十字軸萬向節(jié)

1、彳曲來冬硏來+廈汽車設(shè)計（基于UG的十字軸萬向節(jié)設(shè)計）學(xué)專班姓學(xué)院：交通運輸與物流學(xué)院業(yè)：交通運輸級：12級交通運輸*班名：號:2012*指導(dǎo)教師：*2015年6月目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6 一、背景介紹1二、基本理論-31、萬向節(jié)傳動的基本理論-3 HYPERLINK l bookmark8 （1）十字軸式萬向節(jié)工作原理3 HYPERLINK l bookmark10 （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 HYPERLINK l bookmark18 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、HYPERLINK l bookmark30 （2）十字軸萬向節(jié)設(shè)計10（3）設(shè)計結(jié)論11 HYPERLINK l bookmark42 三、基于UG的十字軸設(shè)計13 HYPERLINK l bookmark66 四、結(jié)論26 一、背景介紹萬向節(jié)即萬向接頭，英文名稱universaljoint,是實現(xiàn)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(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)

3、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、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

4、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(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

5、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

6、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

7、軸承軸向定位方式有蓋板式（圖la、b）、卡環(huán)式（圖lc、d）、固定式（圖le）和塑料環(huán)定位式（圖lf）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la）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lb）,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

8、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1c）和內(nèi)卡式（圖1d）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1e）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1f）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

9、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2a），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

10、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（巾-巾）越大，12萬向節(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。I占圖3十字軸式萬向節(jié)

11、的不等速性十字軸式萬向節(jié)傳動的等速條件采用雙萬向節(jié)傳動;第一萬向節(jié)兩軸間的夾角耳與第二萬向節(jié)兩軸間的夾角相等;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1CA1092參數(shù)滿載總質(zhì)量9290kg發(fā)動機額定功率99kw發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速3000r/min發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩373Nm最高速度90km/h一到八檔傳動比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8.25-16LT14PR1）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)

12、動軸之間，計算載荷如表2按發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩和一擋傳動比來計算T=sekTkiindemax1fn(2-1)式中：k猛接離合器所產(chǎn)生的動載系數(shù)，本設(shè)計車型f=0,所以dj取k=1；dT發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩，T=373N2m；emaxemaxK-液力變矩器最大變矩系數(shù)，k=(k-1)/2+1,k為最大00變矩系數(shù)，取k=2.6,k=1.8;0i變速器一擋傳動比，i=7.64；11i根據(jù)表2取分動器傳動比，i=1;ff耳一發(fā)動機到萬向傳動軸之間的傳動效率，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗取耳=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T=18810.89N2mse表2萬向傳動軸計算

13、載荷、*鳥于轉(zhuǎn)即百u申T/iTibJMW勾TI命山3TtlUT.t1口丄4r-*fc表3n與if選取表高片您和出巧處搏ft動出心關(guān)島ifKi4X4%-xiidFfd223i%2ii9.8=50960N；2m汽車最大加速度時的后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，貨車：2m=1.11.2，所以取m=1.2;22申一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，取申=0.85；r車輪滾動半徑，本設(shè)計已知輪胎規(guī)格：8.25-16LT，r查標(biāo)準(zhǔn)GB9744T997可得：外直徑為4064mm，滾動半徑r=2032mm；ri主減速器傳動比，i=5.107；00i主減速器從動齒輪到車輪之間的傳動比

14、，mi=1;mn主減速器主動齒輪到車輪之間的傳動效率，根據(jù)設(shè)m計經(jīng)驗取n=0.96。m代入數(shù)據(jù)計算得t=21543.50N2mSS對萬向傳動軸由進行靜強度計算時，計算載荷取T和T的最小值，即IIsessTminT，T1=se，所以取=18810.89Mm。SS1（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50mm油道直徑d2十字軸軸頸長2s十字軸軸長12mm37mm140mm軸頸直徑d1十字軸（如圖5）軸頸作用力合力F的計算圖5十字軸結(jié)構(gòu)圖T(23)i2rcosa式中：r切向力作用

15、線與萬向節(jié)叉軸之間的距離，根據(jù)初選參數(shù)r=57mm；萬向傳動的最大夾角，參考一般傳動軸的設(shè)計選取=15。代入數(shù)據(jù)計算得F=170.83N卜字軸軸頸部的彎曲應(yīng)力(24)=甞卄兀勺4-d4W12式中：d十字軸軸頸直徑，d=50mm；TOC o 1-5 h z11d十字軸油道直徑，d=12mm；22s-合力F作用線到軸頸根部的距離，s=18.5mm；L彎曲應(yīng)力許用值，材料為20CrMnTi,滲碳，L=250WW350MPa。代入數(shù)據(jù)計算得b=258.39MPaW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“（4F）口（、兀虹2-d2丿（25）12代入數(shù)據(jù)計算得T=92.32MPa萬向節(jié)十字軸材料

16、為20CrMnTi，滲碳，剪切應(yīng)力=80120MPa，則該十字軸萬向節(jié)滿足要求。設(shè)計結(jié)論計算結(jié)果（見表5）表5計算結(jié)果TseTSS18810.89N2m21543.50N2m18810.89N2m170.83N258.39MPa92.32MPa設(shè)計結(jié)論萬向節(jié)十字軸材料為20CrMnTi,軸頸直徑d=50mm、油道直徑d12=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0.81,2mm，表面硬度5864HRC。表6推薦的十字軸尺寸號*大M十拿軸總感十字釉及抽承碗針DdhH嘰JZ*125is60G714牯12917.B2汕14S332艸1.S16胡i4

17、20019*a.i909B2.E1BS2iS碩40S5.5108皿2*516計64B29,512913Q2240767&1炳.0制38im38.3頂170札Q2744344.0ie伽274910|22Mn沙2帥IU畀03確三、基于UG的十字軸設(shè)計參考圖5和表6進行UG建模。由于開始的建模結(jié)果不理想，所以進行了第二次建模。方法一：(2)草圖_;鯛妄成草圖(3)拉伸拉伸(4)草圖草圉率嶺平面的對盤些戲擊亜寶向的柚(5)輕完成草圖拉伸（6）倒斜角刮斜角1jeS|St12直(Z) 完成草圖(8)拉伸拉伸(9)草圖草圉 匚圉平面的對顯麺擊要定同的軸ld-1二G辺NZT田MKf占蘇-)I戦蘭歩寺ism注反向序在理上沖圍半向頊孟肖三fiiTKTi=E辰向草圉右向髀完成草圖(10)拉伸拉伸(11)邊倒圓邊倒圜結(jié)果如圖6、圖7圖6圖7 方法二(1)草圖Et5草圖21按伸=1!*5I