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1、 汽 車 設 計 （基于UG的十字軸萬向節(jié)設計） 學 院 ： 交通運輸與物流學院 專 業(yè) ： 交通運輸 班 級 ： 12級交通運輸*班 姓 名 ： 學 號 ： 2012*** 指導教師： 李 恩 穎 2015 年 6 月 目 錄 一、 背景介紹┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1 二、 基本理論┄┄┄┄

2、┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄3 1、萬向節(jié)傳動的基本理論┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄3 （1） 十字軸式萬向節(jié)工作原理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 3 （2）十字軸式萬向節(jié)傳動的不等速特性┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 5 （3）十字軸式萬向節(jié)傳動的等速條件┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 6 2、十字軸萬向傳動軸的設計與計算┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄7 （1） 傳動載荷計算┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 7 （2） 十字軸萬向節(jié)設計┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 10 （3） 設計結論┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 11 三、 基于UG的十字軸設計┄┄┄

3、┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄13 四、 結論┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄26 一、背景介紹 萬向節(jié)即萬向接頭，英文名稱universal joint，是實現變角度動力傳遞的機件，用于需要改變傳動軸線方向的位置，它是汽車驅動系統(tǒng)的萬向傳動裝置的 “關節(jié)”部件。萬向節(jié)與傳動軸組合，稱為萬向節(jié)傳動裝置。 在前置發(fā)動機后輪驅動的車輛上，萬向節(jié)傳動裝置安裝在變速器輸出軸與驅動橋主減速器輸入軸之間；而前置發(fā)動機前輪驅動的車輛省略了傳動軸，萬向節(jié)安裝在既負責驅動又負責轉向的前橋半軸與車輪之間。 萬向節(jié)的結構和作用有點像人體四肢上的關節(jié)，它允許

4、被連接的零件之間的夾角在一定范圍內變化。為滿足動力傳遞、適應轉向和汽車運行時所產生的上下跳動所造成的角度變化，前驅動汽車的驅動橋，半軸與輪軸之間常用萬向節(jié)相連。但由于受軸向尺寸的限制，要求偏角又比較大，單個的萬向節(jié)不能使輸出軸與軸入軸的瞬時角速度相等，容易造成振動，加劇部件的損壞，并產生很大的噪音，所以廣泛采用各式各樣的等速萬向節(jié)。在前驅動汽車上，每個半軸用兩個等速萬向節(jié)，靠近變速驅動橋的萬向節(jié)是半軸內側萬向節(jié)，靠近車軸的是半軸外側萬向節(jié)。在后驅動汽車上，發(fā)動機、離合器與變速器作為一個整體安裝在車架上，而驅動橋通過彈性懸掛與車架連接，兩者之間有一個距離，需要進行連接。汽車運行中路面不平產生跳動

5、，負荷變化或者兩個總成安裝的位差等，都會使得變速器輸出軸與驅動橋主減速器輸入軸之間的夾角和距離發(fā)生變化，因此在后驅動汽車的萬向節(jié)傳動形式都采用雙萬向節(jié)，就是傳動軸兩端各有一個萬向節(jié)，其作用是使傳動軸兩端的夾角相等，從而保證輸出軸與輸入軸的瞬時角速度始終相等。 1676年，被譽為“英國的達·芬奇”的羅伯特·胡克發(fā)表了他關于“太陽鏡”的演說。這是一臺采用反射鏡系統(tǒng)安全地觀測太陽的儀器。這臺儀器是用他新奇的萬向節(jié)進行操縱的。萬向節(jié)是一種萬能儀器……用來通過任何不規(guī)則的彎曲軌道產生環(huán)形運動。雖然胡克比較詳細地講過這種新儀器的制造方法，并且含糊地指出，這種儀器可能在各方面獲得應用，但他自己只想用它來

6、進行天文觀測，或用在時鐘和日規(guī)的設計中，故在當時沒有引起多少人注意。 萬向傳動裝置的出現要追溯到1352年，用于教堂時鐘中的萬向節(jié)傳動軸。1663年英國物理學家虎克制造了一個鉸接傳動裝置，后來被人們叫做虎克萬向節(jié)，也就是十字軸式萬向節(jié)，但這種萬向節(jié)在單個傳遞動力時有不等速性。1683年雙聯(lián)式虎克萬向節(jié)誕生，消除了單個虎克萬向節(jié)傳遞的不等速性，并于1901年用于汽車轉向輪。上世紀初，虎克萬向節(jié)和傳動軸已在機械工程和汽車工業(yè)中起到了極其重要的作用。1908年第一個球式萬向節(jié)誕生，1926年凸塊式等速萬向節(jié)出現，開始用于獨立懸架的前輪驅動轎車和四輪驅動的軍用車的前輪轉向節(jié)。1949年由雙聯(lián)式虎克萬

7、向節(jié)演變而來的三銷式萬向節(jié)開始被使用在低速的商用車輛上。 直到現在，根據在扭轉方向是是否有明顯的彈性，萬向節(jié)可分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié)。剛性萬向節(jié)是靠零件的鉸鏈式傳遞動力，又分成不等速萬向節(jié)（常用的為十字軸式）、準等速萬向節(jié)（雙聯(lián)式、二銷軸式等）和等速萬向節(jié)（球叉式、球籠式等）；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。萬向傳動裝置已經可以滿足飛速發(fā)展的汽車科技。 二、基本理論 1、萬向節(jié)傳動的基本理論 （1）十字軸式萬向節(jié)工作原理 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。 目前常見的滾針軸承軸向定位方式

8、有蓋板式（圖l a、b）、卡環(huán)式（圖l c、d）、固定式（圖l e）和塑料環(huán)定位式（圖l f）等。 圖1 滾針軸承軸向定位方式 a)普通蓋板式 b)彈性蓋板式 c)外卡式 d)內卡式 e)瓦蓋固定式 f)塑料環(huán)定位式 1-螺栓 2-鎖片 3-蓋板 4-萬向節(jié)叉 5-套筒 6-彈性蓋板 7-軸承座 8-外卡環(huán) 9-內卡環(huán) 蓋板式軸承軸向定位方式的一般結構（圖l a）是用螺栓1和蓋板3將套筒5。固定在節(jié)叉4上，并用鎖片2將螺栓鎖緊。它工作可靠、拆裝方便，但零件數目較多。有時將蓋板6 點焊于軸承座7 底部（圖l b），裝配后，彈性蓋板對軸承座

9、底部有一定的預，以免高速轉動時由于離心力作用，在十字軸端面與軸承底座之間出現間隙而引起十字軸軸向竄動，從而避免了由于這種竄動造成的傳動軸動平衡狀態(tài)的破壞?？ōh(huán)式可分為外卡式（圖1 c）和內卡式（圖1 d）兩種。它們具有結構簡單、工作可靠、零件少和質量小的優(yōu)點。瓦蓋固定式結構（圖1 e）中的萬向節(jié)叉與十字軸軸頸配合的圓孔不是一個整體而是分成兩半用螺釘聯(lián)接起來。這種結構具有拆裝方便、使用可靠的優(yōu)點，但加工工藝較復雜。塑料環(huán)定位結構（圖1 f）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，當滾針軸承動配合裝入萬向節(jié)叉到正確位置時，將塑料經萬向節(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

10、孔有塑料溢出時，表明塑料已充滿環(huán)槽。這種結構軸向定位可靠，十字軸軸向竄動小，但拆裝不方便。為了防止十字軸軸向竄動和發(fā)熱，保證在任何工況下十字軸的端隙始終為零，有的結構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。 滾針軸承的潤滑和密封好壞直接影響著十字軸萬向節(jié)的使用壽命。毛氈油封由于漏油多，防塵、防水效果差，在加注潤滑油時，在個別滾針軸承中可能出現空氣阻塞而造成缺油，已不能滿足越來越高的使用要求。結構較復雜的雙刃口復合油封（圖2 a），其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。當向十字軸內腔注人潤滑油時，陳油、磨損產物及多余的潤滑油便從橡膠油封內圓

11、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，萬向節(jié)壽命可顯著提高。（圖2 b）為一轎車上采用的多刃口油封，安裝在無潤滑油流通系統(tǒng)且一次潤滑的萬向節(jié)上。 圖2 滾針軸承油封 a）雙刃口復合油封 b）多刃口油封 十字軸萬向節(jié)結構簡單，強度高，耐久性好，傳動效率高，生產成本低。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。 （2

12、）十字軸式萬向節(jié)傳動的不等速特性 　　單個十字軸式剛性萬向節(jié)在輸入軸和輸出軸有夾角的情況下，其兩軸的角速度是不相等的，兩軸夾角 越大，轉角差（ф1-ф2）越大，萬向節(jié)的不等速特性越嚴重。 萬向節(jié)傳動的不等速特性將使從動軸及與其相連的傳動部件產生扭轉振動，從而產生附加的交變載荷，影響傳動部件的壽命。 圖3 十字軸式萬向節(jié)的不等速性 （3）十字軸式萬向節(jié)傳動的等速條件 　 ?采用雙萬向節(jié)傳動； 　 ?第一萬向節(jié)兩軸間的夾角α1與第二萬向節(jié)兩軸間的夾角α2相等； 　?第一萬向節(jié)的從動叉與第二萬向節(jié)的主動叉在同一平面內。

13、 圖4 雙萬向節(jié)等速傳動布置圖 2、十字軸萬向傳動軸的設計與計算 設計選取CA1092貨車數據如下表： 表1 CA1092參數 滿載總質量 9290kg 發(fā)動機額定功率 99kw 發(fā)動機額定轉速 3000r/min 發(fā)動機最大轉矩 373N·m 最高速度 90km/h 一到六檔傳動比 7.64、4.834、2.856、1.895、1.337、1.0 倒檔傳動比 7.107 主減速器傳動比 5.107 最大變

14、矩系數 2.6 后軸承載質量 5200kg 輪胎型號 8.25-16LT 14PR （1)傳動載荷計算? 萬向傳動軸因布置位置的不同，計算轉矩也不同。萬向傳動軸用于變速器與驅動軸之間，計算載荷如表2 ?按發(fā)動機最大轉矩和一擋傳動比來計算? (2-1) 式中： --猛接離合器所產生的動載系數，本設計車型=0，所以 取=1； --發(fā)動機最大轉矩，=373 N2m；? ?? K --液力變矩器最大變矩系數，k=[(-1)／2]+1，為最大

15、變矩系數,取=2.6,k=1.8; --變速器一擋傳動比，=7.64； ? --根據表2取分動器傳動比，=1；? --發(fā)動機到萬向傳動軸之間的傳動效率，根據設計經驗取=0.96；? ?n --根據表3取連接變速器的傳動軸數，本設計車型為后輪驅動，n=1。? ?代入數據計算得 =18810.89 N2m 表2 萬向傳動軸計算載荷 表3 n與選取表 ??按驅動輪打滑來計算? ???

16、 (2-2) 式中: --滿載狀態(tài)下一個驅動橋上的靜載荷,=5200×9.8=50960N ；? ???? --汽車最大加速度時的后軸負荷轉移系數，貨車：￠=1.1～1.2，所以取=1.2；?? ?? --輪胎與路面間的附著系數，對于一般輪胎的公路用汽車，在良好的混凝土 或瀝青路上，取=0.85；?? ?? --車輪滾動半徑，本設計已知輪胎規(guī)格：8.25-16LT，查標準GB9744-1997 可得：外直徑為4064mm，滾動半徑=2032 mm；? ??? --主減速器傳動比，=5.

17、107；? ??? --主減速器從動齒輪到車輪之間的傳動比，=1；? ? ?? --主減速器主動齒輪到車輪之間的傳動效率，根據設計經驗取=0.96。? 代入數據計算得? =21543.50 N2m? ? 對萬向傳動軸進行靜強度計算時，計算載荷取和的最小值，即，所以取=18810.89 N2m。 （2）十字軸萬向節(jié)設計 ?初選十字軸萬向節(jié)尺寸? 根據萬向傳動軸已知參數和設計要求等，參考專業(yè)廠的系列產品初步選取十字軸萬向節(jié)尺寸（如表4）。 表4 十字軸萬向節(jié)初選尺寸

18、 軸頸直徑 油道直徑 十字軸軸頸長2s 十字軸軸長 50mm 12mm 37mm 140mm ?十字軸（如圖5）軸頸作用力合力F的計算? 圖5 十字軸結構圖 ??? （2-3） 式中：r --切向力作用線與萬向節(jié)叉軸之間的距離，根據初選參數r=57 mm；??????? ? --萬向傳動的最大夾角，參考一般傳動軸的設計選取a=15°。 代入數據計算得?

19、 F==170.83 N? ?十字軸軸頸部的彎曲應力? ????????????[] （2-4）式中： --十字軸軸頸直徑，=50 mm；? --十字軸油道直徑，=12 mm；? s --合力F作用線到軸頸根部的距離，s=18.5 mm；? [ --彎曲應力許用值，材料為20CrMnTi，滲碳，=250～350 MPa。 代入數據計算得 =258.39 MPa 則該十字軸萬向節(jié)可滿足要求。 ④十字軸軸頸部的切應力? ????????????[]tpt ￡-

20、 = （2-5） 代入數據計算得 =92.32 MPa?? 萬向節(jié)十字軸材料為20CrMnTi，滲碳，剪切應力=80～120MPa，則該十字軸萬向節(jié)滿足要求。 （3） 設計結論 ?計算結果（見表5） 表5 計算結果 18810.89 N2m 21543.50 N2m? 18810.89 N2m F

21、 170.83 N? 258.39 MPa 92.32 MPa? ?設計結論 萬向節(jié)十字軸材料為20CrMnTi，軸頸直徑=50mm、油道直徑 =12mm、十字軸軸頸長37mm、十字軸軸長140mm，軸頸表面進行滲碳淬火處理，滲碳層深度0.8~1,2mm，表面硬度58~64HRC。 表6 推薦的十字軸尺寸 三、 基于UG的十字軸設計 參考圖5和表6進行UG建模。 由于開始的建模結果不理想，所以進行了第二次建模。 方法一： （1） 打開軟

22、件，新建模型 ? ? （2） 草圖 ? ? ? ④ （3） 拉伸 ? ? （4） 草圖 ? ? ? ④ （5） 拉伸 ? ? ? （6） 倒斜角 ? ? ? （7） 草圖 ? ? ? ④ （8） 拉伸 ? ? ? （9） 草圖 ? ? ? ④ （10） 拉伸 ? ? ? （11） 邊倒圓

23、 ? ? ? 結果如圖6、圖7 圖6 圖7 方法二 （1） 草圖 ? ? ? ④ （2） 拉伸 ? ? ? （3） 求和 ? ? （4） 邊倒圓 ? ? 余下步驟與方法一（4）后相同，結果如下圖8、圖9 圖8 圖9 兩次建模的結果分別如下圖10、圖11 圖10 圖11 竊以為方法二操作更簡便，所建立模型更好。 四、結論 查閱十字軸基本相關資料（用途、分類、發(fā)展歷史、工作原理、特殊性能、設計過程等）； 根據資料及課本進行十字軸的初選、計算、校核，校核不合理然后，重選數據直至校核合理； 根據十字軸設計結果及相關資料進行了UG建模，第一次建模的結果不盡人意又進行了第二次建模； 對文檔格式進行整理，檢查，完成。 27