汽車傳動軸設計

重慶工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院機電工程系畢業(yè)設計目錄 摘要.2第一章 概述.31萬向傳動軸設計要求 .3 第二章 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析.31萬向節(jié)分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié).3 2準等速萬向節(jié).43等速萬向節(jié) .5第三章 萬向傳動的運動和受力分析61單十字軸萬向節(jié)傳動62雙十字軸萬向節(jié)傳動8第四章 傳動軸結(jié)構(gòu)分析與設計.91軸的結(jié)構(gòu)設計 102軸的強度驗算 .113鍵的選擇.124驗算軸承壽命.12第五章 結(jié)束語.16第六章 參考文獻17第七章 致謝信17【摘要】：在普通優(yōu)化設計的基礎上，根據(jù)可靠性設計準則，將空心傳動軸的應力及強度視為隨機變量，建立起空心傳動軸的可靠性優(yōu)化設計模型，結(jié)合實例說明可靠性優(yōu)化設計方法比傳統(tǒng)設計方法更可靠、經(jīng)濟。從機械振動理論出發(fā)，用可靠性設計中的聯(lián)結(jié)方程，得出了其在常用工況下按傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速進行可靠性設計的公式并以實例對傳動軸按上述準則進行可靠性設計，結(jié)果傳動軸的重量比原設計減少了，可靠性達到.以上 【關(guān)鍵詞】: 萬向節(jié) 萬向節(jié)傳動 軸 第一章 概述萬向傳動軸一般是由萬向節(jié)、傳動軸和中間支承組成。主要用于在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)運動。 萬向傳動軸設計應滿足如下基本要求： 1. 保證所連接的兩根軸相對位置在預計范圍內(nèi)變動時，能可靠地傳遞動力。 2. 保證所連接兩軸盡可能等速運轉(zhuǎn)。3. 由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動和噪聲應在允許范圍內(nèi)。 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。 變速器或分動器輸出軸與驅(qū)動橋輸入軸之間普遍采用十字軸萬向傳動軸。在轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，多采用等速萬向傳動軸。當后驅(qū)動橋為獨立的彈性，采用萬向傳動軸。 第二章 萬向節(jié)第結(jié)構(gòu)方案分析 第一節(jié) 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)可分為不等速萬向節(jié)（如十字軸式）、準等速萬向節(jié)（如雙聯(lián)式、凸塊式、三銷軸式等）和等速萬向節(jié)（如球叉式、球籠式等）。不等速萬向節(jié)是指萬向節(jié)連接的兩軸夾角大于零時，輸出軸和輸入軸之間以變化的瞬時角速度比傳遞運動的萬向節(jié)。準等速萬向節(jié)是指在設計角度下工作時以等于1的瞬時角速度比傳遞運動，而在其它角度下工作時瞬時角速度比近似等于1的萬向節(jié)。輸出軸和輸入軸以等于1的瞬時角速度比傳遞運動的萬向節(jié)，稱之為等速萬向節(jié)。 撓性萬向節(jié)是靠彈性零件傳遞動力的，具有緩沖減振作用。典型的十字軸萬向節(jié)主要由主動叉、從動叉、十字軸、滾針軸承及其軸向定位件和橡膠密封件等組成。 十字軸萬向節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，強度高，耐久性好，傳動效率高，生產(chǎn)成本低。但所連接的兩軸夾角不宜過大，當夾角由4增至16時，十字軸萬向節(jié)滾針軸承壽命約下降至原來的1/4。二、準等速萬向節(jié) 雙聯(lián)式萬向節(jié)是由兩個十字軸萬向節(jié)組合而成。為了保證兩萬向節(jié)連接的軸工作轉(zhuǎn)速趨于相等，可設有分度機構(gòu)。偏心十字軸雙聯(lián)式萬向節(jié)取消了分度機構(gòu)，也可確保輸出軸與輸入軸接近等速。 雙聯(lián)式萬向節(jié)的主要優(yōu)點是允許兩軸間的夾角較大（一般可達50，偏心十字軸雙聯(lián)式萬向節(jié)可達60），軸承密封性好，效率高，工作可靠，制造方便。缺點是結(jié)構(gòu)較復雜，外形尺寸較大，零件數(shù)目較多。圖2-1三、等速萬向節(jié) 1球叉式萬向節(jié) 球叉式萬向節(jié)按其鋼球滾道形狀不同可分為圓弧槽和直槽兩種形式。 圓弧槽滾道型的球叉式萬向節(jié)（圖4-1a）由兩個萬向節(jié)叉、四個傳力鋼球和一個定心鋼球組成。兩球叉上的圓弧槽中心線是以O1和O2為圓心而半徑相等的圓，O1和O2到萬向節(jié)中心O的距離相等。當萬向節(jié)兩軸繞定心鋼球中心O轉(zhuǎn)動任何角度時，傳力鋼球中心始終在滾道中心兩圓的交點上，從而保證輸出軸與輸入軸等速轉(zhuǎn)動。 球叉式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)較簡單，可以在夾角不大于3233的條件下正常工作。圖2-2 球叉式萬向節(jié)直槽滾道型球叉式萬向節(jié)（圖4-1b）， 兩個球叉上的直槽與軸的中心線傾斜相同的角度，彼此對稱。在兩球叉間的槽中裝有四個鋼球。由于兩球叉中的槽所處的位置是對稱的，這便保證了四個鋼球的中心處于兩軸夾角的平分面上。這種萬向節(jié)加工比較容易，允許的軸間夾角不超過20，在兩叉間允許有一定量的軸間滑動。 圖2-3 球叉式萬向節(jié) a)圓弧槽滾道型 b)直槽滾道型萬向節(jié)選擇：由于傳動軸的傳遞轉(zhuǎn)矩大，承受沖擊大，所連接的兩軸轉(zhuǎn)角不大，連接軸兩軸轉(zhuǎn)速相等，所以綜合考慮選擇準等速萬向節(jié)。第三章 萬向傳動的運動和受力分析 一、單十字軸萬向節(jié)傳動 當十字軸萬向節(jié)的主動軸與從動軸存在一定夾角時， 主動軸的角速度與從動軸的角速度 之間存在如下的關(guān)系; （3-1） 由于cos 是周期為2 的周期函數(shù)，所以 也為 同周期的周期函數(shù)。當 為0、 時， 達最大值 且為 ；當 為 /2、3 /2時， 有最小值 且為 。因此，當主動軸以等角速度轉(zhuǎn)動時，從動軸時快時慢，此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)傳動的不等速性可用轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)k來表示 如不計萬向節(jié)的摩擦損失，主動軸轉(zhuǎn)矩T1和從動軸轉(zhuǎn)矩T2與各自相應的角速度有關(guān)系式： 這樣有：顯然，當 小時，從動軸上最大的轉(zhuǎn)矩為最大 當最大時，從動軸上的轉(zhuǎn)矩為最小。T1與一定時，T2在其最大。T1與值與最小值之間每一轉(zhuǎn)變化兩次。 附加彎曲力偶矩的分析 。具有夾角 的十字軸萬向節(jié)，僅在主動軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和從動軸反轉(zhuǎn)矩的作用下是不能平衡的。從萬向節(jié)叉與十字軸之間的約束關(guān)系分析可知，主動叉對十字軸的作用力偶矩，除主動軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T1之外，還有作用在主動叉平面的彎曲力偶矩 。同理，從動叉對十字軸也作用有從動軸反轉(zhuǎn)矩T2和作用在從動叉平面的彎曲力偶矩 。在這四個力矩作用下，使十字軸萬向節(jié)得以平衡。當主動叉 處 于0和時位置時（圖3 -5a），由于T1作用在十字軸平面，為零；而T2的作用平面與十字軸不共平面必有存在，且矢量T1垂直于矢量T2合矢量+T2指向十字軸平面的法線方向與T1大小相等、方向相反。這樣，從動叉上的附加彎矩=T1sin。 （圖3 -5a），圖3-5 十字軸萬向節(jié)的力偶矩圖3-5b），同理可知=0，主動叉上的附加彎矩=T1tan 分析可知，附加彎矩的大小是在零與上述兩最大值之間變化，其變化周期為 ，即每一轉(zhuǎn)變化兩次。附加彎矩可引起與萬向節(jié)相連零部件的彎曲振動，可在萬向節(jié)主、從動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。因此，為了控制附加彎矩，應避免兩軸之間的夾角過大。 二、雙十字軸萬向節(jié)傳動 當輸入軸與輸出軸之間存在夾角時，單個十字軸萬向節(jié)的輸出軸相對于輸入軸是不等速旋轉(zhuǎn)的。為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)叉應布置在同一平面內(nèi)，且使兩萬向節(jié)夾角1與2相等（圖3-6）。當輸入軸與輸出軸平行時圖（3-6a），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3-6b中雙點劃線所示的彈性彎曲，從而引起傳動軸的彎曲振動。 圖（3-6a）圖3-6 附加彎矩對傳動軸的作用 當輸入軸與輸出軸相交時（圖3-6c），傳動軸兩端萬向節(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3-6d中雙點劃線所示的彈性彎曲。 第四章 傳動軸結(jié)構(gòu)分析與設計 圖4-1傳動軸總成主要由傳動軸及其兩端焊接的花鍵和萬向節(jié)叉組成。傳動軸中一般設有由滑動叉和花鍵軸組成的滑動花鍵，以實現(xiàn)傳動長度的變化。 傳動軸在工作時，其長度和夾角是在一定范圍變化的。設計時應保證在傳動軸長度處在最大值時，花鍵套與軸有足夠的配合長度；而在長度處在最小時不頂死。傳動軸夾角的大小直接影響到萬向節(jié)的壽命、萬向傳動的效率和十字軸旋轉(zhuǎn)的不均勻性。在長度一定時，傳動軸斷面尺寸的選擇應保證傳動軸有足夠的強度和足夠高的臨界轉(zhuǎn)速。所謂臨界轉(zhuǎn)速，就是當傳動軸的工作轉(zhuǎn)速接近于其彎曲固有振動頻率時，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以致振幅急劇增加而引起傳動軸折斷時的轉(zhuǎn)速。傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速nk （r/min）為 式中，Lc為傳動軸長度（mm），即兩萬向節(jié)中心之間的距離；dc和Dc分別為傳動軸軸管的內(nèi)、外徑（mm）。在設計傳動軸時，取安全系數(shù)K=nk/nmax=1.22.0，K=1.2用于精確動平衡、高精度的伸縮花鍵及萬向節(jié)間隙比較小時，nmax為傳動軸的最高轉(zhuǎn)速（r/min）。當傳動軸長度超過1.5m時，為了提高nk以及總布置上的考慮，常將傳動軸斷開成兩根或三根，萬向節(jié)用三個或四個，而在中間傳動軸上加設中間支承。傳動軸軸管斷面尺寸除滿足臨界轉(zhuǎn)速的要求外，還應保證有足夠的扭轉(zhuǎn)強度。軸管的扭轉(zhuǎn)切應力應滿足 ：式中，為許用扭轉(zhuǎn)切應力，為300Mpa；其余符號同前。(一)軸的結(jié)構(gòu)設計減速器中的軸是既受彎矩又受扭矩的轉(zhuǎn)軸，比較精確的設計方法應該是按彎扭合成強度來計算各段軸徑。但當軸的支承距離未確定前，無法由強度決定軸徑。為解決這一矛盾，一般用初步估算的辦法定出最小軸徑，然后按軸上零件的位置、考慮裝配、加工工藝等因素，設計出階梯軸的各段直徑和長度；確定跨度后，再進一步進行強度驗算。傳動軸材料的選擇:綜合考慮價格和材料的許用應力，選擇45#鋼。見表4-3 初估軸徑可用兩種方法：一是按軸受純扭估算(請參考教材)；另一方法是參照相近減速器的軸徑，或按相配零件(如聯(lián)軸器)的孔徑及軸的結(jié)構(gòu)要求(如齒輪軸或蝸輪軸的結(jié)構(gòu)要求)等來確定軸的結(jié)構(gòu)設計，應在初估軸徑和初選滾動軸承型號后進行。確定軸的各段直徑和長度是階梯軸結(jié)構(gòu)設計的主要內(nèi)容。 階梯軸各段直徑主要根據(jù)初估軸徑、軸上零件的安裝、固定及軸的加工工藝性等要求確定階梯軸各段的長度則由軸上零件的位置、配合長度及支承結(jié)構(gòu)等因素決定 階梯軸各段直徑和長度的確定見表4-1、表4-2。 (二)軸的強度驗算1 按彎扭合成強度進行軸的強度驗算 公式： （扭切應力） （正應力）軸的許用彎曲應力可用表43的推薦值。2按疲勞強度進行軸的精確驗算 對重要的軸還需要按疲勞強度進行軸的精確驗算。驗算目的在于確定變應力情況下軸的安全程度。通常選一個或幾個危險斷面進行驗算，并按下式進行： 式中：(S)許用安全系數(shù)，式中各代號名稱及確定方法見表4-4。 (三)鍵的選擇 減速器軸與傳動零件的周向固定一般都采用平鍵聯(lián)接鍵槽的寬度和深度，根據(jù)軸頸確定 。鍵長L根據(jù)轂長確定，在選取鍵長L時，應注意鍵槽距離軸肩不要太遠，一般應小于5mm。 平鍵聯(lián)接主要校核擠壓強度，當采用單鍵強度不夠時，可采用雙鍵，但其承載能力應按單鍵的1.5倍計算。計算中許用擠壓應力P應選取軸、鍵、輪轂三者中最弱的。(四)驗算軸承壽命軸承壽命一般按照減速器的使用年限。對前面初選的軸承型號，應根據(jù)載荷情況驗算其壽命。如軸承壽命不合要求時，一般可更換軸承系列或類型，但不輕易改變軸承內(nèi)孔尺寸(即軸頸直徑尺寸)。結(jié)論：傳動軸的所受應力<45#鋼的許用應力，符合傳動軸的要求。表4-1 軸各段軸徑的確定符 號確定方法及說明d 按許用扭轉(zhuǎn)應力的計算方法估算。d應與外接零件(如聯(lián)軸器)的孔徑一致，并滿足鍵的強度條件。盡可能圓整為標準直徑。dl dld2a，a為軸肩高度，用于軸上零件的定位和固定，故a值應稍大于轂孔的圓角半徑或倒角深，通常取a（0.070.1）d；軸間過渡圓角的要求及數(shù)值見表。d2d2dl15mm。圖中，dl至d2的變化僅為裝配方便及區(qū)分加工表面，故其差值可小些，一般直徑差值15mm即可；該軸徑過渡為自由表面，其圓角半徑參見表，d2與滾動軸承相配應與軸承孔徑一致。 d3d3=d2+15mm直徑變化僅為區(qū)分加工表面。其圓角半徑按表104d4d4=d3+15mm直徑變化僅為裝配方便及區(qū)分加工表面，圓角半徑按表，d4與齒輪相配，最好圓整為標準直徑。 d5d5=d4+2a軸環(huán)供齒輪軸向定位和固定用，a(0.070.1)d。軸肩a及過渡圓角r的要求及數(shù)值見表。d6一般d6d2，同一軸上的滾動軸承最好選同一型號，以便于軸承座孔鏜制和減少軸承品種。又d5= d5-2a，a為裝滾動軸承處的軸環(huán)高度。為便于軸承拆卸，a值不應太大；為軸向定位和固定可靠，a值又不宜太小。a與過渡圓角r均有適當數(shù)值的要求，具體參見表， 故ds應同時滿足d4與d6軸段的軸環(huán)高度要求，如不能同時滿足，則應改變d5軸段的結(jié)構(gòu)形狀，如設計成臺階形或錐形軸段 表4-2 軸各段長度的確定符號名 稱確 定 方 法 及 說 明b1小齒輪寬度b1=b2+510mm。b2為大齒輪寬度，即齒輪嚙合的有效寬度，由齒輪設計計算確定T軸承寬度按軸頸直徑初選軸承型號后確定 l 3外伸軸上裝旋轉(zhuǎn)零件的軸段長度由軸上旋轉(zhuǎn)零件的轂孔寬度及固定方式而定。當采用鍵聯(lián)接時，l3應滿足鍵的強度要求。 一般取l3 （1.21.8）d（為軸頭直徑） 表4-3軸的許用彎曲應力b值 N/mm2軸的材料b+1b0b-1b碳鋼40013070405001707545合金鋼80027013075100033015090 表4-4 軸精確驗算公式中各代號名稱及確定方法 名 稱代 號計算公式或確定方法說 明計算安全系數(shù)(僅考慮正應力時) 計算安全系數(shù)(僅考慮扭剪應力) 彎曲疲勞極限 45鋼正火為275；40Gr調(diào)質(zhì)為350（N/mm2）45鋼調(diào)質(zhì)-1為300；35正火-1為250扭剪疲勞極限 45鋼正火為140；40Gr調(diào)質(zhì)為200（N/mm2）45鋼調(diào)質(zhì)為155；35正火為120有效應力集中系數(shù) 見應力集中表表面質(zhì)量系數(shù) 見質(zhì)量系數(shù)表尺寸系數(shù) 見尺寸系數(shù)表正應力折算系數(shù) 碳鋼為0.10.2； 合金鋼為0.20.3扭剪應力折算系數(shù) 碳鋼為0.050.1； 合金鋼為0.10.15應力幅度 平均應力 第五章 結(jié)束語 采用準等速萬向節(jié)符合傳動軸的傳遞轉(zhuǎn)矩大，承受沖擊大，所連接的兩軸轉(zhuǎn)角不大保證所連接的兩根軸相對位置在預計范圍內(nèi)變動，能可靠地傳遞動力，連接軸兩軸轉(zhuǎn)速盡可能相等的要求，設計的傳動軸由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動和噪聲應在允許范圍內(nèi)，傳動效率高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易。采用45#鋼設計的軸體，經(jīng)驗算軸所受的彎矩和扭矩均符合45#鋼的應力要求，本次設計的傳動軸符合汽車的使用要求。參考文獻【參考文獻】：1.何獻忠, 李萍 等著，優(yōu)化技術(shù)及其應用，北京：北京理工大學出版社，19952. 張洪欣 主編, 汽車設計, 北京：機械工業(yè)出版社，19993. 張寶生, 李杰, 林明芳 編著，汽車優(yōu)化設計理論與方法，北京：機械工業(yè)出版社，20004. 劉惟信, 孟嗣宗 編著，機械最優(yōu)化設計，北京：清華大學出版社，19865. 劉惟信 編著，機械最優(yōu)化設計，北京：清華大學出版社，19946. 德FSchmelz, Graf Von HCSeherrThoss, EAucktor 著，伍德榮， 肖生發(fā)，陶建民 譯，萬向節(jié)和傳動軸，北京：北京理工大學出版社，1997。 致謝信 感謝我的各位老師，他們嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的榜樣；他們循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。 感謝我的張顯張老師，這片論文的每個實驗細節(jié)和每個數(shù)據(jù)，都離不開你的細心指導。而你開朗的個性和寬容的態(tài)度，幫助我能夠很快的融入我們這個新的實驗室 感謝我的室友們，從遙遠的家來到這個陌生的城市里，是你們和我共同維系著彼此之間兄弟般的感情，維系著寢室那份家的融洽。三年了，仿佛就在昨天。三年里，我們沒有紅過臉，沒有吵過嘴，沒有發(fā)生上大學前所擔心的任何不開心的事情。只是今后大家就難得再聚在一起吃每年元旦那頓飯了吧，沒關(guān)系，各奔前程，大家珍重。但愿留守工貿(mào)的每個快快樂樂，以后的工作順順利利，也愿離開我們寢室的每一位開開心心。我們在一起的日子，我會記一輩子的。 感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我最大的心愿。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意！18第 18 頁 共 18 頁