.5~0.8mm。由公式3.10可以確定傳動(dòng)軸總成的最大可能長(zhǎng)度，如果它小于汽車總布置所要求的傳動(dòng)軸尺寸，則需在變速器和后驅(qū)動(dòng)橋之間安置兩根萬向傳動(dòng)軸，且在它們的聯(lián)接處（在前傳動(dòng)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(dòng)軸的長(zhǎng)度而采用加長(zhǎng)的變速器。
表3.1 某載重汽車傳動(dòng)軸的破壞轉(zhuǎn)速與行駛里程的關(guān)系
行駛里程（km）
0
17000
100000
在重心平面上的振擺（mm）
1.15
1.58
2.75
破壞轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速之比（）
0.92
0.86
0.69
3.2.2傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速
本設(shè)計(jì)傳動(dòng)方式為開式、兩軸，三個(gè)萬向節(jié)帶中間支承形式。解放牌CA1140重型載貨汽車主要技參數(shù)見附錄。
由安全系數(shù)，得計(jì)算臨界轉(zhuǎn)，取k=1.5，轉(zhuǎn)速為對(duì)應(yīng)于車輛最大行駛速度時(shí)，傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速
式中：—發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)的轉(zhuǎn)速r/min；
—變速器最高檔傳動(dòng)比；則：r/min。
將 r/min代入得：
r/min
取r/min
3.2.3傳動(dòng)軸管內(nèi)外徑確定
選取主傳動(dòng)軸進(jìn)行計(jì)算：電焊管參數(shù)應(yīng)按冶金部標(biāo)準(zhǔn)YB242-63選取。表3.2給出外徑D=60~95mm的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值。
表3.2 60～95mm電焊鋼管YB242-63 （mm）
外徑（mm）
鋼管厚度（mm）
60
1.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、
63.5
1.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、
70
1.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、
75
1.4、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
83
1.4、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
89
1.4、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、4.8
95
1.4、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、4.8
由于傳動(dòng)軸為開式，兩端自由支承所以臨界轉(zhuǎn)速按公式3.9計(jì)算。設(shè)主傳動(dòng)軸外徑為，內(nèi)徑為，傳動(dòng)軸管厚度為B。初選傳動(dòng)軸管外徑mm，厚度mm，則mm將r/min，主傳動(dòng)軸長(zhǎng)度mm，外徑mm，內(nèi)徑mm代入3.9得：
經(jīng)計(jì)算主傳動(dòng)軸符合臨界轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)要求。
3.2.4傳動(dòng)軸扭矩強(qiáng)度校核
在按臨界轉(zhuǎn)速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(dòng)軸夾角α引起的附加扭矩和彎矩很小，所以為了計(jì)算簡(jiǎn)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(dòng)軸的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(MPa)可按下式計(jì)算：
（3.12）
式中：—傳動(dòng)軸的計(jì)算扭矩，N·mm；
W—抗扭斷面模量，對(duì)空心軸。
將W代入上式，則傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度應(yīng)滿足以下要求：
（3.13）
式中：—許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，MPa
傳動(dòng)軸計(jì)算扭計(jì)算公式如下:
（3.14）
式中：—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩(N·mm)，N·mm；
—計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋數(shù)，CA1140為后橋驅(qū)動(dòng)車輛，所以?。?
—變速器一擋傳動(dòng)比，CA1140裝配的變速器一擋傳動(dòng)比；
—發(fā)動(dòng)機(jī)到萬向傳動(dòng)軸之間的傳動(dòng)效率，??；
—猛接離合器所產(chǎn)生的動(dòng)載系數(shù)，液力自動(dòng)變速器，具有手動(dòng)操縱
機(jī)械變速器的高性能賽車，性能系數(shù) 的汽車：，的汽車：或由經(jīng)驗(yàn)選定。
性能系數(shù)計(jì)算由下式計(jì)算：
當(dāng)時(shí)
當(dāng)時(shí)
式中：—汽車滿載質(zhì)量（若有掛車，則要加上掛車質(zhì)量），kg；
由CA1140技術(shù)參數(shù)查得：Kg，N·m。代入得：
，，取。
將N·mm、、、、代入公式3.14得：
3987400N·mm
將傳動(dòng)軸計(jì)算扭矩N·mm，傳動(dòng)軸管外徑mm，內(nèi)徑mm代入公式3.13得：
MPa
經(jīng)計(jì)算主傳動(dòng)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(dòng)軸比主傳動(dòng)軸短，所以主傳動(dòng)軸軸管的外徑和管壁厚度同樣適用于中間傳動(dòng)軸。
3.3連接花鍵的設(shè)計(jì)
3.3.1主傳動(dòng)軸滑動(dòng)花鍵的設(shè)計(jì)
汽車行駛過程中，變速器與驅(qū)動(dòng)橋的相對(duì)位置經(jīng)常變化。為避免運(yùn)動(dòng)干涉，傳動(dòng)軸中設(shè)有由滑動(dòng)叉和矩形或漸開線花鍵軸組成的滑動(dòng)花鍵來以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸長(zhǎng)度的變化?；瑒?dòng)花鍵有矩形花鍵和漸開線花鍵兩種形式。本設(shè)計(jì)選矩形花鍵，用于補(bǔ)償由于汽車行駛時(shí)傳動(dòng)軸兩端萬向節(jié)之間的長(zhǎng)度變化。為減小滑動(dòng)花鍵的軸向滑動(dòng)阻力及磨損，有時(shí)對(duì)花鍵齒進(jìn)行磷化處理或噴涂尼龍層，外層設(shè)有防塵罩，間隙小一些，以免引起傳動(dòng)軸的振動(dòng)。有的則是在花鍵槽中放入滾針、滾柱或滾珠等滾動(dòng)元件，以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，從而提高傳動(dòng)效率。花鍵齒與鍵槽按對(duì)應(yīng)標(biāo)記裝配，以保持傳動(dòng)軸總成的動(dòng)平衡。動(dòng)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(dòng)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)圖如圖3.3所示:
圖 3.3 萬向傳動(dòng)軸—花鍵軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1-蓋子；2-蓋板；3-蓋墊；4-萬向節(jié)叉；5-加油嘴；6-花鍵套；
7-滑動(dòng)花鍵槽；8-油封；9-油封蓋；10-傳動(dòng)軸管
其主要參數(shù)可按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取。下表3.3給出了部分系列花鍵的基本尺寸：初選花鍵斷面基本尺寸N×d×D×B 為16×62×72×6。
矩形花鍵主要有下圖3.4所示四種形式：由于汽車上所用的花鍵要求可以沿軸向滑動(dòng)，所以選A型花鍵。表3.4給出了部分矩形內(nèi)花鍵長(zhǎng)度：
根據(jù)表3.4所給出的長(zhǎng)度，初選花鍵長(zhǎng)度mm，花鍵軸孔長(zhǎng)度mm。
在選定花鍵尺寸后，還應(yīng)對(duì)作用在花鍵軸上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(MPa)和作用在齒側(cè)的擠壓應(yīng)力(MPa)進(jìn)行校核。
表3.3 矩形花鍵基本尺寸系列（摘自GB/T 1144-2001） （mm）
規(guī)格
N×D×d×N
鍵數(shù)
N
大徑
D
小徑
d
鍵寬
N
10×103×93×14
10
102
92
14
10×113×103×16
112
102
16
10×125×113×18
125
112
18
10×140×125×20
140
125
20
10×160×145×22
160
145
22
16×50×43×5
16
50
43
5
16×60×53×5
60
52
5
16×73×63×6
72
62
6
16×83×73×7
82
72
7
注：表中 N-鍵齒數(shù)；D-花鍵大徑；d-花鍵小徑；B-鍵寬；
表3.4 矩形內(nèi)花鍵長(zhǎng)度系列(摘自GB/T 10081-1988) （mm）
花鍵小徑d
36～52
花鍵長(zhǎng)度或
22～120
孔的最大長(zhǎng)度L
200
花鍵長(zhǎng)度或系列
10,12,15,18,22,25,28,30,32,36,38,42,45,48,50,56,60,63,71,75,80,85,90,95,100,110,120,130,140,160,180,200
對(duì)于傳動(dòng)軸上的花鍵軸，通常以底徑計(jì)算扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(MPa)，的計(jì)算公式如下：
（3.15）
式中：T—傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩（N·mm）；
—花鍵軸的花鍵內(nèi)徑（mm）；
—許用應(yīng)力，按安全系數(shù)確定，取，則：MPa；
將N.mm、mm代入公式3.15得：
MPa
經(jīng)校核主傳動(dòng)軸花鍵的齒根扭轉(zhuǎn)應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。
傳動(dòng)軸花鍵的齒側(cè)擠壓應(yīng)力MPa計(jì)算公式如下：
（3.16）
圖3.4矩形花鍵的主要形式
式中：T—傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩（N·mm）；
—花鍵轉(zhuǎn)矩分布不均勻系數(shù)，，?。?
、—分別為花鍵外徑和內(nèi)徑（mm）；
—花鍵的有效工作長(zhǎng)度（mm）；
N—花鍵齒數(shù)；
—許用擠壓應(yīng)力(MPa)。
當(dāng)花鍵的齒而硬度大于35HRC時(shí)，滑動(dòng)花鍵MPa。
將N·mm、、mm、mm、mm、代入公式（3.16）得：
MPa 經(jīng)校核主傳動(dòng)軸花鍵齒側(cè)擠壓應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。
當(dāng)傳遞轉(zhuǎn)矩的花鍵伸縮時(shí)，產(chǎn)生的軸向阻力為：
（3.17）
式中：—傳動(dòng)軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，Nmm；
r—滑動(dòng)花鍵齒側(cè)工作表面的中徑，mm；
f—摩因數(shù)，，取。
代入公式3.17得：
N
為了減小滑動(dòng)花鍵的軸向滑動(dòng)阻力和磨損，有時(shí)對(duì)花鍵齒進(jìn)行磷化處理或噴涂尼龍層，有的則在花鍵槽中放入滾針、滾柱或滾珠等滾動(dòng)元件，以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，從而提高傳動(dòng)效率。但這種結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高。有時(shí)對(duì)于有嚴(yán)重沖擊載荷的傳動(dòng)，還采用具有彈性的傳動(dòng)軸。傳動(dòng)軸上的花鍵應(yīng)有潤(rùn)滑及防塵措施，花鍵齒與鍵槽間隙不宜過大，且應(yīng)按對(duì)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。
3.3.2中間傳動(dòng)軸連接花鍵的設(shè)計(jì)
由于所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸為兩段，為中間傳動(dòng)軸和主傳動(dòng)軸，所以要考慮兩段軸的連接問題。通常將中間傳動(dòng)軸加工出一段花鍵和一段螺紋，花鍵與中間傳動(dòng)軸凸緣叉組成花鍵副，再用一個(gè)開槽螺母將凸緣叉軸向定位，防止凸緣叉軸向竄動(dòng)，再將凸緣叉與萬向節(jié)叉相連實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞。
選取中間傳動(dòng)軸花鍵鍵型為矩型花鍵，主要尺寸參照表3.3：初選花鍵小徑mm，大徑mm，鍵齒數(shù)N=16，鍵寬B=5mm。參照表3.4，取鍵長(zhǎng) mm。
選定花鍵尺寸后，對(duì)作用在花鍵軸上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力(MPa)和作用在齒側(cè)的擠壓應(yīng)力(MPa)進(jìn)行校核。
對(duì)于傳動(dòng)軸上的花鍵軸，通常以底徑計(jì)算其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力MPa，其許用應(yīng)力同上， MPa。的計(jì)算公式如下：
（3.18）
將、代入公式3.18得：
MPaMPa
經(jīng)校核中間傳動(dòng)軸齒根扭轉(zhuǎn)應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。
中間傳動(dòng)軸花鍵的齒側(cè)擠壓應(yīng)力MPa應(yīng)滿足：
（3.19）
式中：T—傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩（N·mm）；
—花鍵轉(zhuǎn)矩分布不均勻系數(shù)，，取；
、—分別為花鍵外徑和內(nèi)徑（mm）；
—花鍵的有效工作長(zhǎng)度（mm）；
N—花鍵齒數(shù)；
—許用擠壓應(yīng)力。
當(dāng)花鍵的齒而硬度大于35HRC時(shí)，非滑動(dòng)花鍵許用擠壓應(yīng)力 MPa，取MPa。
將N.mm、、mm、mm、mm、代入公式（3.19）得：
MPa
經(jīng)校核中間傳動(dòng)軸花鍵齒側(cè)擠壓應(yīng)力符合設(shè)計(jì)要求。
3.4本章小結(jié)
本章完成了對(duì)中間傳動(dòng)軸、主傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)。在給定了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、變速器低擋傳動(dòng)比的情況下確定了中間傳動(dòng)軸與主傳動(dòng)軸的內(nèi)、外徑，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況工作時(shí)傳動(dòng)軸不發(fā)生共振形成傳動(dòng)軸的折斷。在確定了傳動(dòng)軸尺寸后對(duì)其扭轉(zhuǎn)應(yīng)力進(jìn)行了校核，使傳動(dòng)軸在各種工況以及沖載荷情況下不會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。兩段傳動(dòng)軸間轉(zhuǎn)矩是靠主傳動(dòng)軸花鍵與中間傳動(dòng)軸花鍵傳遞的，這兩處花鍵的設(shè)計(jì)也是這一章的重中之重。本設(shè)計(jì)中選用了相對(duì)漸開線花鍵定心精度更高、加工更容易的矩型花鍵，這種形式提高了傳動(dòng)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，也減少了花鍵的磨擦從而提高了傳動(dòng)軸整體的使用壽命。由于花鍵配合間隙小，減小了車輛行駛時(shí)的振動(dòng)的噪聲，提高了駕駛舒適性。
第4章 萬向節(jié)總成的設(shè)計(jì)
4.1萬向節(jié)類型的選擇
萬向節(jié)是轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)軸之間實(shí)現(xiàn)變角度傳遞動(dòng)力的基本部件，按其在扭轉(zhuǎn)方向上是否有明顯的彈性，可分為撓性萬向節(jié)和剛性萬向節(jié)。剛性萬向節(jié)的動(dòng)力是靠零件之間的鉸鏈?zhǔn)竭B接傳遞的；而撓性萬向節(jié)的動(dòng)力則靠彈性零件傳遞的，且有一定的緩沖減振作用。剛性萬向節(jié)根據(jù)其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)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)三種形式。
不等速萬向節(jié)是指萬向節(jié)連接的兩軸夾角大于零時(shí)，輸出軸和輸入軸之間以變化的瞬時(shí)角速度比傳遞運(yùn)動(dòng)，但平均角速度相等的萬向節(jié)。準(zhǔn)等速萬向節(jié)是指在設(shè)計(jì)角度下以相等的瞬時(shí)角速度傳遞運(yùn)動(dòng)，而在其他角度下以近似相等的瞬時(shí)角速度傳遞運(yùn)動(dòng)的萬向節(jié)。輸出軸和輸入軸以始終相等的瞬時(shí)角速度傳遞運(yùn)動(dòng)的萬向節(jié)，稱之為等速萬向節(jié)。萬向節(jié)分類如下圖4.1所示：
萬向節(jié)
剛性萬向節(jié)
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
三銷軸式
球面滾輪式樣
等速萬向節(jié)
球叉式
球籠式
撓性萬向節(jié)
圖4.1 萬向節(jié)的分類
由于十字軸式萬向節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)可靠、效率高、且制造成本低，被廣泛應(yīng)用于各類汽車的傳動(dòng)系統(tǒng)中。根據(jù)本設(shè)計(jì)適用的車型，選用十字軸式萬向節(jié)。
4.2十字軸式萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)方案與傳動(dòng)不等速性分析
4.2.1十字軸式萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)方案分析
十字軸式萬向節(jié)的基本構(gòu)造，一般由一個(gè)十字軸、主動(dòng)叉、從動(dòng)叉、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(duì)軸頸上。為了減少磨擦損失、提高效率、在十字軸軸頸和萬向節(jié)間有由滾針和套筒組成的滾針軸承。然后，將套筒固定在萬向節(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(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)。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。
最普通的蓋板式軸承軸向定位結(jié)構(gòu)是用螺栓和蓋板將套筒固定在萬向節(jié)叉上，并用鎖片將螺栓鎖緊。它工作可靠，拆裝方便，但零件數(shù)目較多。有時(shí)將彈性蓋板點(diǎn)焊于軸承座底部，裝配后，彈性蓋板對(duì)軸承座底部有一定的預(yù)壓力，用來防止高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于離心力作用，在十字軸端面與軸承座底之間出現(xiàn)間隙而引起十字軸軸向竄動(dòng)，并避免了由于這種竄動(dòng)所造成的傳動(dòng)軸動(dòng)平衡狀態(tài)的破壞。卡環(huán)式又分為外卡式和內(nèi)卡式兩種。它們具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、零件少和質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)。瓦蓋固定式結(jié)構(gòu)中的萬向節(jié)叉與十字軸頸配合的圓孔不是一個(gè)整體，而分成兩半，再用螺釘連接起來。這種結(jié)構(gòu)具有拆裝方便、使用可靠的優(yōu)點(diǎn)，但加工藝復(fù)雜。塑料環(huán)定位結(jié)構(gòu)是在軸承碗外圓和萬向節(jié)叉的軸承孔中部開一環(huán)形槽，當(dāng)滾針軸承動(dòng)配合裝入萬向節(jié)叉到正確位置時(shí)，將塑料經(jīng)萬向節(jié)叉上的小孔壓注到環(huán)槽中，待萬向節(jié)叉上另一與環(huán)槽垂直的小孔有塑料溢出時(shí)，表明塑料己充滿環(huán)槽。這種結(jié)構(gòu)軸向定位可靠，十字軸軸向竄動(dòng)小，但拆裝不方便。為了防止十字軸軸向竄動(dòng)和發(fā)熱，保證在任何工況下，十字軸軸端面間隙始終為零，有的結(jié)構(gòu)在十字軸軸端與軸承碗之間加裝端面止推滾針或滾柱軸承。
滾針軸承的潤(rùn)滑和密封好壞直接影響十字軸萬向節(jié)的使用壽命。毛氈油封由于漏油多，防塵、防水效果差，加注潤(rùn)滑油時(shí)，在個(gè)別滾針軸承中可能出現(xiàn)空氣阻塞而造成缺油，故應(yīng)用己越來越少。在結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的雙刃口復(fù)合油封中反裝的單刃口橡膠油封，用作徑向密封；另一雙刃口橡膠油封用作端面密封。當(dāng)向十字軸內(nèi)腔注入潤(rùn)滑油時(shí)，陳油、磨損產(chǎn)物及多余的潤(rùn)滑油便從橡膠油封內(nèi)圓表面與十字軸軸頸接觸處溢出，不需安裝安全閥，防塵、防水效果良好。在灰塵較多的條件下使用時(shí)，可顯著提高萬向節(jié)壽命。十字軸萬向節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，耐久性好，傳動(dòng)效率高，生產(chǎn)成本低；但所連接的兩軸夾角不宜過大。當(dāng)夾角由增至于時(shí)，萬向節(jié)中的滾針軸承壽命將下降到原來壽命的1/4。
表4.1十字軸萬向節(jié)夾角α的范圍
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(dòng)器（相聯(lián)總成均裝在車架上）
1～3
驅(qū)動(dòng)橋
傳動(dòng)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
15～20
短軸距越野汽車
30
4.2.2十字軸式萬向節(jié)傳動(dòng)不等速性分析
單個(gè)十字軸式萬向節(jié)在輸入軸和輸出軸之間有夾角的情況下，其兩軸的角速度是不相等的。
1、主動(dòng)叉在垂直位置，并且十字軸平面與主動(dòng)軸垂直。
2、主動(dòng)叉在水平位置，并且十字軸平面與從動(dòng)軸垂直。
圖4.2十字軸式萬向節(jié)的不等速性
4.3萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)和受力分析
4.3.1單十字軸萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)和附加彎曲力偶矩的分析
當(dāng)十字軸萬向節(jié)的主、從動(dòng)軸之間的夾角為α?xí)r，主、從動(dòng)軸的角速度ω1、ω2 之間存在如下關(guān)系：
（4.1）
式中：—主動(dòng)叉轉(zhuǎn)角，定義為萬向節(jié)主動(dòng)叉所在平面與萬向節(jié)主、從動(dòng)軸所在
平面的夾角。
由于是周期為2π的周期函數(shù)，所以也為同周期的周期函數(shù)。當(dāng)為0、π時(shí)，ω2達(dá)到最大值，；當(dāng)為、時(shí)，ω2達(dá)到最小值，。因此，當(dāng)主動(dòng)軸以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)快、時(shí)慢，此即為普通十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)的不等速性。
十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)的不等速性可用轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)K來表示：
（4.2）
如不計(jì)萬向節(jié)的磨擦損失，主、從動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩T1和T2與各自相應(yīng)的角速度有的關(guān)系，這樣有
（4.3）
顯然，當(dāng)ω1/ω2最小時(shí)，從動(dòng)軸上的