傳動(dòng)軸總成及零件設(shè)計(jì)

1、傳動(dòng)軸總成及零件設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目標(biāo)：1、產(chǎn)品的安全性：保證所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品對(duì)使用者及車輛是安全的、可靠的。即在傳動(dòng)軸整個(gè)使用壽命周期內(nèi)，不發(fā)生斷裂、脫落等可導(dǎo)致人體或車輛傷害的故障。2、用戶滿意的性能：a,傳遞扭矩的能力。b,運(yùn)動(dòng)范圍：轉(zhuǎn)速、萬(wàn)向節(jié)擺角、長(zhǎng)度伸縮量、回轉(zhuǎn)空間。c,用戶滿意的使用壽命：一般要求十字軸及滾針軸承壽命十萬(wàn)公里以上、滑動(dòng)花鍵及叉子等其他主要零件，二十萬(wàn)公里以上。國(guó)外先進(jìn)廠家已達(dá)到整個(gè)總成使用壽命三十萬(wàn)公里以上。d,便于使用保養(yǎng)，連接方式便于裝拆，密封、潤(rùn)滑可靠，使用成本低。e,制造成本低，性價(jià)比高。3、滿足一般設(shè)計(jì)要求：標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化、通用化。對(duì)于設(shè)計(jì)者耒說(shuō)，保證產(chǎn)品的安全性

2、是頭等重要的，設(shè)計(jì)不允許存在安全隱患。用戶需要的必要性能也應(yīng)充分滿足。二、失效模式和安全性：傳動(dòng)軸可能發(fā)生斷裂、脫落、扭曲、磨損等失效，有些失效方式可危及人體及車輛安全，如斷裂、脫落；有些失效方式不會(huì)危及人體和事輛，如花鍵磨損、十字軸磨損。我們?cè)O(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸應(yīng)不發(fā)生危及人體及事輛安全的故障。因此，傳動(dòng)軸總成及零件的設(shè)計(jì)失效模式，應(yīng)該是：萬(wàn)向節(jié)或花鍵付磨損達(dá)到限值而失效。在使用期內(nèi)不允許發(fā)生沖擊斷裂、疲勞斷裂等一類故障。即使在非常規(guī)沖擊下，也只允許軸管扭曲，其他零件不應(yīng)斷裂。根據(jù)設(shè)計(jì)失效模式，提出一個(gè)傳動(dòng)軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則-按疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，即零件危險(xiǎn)臾應(yīng)力值應(yīng)小于疲勞強(qiáng)度，并且按屈服強(qiáng)度計(jì)標(biāo)的安全系數(shù)

3、應(yīng)不小于離合器后備系數(shù)。但是，零件疲勞強(qiáng)度是一個(gè)受材料、熱處理、零件結(jié)構(gòu)、零件表面狀態(tài)等多個(gè)因素影響的復(fù)雜問(wèn)題，很難具體確定它的數(shù)值。經(jīng)過(guò)傳動(dòng)軸專業(yè)人員在設(shè)計(jì)、使用、改進(jìn)傳動(dòng)軸中的長(zhǎng)期積累，形成了一套傳動(dòng)軸零件強(qiáng)度設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，或應(yīng)力限值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。最終還是要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明已達(dá)到要求的疲勞壽命才能定型。必須強(qiáng)調(diào)說(shuō)明，不同噸位、不同用途的汽事傳動(dòng)軸，安全系數(shù)或應(yīng)力限值是不同的。所以，最好的辦法是把設(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸零件應(yīng)力值，與公認(rèn)是成功的同類型、相同用途的傳動(dòng)軸零件應(yīng)力值作比較，使處于同一應(yīng)力水平上。同樣，定型也必須通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，確保達(dá)到要求的疲勞壽命。三、總成及主要零件的設(shè)計(jì)

4、計(jì)標(biāo)：傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)標(biāo)，應(yīng)采用汽事設(shè)計(jì)中介紹的公式，這是傳動(dòng)軸行業(yè)通用的，只有采用相同的計(jì)標(biāo)公式，其結(jié)果才具有可比性。不要用一般機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中介紹的公式。1、總成臨界轉(zhuǎn)速：N=0.12*10A9*(DA2+dA2)A1/2)/LA2其中：D:軸管外徑；d:軸管內(nèi)徑；L:兩萬(wàn)向節(jié)中心距。安全系數(shù)：卜=臨界轉(zhuǎn)速N/傳動(dòng)軸最高工作轉(zhuǎn)速nk1.5只有制造精度高，動(dòng)平衡精度高的傳動(dòng)軸，才允許采用低的安全系數(shù)。臨界轉(zhuǎn)速安全系數(shù)過(guò)小，可引發(fā)災(zāi)難性事故，務(wù)必謹(jǐn)慎。在上述公式中，將傳動(dòng)軸簡(jiǎn)化為軸管進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)標(biāo)，存在誤差。經(jīng)過(guò)激振法測(cè)試傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證，證明公式計(jì)標(biāo)出耒的數(shù)值偏大。用旋轉(zhuǎn)法測(cè)量包含了傳動(dòng)軸

5、的幾何位置偏差，更符合實(shí)際，其數(shù)值可能比激振法測(cè)得的還要小一些。在使用過(guò)程中，由于磨損間隙增大，臨界轉(zhuǎn)速會(huì)變小。過(guò)小的臨界轉(zhuǎn)速安全系數(shù)，不能保證傳動(dòng)軸平穩(wěn)工作。2、十字軸：a)危險(xiǎn)截面彎曲應(yīng)力：b=32D*p*h/(兀(DA4-dA4)其中：D:十字軸軸徑；P=M最大/2R:軸頸上作用力；h:作用力到危險(xiǎn)截面距離；d:軸頸內(nèi)油孔直徑；R:十字軸作用力半徑；兀：圓周率。其數(shù)值大小決定十字軸的疲勞斷裂壽命。應(yīng)使十字軸的疲勞壽命大于使用壽命，保證安全性。危險(xiǎn)截面彎曲應(yīng)力許用值，輕中型汽車十字軸，小于等于350Par;重型小于等于300Par;超重型小于等于250Par;特重型小于等于200Par。b

6、)滾針與軸頸的擠壓應(yīng)力：b=272(1/D+1/d針)*4.6P/(i針*L針)人1/2其中：D：十字軸軸徑；d針：滾針軸徑；P:十字軸軸頸上作用力；i針：滾針根數(shù)；L針：滇針有效長(zhǎng)度。擠壓應(yīng)力決定十字軸表面的接觸疲勞。應(yīng)力太高會(huì)產(chǎn)生早期壓痕及錄U落，引起接觸疲勞而過(guò)早失效。耳孔同軸度，軸承支承剛度等都能影響應(yīng)力分布的均勻性，對(duì)接觸疲勞影響很大。帶凸度的滾針軸承可以減少耳孔同軸度、耳孔受載荷變形的敏感性，改善應(yīng)力分布，顯著提高萬(wàn)向節(jié)使用壽命。3、滑動(dòng)花鍵軸：a)花鍵軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：T=16M最大*10A3/(兀*dA3)其中：兀：圓周率；d:花鍵齒根圓直徑。它決定花鍵軸的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命，其應(yīng)力值應(yīng)小

7、于它的扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度，保證安全性。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力允許值小于等于240Par,安全系數(shù)2左右。b)花鍵擠壓應(yīng)力：b=8M最大*10A3/(D|A2-D2A2)i*L)其中：Dl:外花鍵大徑；D2:內(nèi)花鍵小徑；i:花鍵齒數(shù)；L:花鍵嚙合長(zhǎng)度。它對(duì)花鍵磨合影響較大。應(yīng)力太大引起拉毛擦傷等早期故障，使用壽命顯著降低?；ㄦI磨合性能還和花鍵表面粗糙度、硬度金相是否匹配、潤(rùn)滑是否充分、密封是否可靠有關(guān)。擠壓應(yīng)力是一個(gè)基本條件。許用值應(yīng)小于等于20Par。有些資料介紹十字軸軸頸及花鍵的平均使用壓力計(jì)算，作為使用壽命的一個(gè)基本條件。在計(jì)算中使用了傳動(dòng)軸平均使用扭矩的概念。由于使用壽命影響因素很多，計(jì)算的意義不大。4、軸

8、管：扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：T=l6M最大*D*10A3/(兀。人4(人4)其中：D：軸管外徑；d:軸管內(nèi)徑；兀：圓周率。它決定了軸管受沖擊扭矩的能力和扭轉(zhuǎn)疲勞壽命，應(yīng)使應(yīng)力值小于扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度值，并且能承受離合器的打滑扭矩而無(wú)扭曲變形。一般許用值為100par。5、叉子的強(qiáng)度計(jì)標(biāo)比較復(fù)雜，其危險(xiǎn)截面一般受彎、扭、拉壓的復(fù)合作用，而且結(jié)構(gòu)形狀變化大，局部應(yīng)力集中不可避免。 借助電腦進(jìn)行有限元分析， 控制高應(yīng)力臾的應(yīng)力值在疲勞強(qiáng)度以下， 就可以保證零件的安全性。一般調(diào)質(zhì)鋼叉子，疲勞強(qiáng)度為300Par左右。6、突緣連接螺栓：a)螺栓與孔有較大間隙：依靠螺栓拉力使突緣面緊密貼合，可產(chǎn)生的摩擦力矩，就是它能傳遞的最大

9、扭矩。傳遞M最大所需要的螺栓拉力P=2M最大*10A3/(D*f*n)其中：D：螺栓孔分布圓直徑；n：螺栓數(shù)；f:摩擦系數(shù)，干的鋼表面約為0.14至0.20。螺栓強(qiáng)度條件：P=(ddA2)/4*b其中：兀：圓周率；d:螺紋底徑；b:螺栓許用拉應(yīng)力，不同強(qiáng)度等級(jí)的螺栓是不同的。產(chǎn)生上述螺栓拉力所需的擰緊力矩M=P*d中/2*tg(a+p)其中：d中：螺紋中徑；a：螺紋平土!升角；p：螺栓付摩擦角，等于arctg(f/cos(e/2),e為螺紋角；P:單個(gè)螺栓所受拉力。b）配合螺栓：無(wú)間隙或小間隙配合，螺栓受剪切來(lái)傳遞扭矩。傳遞M最大時(shí)螺栓所受的切向力T=2M最大*10A3/（D*k*n）其中：D

10、：螺栓孔分布圓直徑；k：螺栓工作不均衡系數(shù)，一般可取0.75;n：螺栓數(shù)。螺栓強(qiáng)度條件：T=（兀d*2）/4*t其中：兀：圓周率；d:螺桿直徑；t螺栓許用剪切應(yīng)力，不同強(qiáng)度等級(jí)的螺栓是不同的。c）突緣連接面間有鍵或鍵齒，靠鍵或鍵齒受剪切傳遞扭矩，按鍵或鍵齒進(jìn)行計(jì)標(biāo)就可以了。傳動(dòng)軸連接螺栓計(jì)標(biāo)，一般要求同時(shí)滿足拉力條件和切力條件，以保證可靠連接。7、滾針軸承：許用壓力P=790*z*L*d/（n軸承人（1/3）其中：Z：滇針數(shù)；L：滾針有效長(zhǎng)度；d:滾針直徑；n軸承：滾針軸承當(dāng)量轉(zhuǎn)速，等于發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速/一檔速比*萬(wàn)向節(jié)角的正切。應(yīng)滿足PM最大/（R*cosa）。國(guó)外，傳動(dòng)軸的壽命設(shè)計(jì)主要是萬(wàn)向

11、節(jié)的壽命計(jì)算，有一套標(biāo)準(zhǔn)的算法。四、傳動(dòng)軸總成及零件的結(jié)構(gòu)類型：經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展和使用，十字軸萬(wàn)向傳動(dòng)軸已成為非常成熟的產(chǎn)品，它的結(jié)構(gòu)已定型，主要考慮生產(chǎn)條件和使用維修的便利性。1、開式傳動(dòng)軸得到普遍應(yīng)用，閉式傳動(dòng)軸已不多見，但仍在一些汽事中使用，如太脫拉汽事傳動(dòng)軸。2、管式傳動(dòng)軸因?yàn)閯傂愿?，重量輕，具有較高的臨界轉(zhuǎn)速，有利于運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。3、內(nèi)滑式傳動(dòng)軸、外滑式傳動(dòng)軸有各自的優(yōu)勢(shì)。4、突緣連接較為普遍，但端叉連接也不少。端叉的形式有多種，如短套管叉，叉形突緣；用翼形軸承的，用普通滾針軸承由U形螺栓、軸承蓋連接的，用端蓋軸承的，式樣較多。端叉連接方式減少了傳動(dòng)軸系的零件，減輕了重量，降低了制造

12、成本，有些結(jié)構(gòu)裝拆很方便，有一定的比較優(yōu)勢(shì)。5、萬(wàn)向節(jié)軸承的定位方式，有內(nèi)卡式、外卡式、端蓋或壓板式、注塑等。要致慮萬(wàn)向節(jié)軸向間隙的調(diào)整，間隙在0.01至0.06為好。間隙過(guò)大，十字軸竄動(dòng)，動(dòng)平衡不穩(wěn)定；過(guò)盈或零間隙會(huì)引起十字軸端面燒蝕，使萬(wàn)向節(jié)壽命顯著降低。6、中間支承的設(shè)計(jì)應(yīng)致慮它的頻率特性。具有低頻特性的中間支承有利于降低振動(dòng)和噪聲，以20幾Hz為好。7、對(duì)形狀復(fù)雜的零件，如叉類零件，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，滿足強(qiáng)度、剛度條件下，減輕重量，避免局部應(yīng)力集中。五、傳動(dòng)軸的使用壽命：傳動(dòng)軸的使用壽命取決于萬(wàn)向節(jié)壽命和花鍵付壽命。設(shè)計(jì)上主要是控制擠壓應(yīng)力，防止早期失效。但使用壽命受工況、維護(hù)保養(yǎng)條件影

13、響很大。設(shè)計(jì)僅提供一定使用壽命的必要條件。六、試驗(yàn)驗(yàn)證要臾：1、安全性、可靠性驗(yàn)證：a）總成靜扭試驗(yàn)：失效形式應(yīng)是軸管嚴(yán)重扭曲。軸管屈服扭矩應(yīng)大于離合器打滑時(shí)的傳動(dòng)軸扭矩。b）零件靜扭試驗(yàn)：十字軸斷裂扭矩應(yīng)為最大工作扭矩的3.5倍以上，屈服扭矩應(yīng)為最大工作扭矩的3倍以上?；ㄦI軸屈服扭矩應(yīng)2倍以上。叉子零件失效扭矩都必需在3.5倍以上。C）扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)：根據(jù)使用里程壽命要求不同，疲勞壽命也不同。如十字軸使用里程以十萬(wàn)公里為目標(biāo)，疲勞壽命幾十萬(wàn)次（有限壽命）可以了，花鍵付、叉子、軸管，使用里程以二十萬(wàn)公里以上為目標(biāo)，疲勞壽命應(yīng)達(dá)二百萬(wàn)次（無(wú)限壽命）d）總成沖擊試驗(yàn)：失效形式是軸管扭曲，其他零件無(wú)損壞。安全性可靠性的理想狀態(tài)，就是疲勞壽命大于使用壽命，并能經(jīng)受工作中的正常沖擊，在非常沖擊載荷下只出現(xiàn)軸管扭曲，而無(wú)零件斷裂。2、運(yùn)動(dòng)特性驗(yàn)證：a）萬(wàn)向節(jié)擺角a：應(yīng)在2a圓錐角內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)干涉。b）滑動(dòng)花鍵伸縮量。C）總成最大退轉(zhuǎn)直徑。d）其他要求，如運(yùn)動(dòng)阻力（矩）、游動(dòng)間隙等。3、萬(wàn)向節(jié)、花鍵付磨損試驗(yàn)：不出現(xiàn)壓印、剝落、拉傷、燒蝕等早