十字轴万向节

汽 车 设 计 （基于UG的十字轴万向节设计）学 院 ： 交通运输与物流学院 专 业 ： 交通运输 班 级 ： 12级交通运输*班 姓 名 ： 学 号 ： 2012* 指导教师： 李 恩 颖 2015 年 6 月 目 录一、 背景介绍1二、 基本理论3 1、万向节传动的基本理论3（1） 十字轴式万向节工作原理 3 （2）十字轴式万向节传动的不等速特性 5（3）十字轴式万向节传动的等速条件 6 2、十字轴万向传动轴的设计与计算7（1） 传动载荷计算 7（2） 十字轴万向节设计 10（3） 设计结论 11三、 基于UG的十字轴设计13四、 结论26一、背景介绍 万向节即万向接头，英文名称universal joint，是实现变角度动力传递的机件，用于需要改变传动轴线方向的位置，它是汽车驱动系统的万向传动装置的 “关节”部件。万向节与传动轴组合，称为万向节传动装置。 在前置发动机后轮驱动的车辆上，万向节传动装置安装在变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间；而前置发动机前轮驱动的车辆省略了传动轴，万向节安装在既负责驱动又负责转向的前桥半轴与车轮之间。万向节的结构和作用有点像人体四肢上的关节，它允许被连接的零件之间的夹角在一定范围内变化。为满足动力传递、适应转向和汽车运行时所产生的上下跳动所造成的角度变化，前驱动汽车的驱动桥，半轴与轮轴之间常用万向节相连。但由于受轴向尺寸的限制，要求偏角又比较大，单个的万向节不能使输出轴与轴入轴的瞬时角速度相等，容易造成振动，加剧部件的损坏，并产生很大的噪音，所以广泛采用各式各样的等速万向节。在前驱动汽车上，每个半轴用两个等速万向节，靠近变速驱动桥的万向节是半轴内侧万向节，靠近车轴的是半轴外侧万向节。在后驱动汽车上，发动机、离合器与变速器作为一个整体安装在车架上，而驱动桥通过弹性悬挂与车架连接，两者之间有一个距离，需要进行连接。汽车运行中路面不平产生跳动，负荷变化或者两个总成安装的位差等，都会使得变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间的夹角和距离发生变化，因此在后驱动汽车的万向节传动形式都采用双万向节，就是传动轴两端各有一个万向节，其作用是使传动轴两端的夹角相等，从而保证输出轴与输入轴的瞬时角速度始终相等。 1676年，被誉为“英国的达·芬奇”的罗伯特·胡克发表了他关于“太阳镜”的演说。这是一台采用反射镜系统安全地观测太阳的仪器。这台仪器是用他新奇的万向节进行操纵的。万向节是一种万能仪器用来通过任何不规则的弯曲轨道产生环形运动。虽然胡克比较详细地讲过这种新仪器的制造方法，并且含糊地指出，这种仪器可能在各方面获得应用，但他自己只想用它来进行天文观测，或用在时钟和日规的设计中，故在当时没有引起多少人注意。万向传动装置的出现要追溯到1352年，用于教堂时钟中的万向节传动轴。1663年英国物理学家虎克制造了一个铰接传动装置，后来被人们叫做虎克万向节，也就是十字轴式万向节，但这种万向节在单个传递动力时有不等速性。1683年双联式虎克万向节诞生，消除了单个虎克万向节传递的不等速性，并于1901年用于汽车转向轮。上世纪初，虎克万向节和传动轴已在机械工程和汽车工业中起到了极其重要的作用。1908年第一个球式万向节诞生，1926年凸块式等速万向节出现，开始用于独立悬架的前轮驱动轿车和四轮驱动的军用车的前轮转向节。1949年由双联式虎克万向节演变而来的三销式万向节开始被使用在低速的商用车辆上。直到现在，根据在扭转方向是是否有明显的弹性，万向节可分为刚性万向节和挠性万向节。刚性万向节是靠零件的铰链式传递动力，又分成不等速万向节（常用的为十字轴式）、准等速万向节（双联式、二销轴式等）和等速万向节（球叉式、球笼式等）；挠性万向节是靠弹性零件传递动力的，具有缓冲减振作用。万向传动装置已经可以满足飞速发展的汽车科技。二、基本理论 1、万向节传动的基本理论（1）十字轴式万向节工作原理典型的十字轴万向节主要由主动叉、从动叉、十字轴、滚针轴承及其轴向定位件和橡胶密封件等组成。 目前常见的滚针轴承轴向定位方式有盖板式（图l a、b）、卡环式（图l c、d）、固定式（图l e）和塑料环定位式（图l f）等。 图1 滚针轴承轴向定位方式a)普通盖板式 b)弹性盖板式 c)外卡式 d)内卡式 e)瓦盖固定式 f)塑料环定位式 1-螺栓 2-锁片 3-盖板 4-万向节叉 5-套筒 6-弹性盖板 7-轴承座 8-外卡环 9-内卡环 盖板式轴承轴向定位方式的一般结构（图l a）是用螺栓1和盖板3将套筒5。固定在节叉4上，并用锁片2将螺栓锁紧。它工作可靠、拆装方便，但零件数目较多。有时将盖板6 点焊于轴承座7 底部（图l b），装配后，弹性盖板对轴承座底部有一定的预，以免高速转动时由于离心力作用，在十字轴端面与轴承底座之间出现间隙而引起十字轴轴向窜动，从而避免了由于这种窜动造成的传动轴动平衡状态的破坏。卡环式可分为外卡式（图1 c）和内卡式（图1 d）两种。它们具有结构简单、工作可靠、零件少和质量小的优点。瓦盖固定式结构（图1 e）中的万向节叉与十字轴轴颈配合的圆孔不是一个整体而是分成两半用螺钉联接起来。这种结构具有拆装方便、使用可靠的优点，但加工工艺较复杂。塑料环定位结构（图1 f）是在轴承碗外圆和万向节叉的轴承孔中部开一环形槽，当滚针轴承动配合装入万向节叉到正确位置时，将塑料经万向节叉上的小孔压注到环槽中，待万向节叉上另一与环槽垂直的小孔有塑料溢出时，表明塑料已充满环槽。这种结构轴向定位可靠，十字轴轴向窜动小，但拆装不方便。为了防止十字轴轴向窜动和发热，保证在任何工况下十字轴的端隙始终为零，有的结构在十字轴轴端与轴承碗之间加装端面止推滚针或滚柱轴承。 滚针轴承的润滑和密封好坏直接影响着十字轴万向节的使用寿命。毛毡油封由于漏油多，防尘、防水效果差，在加注润滑油时，在个别滚针轴承中可能出现空气阻塞而造成缺油，已不能满足越来越高的使用要求。结构较复杂的双刃口复合油封（图2 a），其中反装的单刃口橡胶油封用作径向密封，另一双刃口橡胶油封用作端面密封。当向十字轴内腔注人润滑油时，陈油、磨损产物及多余的润滑油便从橡胶油封内圆表面与十字轴轴颈接触处溢出，不需安装安全阀，防尘、防水效果良好。在灰尘较多的条件下使用时，万向节寿命可显著提高。（图2 b）为一轿车上采用的多刃口油封，安装在无润滑油流通系统且一次润滑的万向节上。 图2 滚针轴承油封 a）双刃口复合油封 b）多刃口油封 十字轴万向节结构简单，强度高，耐久性好，传动效率高，生产成本低。但所连接的两轴夹角不宜过大，当夹角由4°增至16°时，十字轴万向节滚针轴承寿命约下降至原来的1/4。（2）十字轴式万向节传动的不等速特性单个十字轴式刚性万向节在输入轴和输出轴有夹角的情况下，其两轴的角速度是不相等的，两轴夹角 越大，转角差（1-2）越大，万向节的不等速特性越严重。万向节传动的不等速特性将使从动轴及与其相连的传动部件产生扭转振动，从而产生附加的交变载荷，影响传动部件的寿命。 图3 十字轴式万向节的不等速性（3）十字轴式万向节传动的等速条件 采用双万向节传动； 第一万向节两轴间的夹角1与第二万向节两轴间的夹角2相等； 第一万向节的从动叉与第二万向节的主动叉在同一平面内。 图4 双万向节等速传动布置图 2、十字轴万向传动轴的设计与计算 设计选取CA1092货车数据如下表： 表1 CA1092参数 满载总质量9290kg 发动机额定功率99kw 发动机额定转速3000r/min 发动机最大转矩373N·m 最高速度90km/h 一到六档传动比7.64、4.834、2.856、1.895、1.337、1.0 倒档传动比7.107 主减速器传动比5.107 最大变矩系数2.6 后轴承载质量5200kg 轮胎型号8.25-16LT 14PR（1)传动载荷计算  万向传动轴因布置位置的不同，计算转矩也不同。万向传动轴用于变速器与驱动轴之间，计算载荷如表2 按发动机最大转矩和一挡传动比来计算  (2-1)式中： -猛接离合器所产生的动载系数，本设计车型=0，所以 取=1； -发动机最大转矩，=373 N²m；     K -液力变矩器最大变矩系数，k=(-1)2+1，为最大变矩系数,取=2.6,k=1.8; -变速器一挡传动比，=7.64；  -根据表2取分动器传动比，=1；  -发动机到万向传动轴之间的传动效率，根据设计经验取=0.96；   n -根据表3取连接变速器的传动轴数，本设计车型为后轮驱动，n=1。  代入数据计算得 =18810.89 N²m 表2 万向传动轴计算载荷 表3 n与选取表 按驱动轮打滑来计算      (2-2)式中: -满载状态下一个驱动桥上的静载荷,=5200×9.8=50960N ；       -汽车最大加速度时的后轴负荷转移系数，货车：¢=1.11.2，所以取=1.2；      -轮胎与路面间的附着系数，对于一般轮胎的公路用汽车，在良好的混凝土 或沥青路上，取=0.85；      -车轮滚动半径，本设计已知轮胎规格：8.25-16LT，查标准GB9744-1997 可得：外直径为4064mm，滚动半径=2032 mm；     -主减速器传动比，=5.107；      -主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比，=1；       -主减速器主动齿轮到车轮之间的传动效率，根据设计经验取=0.96。  代入数据计算得  =21543.50 N²m   对万向传动轴进行静强度计算时，计算载荷取和的最小值，即，所以取=18810.89 N²m。（2）十字轴万向节设计 初选十字轴万向节尺寸  根据万向传动轴已知参数和设计要求等，参考专业厂的系列产品初步选取十字轴万向节尺寸（如表4）。 表4 十字轴万向节初选尺寸 轴颈直径 油道直径 十字轴轴颈长2s 十字轴轴长 50mm 12mm 37mm 140mm 十字轴（如图5）轴颈作用力合力F的计算  图5 十字轴结构图    （2-3）式中：r -切向力作用线与万向节叉轴之间的距离，根据初选参数r=57 mm；         -万向传动的最大夹角，参考一般传动轴的设计选取a=15°。代入数据计算得  F=170.83 N  十字轴轴颈部的弯曲应力               （2-4）式中： -十字轴轴颈直径，=50 mm；  -十字轴油道直径，=12 mm；  s -合力F作用线到轴颈根部的距离，s=18.5 mm；  -弯曲应力许用值，材料为20CrMnTi，渗碳，=250350 MPa。代入数据计算得 =258.39 MPa则该十字轴万向节可满足要求。 十字轴轴颈部的切应力              tpt £- = （2-5）代入数据计算得 =92.32 MPa   万向节十字轴材料为20CrMnTi，渗碳，剪切应力=80120MPa，则该十字轴万向节满足要求。（3） 设计结论计算结果（见表5） 表5 计算结果 18810.89 N²m 21543.50 N²m  18810.89 N²m F 170.83 N  258.39 MPa 92.32 MPa 设计结论万向节十字轴材料为20CrMnTi，轴颈直径=50mm、油道直径 =12mm、十字轴轴颈长37mm、十字轴轴长140mm，轴颈表面进行渗碳淬火处理，渗碳层深度0.81,2mm，表面硬度5864HRC。 表6 推荐的十字轴尺寸三、 基于UG的十字轴设计参考图5和表6进行UG建模。由于开始的建模结果不理想，所以进行了第二次建模。方法一：（1） 打开软件，新建模型 （2） 草图 （3） 拉伸 （4） 草图 （5） 拉伸 （6） 倒斜角 （7） 草图 （8） 拉伸 （9） 草图 （10） 拉伸 （11） 边倒圆 结果如图6、图7 图6 图7方法二（1） 草图 （2） 拉伸 （3） 求和 （4） 边倒圆 余下步骤与方法一（4）后相同，结果如下图8、图9 图8 图9两次建模的结果分别如下图10、图11 图10 图11 窃以为方法二操作更简便，所建立模型更好。四、结论查阅十字轴基本相关资料（用途、分类、发展历史、工作原理、特殊性能、设计过程等）；根据资料及课本进行十字轴的初选、计算、校核，校核不合理然后，重选数据直至校核合理；根据十字轴设计结果及相关资料进行了UG建模，第一次建模的结果不尽人意又进行了第二次建模；对文档格式进行整理，检查，完成。27