汽 車 設(shè) 計 （基于UG的十字軸萬向節(jié)設(shè)計）學(xué) 院 ： 交通運輸與物流學(xué)院 專 業(yè) ： 交通運輸 班 級 ： 12級交通運輸*班 姓 名 ： 學(xué) 號 ： 2012* 指導(dǎo)教師： 李 恩 穎 2015 年 6 月 目 錄一、 背景介紹1二、 基本理論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(shè)計與計算7（1） 傳動載荷計算 7（2） 十字軸萬向節(jié)設(shè)計 10（3） 設(shè)計結(jié)論 11三、 基于UG的十字軸設(shè)計13四、 結(jié)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(xiàn)變角度動力傳遞的機(jī)件，用于需要改變傳動軸線方向的位置，它是汽車驅(qū)動系統(tǒng)的萬向傳動裝置的 “關(guān)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(jī)后輪驅(qū)動的車輛上，萬向節(jié)傳動裝置安裝在變速器輸出軸與驅(qū)動橋主減速器輸入軸之間；而前置發(fā)動機(jī)前輪驅(qū)動的車輛省略了傳動軸，萬向節(jié)安裝在既負(fù)責(zé)驅(qū)動又負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向的前橋半軸與車輪之間。萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)和作用有點像人體四肢上的關(guān)節(jié)，它允許被連接的零件之間的夾角在一定范圍內(nèi)變化。為滿足動力傳遞、適應(yīng)轉(zhuǎn)向和汽車運行時所產(chǎn)生的上下跳動所造成的角度變化，前驅(qū)動汽車的驅(qū)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(chǎn)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(qū)動汽車上，每個半軸用兩個等速萬向節(jié)，靠近變速驅(qū)動橋的萬向節(jié)是半軸內(nèi)側(cè)萬向節(jié)，靠近車軸的是半軸外側(cè)萬向節(jié)。在后驅(qū)動汽車上，發(fā)動機(jī)、離合器與變速器作為一個整體安裝在車架上，而驅(qū)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(jìn)行連接。汽車運行中路面不平產(chǎn)生跳動，負(fù)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(qū)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(qū)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(dá)·芬奇”的羅伯特·胡克發(fā)表了他關(guān)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(jìn)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(chǎn)生環(huán)形運動。雖然胡克比較詳細(xì)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(yīng)用，但他自己只想用它來進(jìn)行天文觀測，或用在時鐘和日規(guī)的設(shè)計中，故在當(dāng)時沒有引起多少人注意。萬向傳動裝置的出現(xiàn)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(xué)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(zhuǎn)向輪。上世紀(jì)初，虎克萬向節(jié)和傳動軸已在機(jī)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(xiàn)，開始用于獨立懸架的前輪驅(qū)動轎車和四輪驅(qū)動的軍用車的前輪轉(zhuǎn)向節(jié)。1949年由雙聯(lián)式虎克萬向節(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(xiàn)在，根據(jù)在扭轉(zhuǎn)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?zhǔn)絺鬟f動力，又分成不等速萬向節(jié)（常用的為十字軸式）、準(zhǔn)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(jīng)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(nèi)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(nèi)卡環(huán) 蓋板式軸承軸向定位方式的一般結(jié)構(gòu)（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(shù)目較多。有時將蓋板6 點焊于軸承座7 底部（圖l b），裝配后，彈性蓋板對軸承座底部有一定的預(yù)，以免高速轉(zhuǎn)動時由于離心力作用，在十字軸端面與軸承底座之間出現(xiàn)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(nèi)卡式（圖1 d）兩種。它們具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、零件少和質(zhì)量小的優(yōu)點。瓦蓋固定式結(jié)構(gòu)（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(jié)構(gòu)具有拆裝方便、使用可靠的優(yōu)點，但加工工藝較復(fù)雜。塑料環(huán)定位結(jié)構(gòu)（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(dāng)滾針軸承動配合裝入萬向節(jié)叉到正確位置時，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，表明塑料已充滿環(huán)槽。這種結(jié)構(gòu)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(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(xiàn)空氣阻塞而造成缺油，已不能滿足越來越高的使用要求。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的雙刃口復(fù)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(dāng)向十字軸內(nèi)腔注人潤滑油時，陳油、磨損產(chǎn)物及多余的潤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，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(fù)合油封 b）多刃口油封 十字軸萬向節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，強(qiáng)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(dāng)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）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(zhuǎn)角差（1-2）越大，萬向節(jié)的不等速特性越嚴(yán)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(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，從而產(chǎn)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1與第二萬向節(jié)兩軸間的夾角2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(nèi)。 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(shè)計與計算 設(shè)計選取CA1092貨車數(shù)據(jù)如下表： 表1 CA1092參數(shù) 滿載總質(zhì)量9290kg 發(fā)動機(jī)額定功率99kw 發(fā)動機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000r/min 發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)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 最大變矩系數(shù)2.6 后軸承載質(zhì)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(zhuǎn)矩也不同。萬向傳動軸用于變速器與驅(qū)動軸之間，計算載荷如表2 按發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和一擋傳動比來計算  (2-1)式中： -猛接離合器所產(chǎn)生的動載系數(shù)，本設(shè)計車型=0，所以 取=1； -發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，=373 N²m；     K -液力變矩器最大變矩系數(shù)，k=(-1)2+1，為最大變矩系數(shù),取=2.6,k=1.8; -變速器一擋傳動比，=7.64；  -根據(jù)表2取分動器傳動比，=1；  -發(fā)動機(jī)到萬向傳動軸之間的傳動效率，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗取=0.96；   n -根據(jù)表3取連接變速器的傳動軸數(shù)，本設(shè)計車型為后輪驅(qū)動，n=1。  代入數(shù)據(jù)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(qū)動輪打滑來計算      (2-2)式中: -滿載狀態(tài)下一個驅(qū)動橋上的靜載荷,=5200×9.8=50960N ；       -汽車最大加速度時的后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，貨車：¢=1.11.2，所以取=1.2；      -輪胎與路面間的附著系數(shù)，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(shè)計已知輪胎規(guī)格：8.25-16LT，查標(biāo)準(zhǔn)GB9744-1997 可得：外直徑為4064mm，滾動半徑=2032 mm；     -主減速器傳動比，=5.107；      -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(jù)設(shè)計經(jīng)驗取=0.96。  代入數(shù)據(jù)計算得  =21543.50 N²m   對萬向傳動軸進(jìn)行靜強(qiáng)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(shè)計 初選十字軸萬向節(jié)尺寸  根據(jù)萬向傳動軸已知參數(shù)和設(shè)計要求等，參考專業(yè)廠的系列產(chǎn)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 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(jié)構(gòu)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(jù)初選參數(shù)r=57 mm；         -萬向傳動的最大夾角，參考一般傳動軸的設(shè)計選取a=15°。代入數(shù)據(jù)計算得  F=170.83 N  十字軸軸頸部的彎曲應(yīng)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(yīng)力許用值，材料為20CrMnTi，滲碳，=250350 MPa。代入數(shù)據(jù)計算得 =258.39 MPa則該十字軸萬向節(jié)可滿足要求。 十字軸軸頸部的切應(yīng)力              tpt £- = （2-5）代入數(shù)據(jù)計算得 =92.32 MPa   萬向節(jié)十字軸材料為20CrMnTi，滲碳，剪切應(yīng)力=80120MPa，則該十字軸萬向節(jié)滿足要求。（3） 設(shè)計結(jié)論計算結(jié)果（見表5） 表5 計算結(jié)果 18810.89 N²m 21543.50 N²m  18810.89 N²m F 170.83 N  258.39 MPa 92.32 MPa 設(shè)計結(jié)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(jìn)行滲碳淬火處理，滲碳層深度0.81,2mm，表面硬度5864HRC。 表6 推薦的十字軸尺寸三、 基于UG的十字軸設(shè)計參考圖5和表6進(jìn)行UG建模。由于開始的建模結(jié)果不理想，所以進(jìn)行了第二次建模。方法一：（1） 打開軟件，新建模型 （2） 草圖 （3） 拉伸 （4） 草圖 （5） 拉伸 （6） 倒斜角 （7） 草圖 （8） 拉伸 （9） 草圖 （10） 拉伸 （11） 邊倒圓 結(jié)果如圖6、圖7 圖6 圖7方法二（1） 草圖 （2） 拉伸 （3） 求和 （4） 邊倒圓 余下步驟與方法一（4）后相同，結(jié)果如下圖8、圖9 圖8 圖9兩次建模的結(jié)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(jié)論查閱十字軸基本相關(guān)資料（用途、分類、發(fā)展歷史、工作原理、特殊性能、設(shè)計過程等）；根據(jù)資料及課本進(jìn)行十字軸的初選、計算、校核，校核不合理然后，重選數(shù)據(jù)直至校核合理；根據(jù)十字軸設(shè)計結(jié)果及相關(guān)資料進(jìn)行了UG建模，第一次建模的結(jié)果不盡人意又進(jìn)行了第二次建模；對文檔格式進(jìn)行整理，檢查，完成。27