万向传动设计

1、CDIO课程设计 项 目 名 称： 双十字万向传动装置 小 组 成 员： 谢坤明闫廷旺王 浩专 业 班 级： 13机械（3） 指 导 教 师： 杨启耀 目 录设计任务书.2前 言.3第一章 万向传动轴的结构特点及方案选择.5 1.1结构特点.51.2 基本组成的选择.6第二章 万向传动的受力分析与选择.82.1 单十字万向节传动.8 2.2 双十字万向节传动.9 2.3 传动轴管的选择.112.4 伸缩花键的选择.11第三章 传动轴的计算与强度校核.123.1 传动轴计算转矩.123.2 传动轴管内外径确定.12 3

2、.3 传动轴扭矩强度校核.12第四章 十字轴总成尺寸的确定与强度校核.134.1 十字轴万向节尺寸的确定与强度校核.144.2 十字万向节的轴承.16第五章 整体的结构与绘图.17第六章 总结.186.1 结论.186.2 展望.19致 谢.19参考文献 附件125 设计任务书 本次的课程设计，经我们小组讨论和决定，我们设计的是双十字万向传动装置，在生活中的各类汽车都会有万向传动装置，使我们生活中汽车不可缺少的。本次的设计，为了更加改善，以及提升万向传动轴的性能。 组长：闫廷旺 负责三维图的绘制，装配以及工程图，简单计算。 组员：谢坤明 负责收集资料，制作word文档。 组员：王 浩 负责PP

3、T制作以及动态仿真。 前 言 本文所设计的是双十字万向传动装置。万向传动装置在汽车上有很多应用，结构也稍有不同，但其功用都是一样的，即在轴线相交且相互位置经常发生变化的两转轴之间传递动力。与其它的齿轮传动、带传动、链传动机构相比，万向节传动机构有着独特的、其它机构不能代替的优点，当需要将一根轴上的扭矩或传动以较大的轴间夹角传到相距较远、且角度可能变化的另一根轴时，往往只能选择万向节传动机构来实现。其作用在航空航天、机床、机械、尤其是汽车领域非常重要。随着汽车工业100多年的发展历史，万向传动轴的设计形式也得到了很快的发展。目前，常用的万向节大体可以分为四类：十字轴式刚性万向节、准等速万向节、等

4、速万向节、挠性万向节。在货车中，由于十字轴式刚性万向传动轴具有其不可忽视的优点，所以在此次设计任务中，选用十字轴式刚性万向传动轴。本文介绍了万向传动装置的结构和工作原理，及相关参数的确定。全文的中心内容共分为七章：第一章为万向传动轴的结构特点及基本要求；第二章为万向传动轴结构方案的分析；第三章为万向传动的运动和受力分析；第四章为万向传动轴的选择；第五章为传动轴的计算与强度校核；第六章为十字轴总成尺寸的确定与强度校核；第七章整体的结构与绘图，以及第八章的总结。在原始数据确定的前提下，设计所要完成的任务有：查找、收集相关资料，进一步确定万向传动装置的基本尺寸的选取、材料选择、加工精度、热处理方法和

5、传动过程中的接触应力等工作，其中传动过程中零件内部的接触应力最为关键，在此文中着重做到了应力校核这一步。最后的工作是工程制图，实实在在地手工制图，发现了一些知识点的死角，都进行一定程度的纠正，验证了许多以前只有在书本上学的知识点。通过此次课程设计的亲身体验，极大地增长了见识，拓展了视野，提高了亲身动手的能力，提升了绘图以及个人设计的基础。第1章 万向传动轴的结构特点及方案选择1.1结构特点双十字万向传动装置一般是由万向节、传动轴和中间支撑组成。主要用于工作过程中相对位置不断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输入轴两轴

6、线夹角的变化，并实现两轴的等角速传动。一般万向节由十字轴、十字轴承、凸缘叉及轴向定位件和橡胶密封件等组成。传动轴是一个高转速、少支承的旋转体，因断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。在长轴距车辆的中间传动轴一般设有传动轴中间支承它是由支承架、轴承和橡胶支承组成。其广泛应用在汽车上，传动轴是由轴管、伸缩套和万向此它的动平衡是至关重要的。如下图：图1-1 万向传动装置的工作原理及功用 图1-2 变速器与驱动桥之间的万向传动装置 基本要求：1.保证所连接的两根轴的夹角及相对位置在一定范围内变动时，能可靠而稳定地传递动力。 2.保证传动尽可能同步，所连接两轴尽可能等速运转。 3.由于万向节夹角而产生的附

7、加载荷、振动和噪声应在允许范围内，在使用车速范围内不应产生共振现象。 4.传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。对于转向驱动桥，左、右驱动轮需要随汽车行驶轨迹变化而改变方向，这时多采用等速万向传动轴。如图1-3图1-3 万向节在汽车上的各种应用1.2 基本组成的选择一般货车采用动力前置后驱装置。此种布置的优点有： 1.容易发现发动机的故障，维修方便；离合器、变速器等操作机构简单，容易布置；货厢地板低平； 2.汽车总长和轴距尺寸短；最小转弯直径小；机动性能良好；不需要发动机罩和翼子板，加上总长缩短等因素的影响，汽车整备质量减小；驾驶员的视野得到明显改善；采用翻转式驾驶室是能改善

8、发动机及其附件的接近性；汽车面积利用率高。 在普通汽车传动装置中，因十字轴式刚性万向节结构简单、传动可靠等优点而得到了广泛应用。十字轴式刚性万向节结构简单、强度高、耐久性好，生产性高，生产成本较低，且传动可靠，效率较高，目前允许两传动轴之间的交角一般为15°20°，在连接角较小时大都使用这种万向节。 十字轴式刚性万向节结构如图图1-4 十字轴式刚性万向节在货车设计中，选定为十字轴式万向传动装置，即采用单节式万向传动轴，其两端用普通万向节分别与变速器和驱动桥连接。装配时为了保证满载时，实现等速传动，要满足：1. 传动轴两端的万向节叉在同一平面内 ；2. 输入轴、输出轴与传 动

9、轴的夹角相等，即=。如下图 图1-5 输入轴与输出轴的夹角 第二章 万向传动轴的受力分析与选择2.1 单十字万向节传动 如下图2-1所示，设主动叉由初始位置转过角，从动叉相应转过角， 图2-1 万向节的运动分析1-主动叉 2-从动叉 3-十字轴由机械原理分析可以得出如下关系式 = (2.1） 当十字轴万向节的主动轴与从动轴存在一定夹角时，主动轴角速度与从动轴的角速度之间存在如下的关系 (2.2) 由于是周期为2的周期函数，所以也为同周期函数。当为0、时，达到最大值且为；当为、时，有最小值且为。因此，主动轴以等角速度转动时，从动轴时快时慢，即为普通十字轴万向节传动的不等速性。十字轴万向节传动的不

10、等速性可用转速不均匀系数k来表示 k (2.3)如不计万向节的摩擦损失，主动轴转矩和从动轴转矩与各自相应的角速度有关系式 = ，因此可得 = (2.4)2.2 双十字万向节传动 当输入轴与输出轴之间存在夹角 时，单个十字轴万向节的输出轴相对于输入轴时不等速旋转的。为了使处于同一平面的输出轴与输入轴等速旋转，可采用双万向节传动，但必须保证同传动轴相连的两万向节应布置在同一平面内，且使两万向节夹角与相等。当输入轴与输出轴平行时见图2-2，直接连接传动轴的两万向节叉所受的附加弯矩，使传动轴发生如图2-2中双点划线所示的弹性弯曲，从而引起传动轴的弯曲振动。当输入轴与输出轴相对时见图2-2，传动轴两端万

11、向节叉上所受的附加弯矩方向相同，不能彼此平衡，传动轴发生如图2-2所示中双点划线所示的弹性弯曲。 图2-2 附加弯矩对传动轴的作用 输入轴与输出轴平行； 输入轴与输出轴相交； 传动轴发生弹性弯曲； 相交时传动轴发生弹性弯曲附表 表2-1 十字轴万向节的允许范围万向节安装位置或相联两总成夹角不大于离合器与变速器；变速器与分动器（相联总成均装在车架上） 13驱动桥传动轴汽车满载静止时一般汽车 6 越野汽车 12行驶中极限夹角 一般汽车 1520 短轴距越野汽车 302.3 传动轴管的选择 传动轴的长度和夹角及它们的变化范围，由汽车总布置设计决定。设计时应保证在传动轴长度处在最大值时，花键套与花键轴

12、有足够的配合长度；而在长度处于最小时，两者不顶死。传动轴夹角大小会影响万向节十字轴和滚针轴承的寿命、万向传动效率和十字轴的不均匀性。变化范围为3。 传动轴经常处于高速旋转状态下，所以轴的材料查机械零件手册选取40CrNi，适用于很重要的轴，具有较高的扭转强度。传动轴管由低碳钢板制壁厚均匀、壁薄（1.53.0mm）、管径较大、易质量平衡、扭转强度高、弯曲刚度高、适用高速旋转的电焊钢管制成。2.4 伸缩花键的选择选择矩形花键，用于补偿由于汽车行驶时传动轴两端万向节之间的长度变化。为减小阻力及磨损，对花键齿磷化处理或喷涂尼龙，外层设有防尘罩，间隙小一些，以免引起传动轴的震动。花键齿与键槽按对应标记装

13、配，以保持传动轴总成的动平衡。动平衡的不平衡度由电焊在轴管外的平衡片补偿。装车时传动轴的伸缩花键一端应靠近变速器，减小其轴向阻力和磨损。其结构图如下: 图 2-3 万向传动轴花键轴结构简图 1-盖子；2-盖板；3-盖垫；4-万向节叉；5-加油嘴；6-伸缩套； 7-滑动花键槽；8-油封；9-油封盖；10-传动轴管 第三章 传动轴的计算与强度校核3.1 传动轴计算转矩 = = 593.99690% （3.1） = 212187 N 3.2 传动轴管内外径确定 =1.2 = 6600 （3.2） 得 = = 7385.3 （3.3） 又 1.5 mm 3 mm根据电焊钢管外径6095mm的标准资料（

14、从冶金部标准YB24263中选取） 初选 = 63.5 mm ，则 = = 58 mm （3.4）其中： 为传动轴长度(mm)，即两万向节中心的距离 和分别为传动轴轴管的外、内径(mm) 3.3 传动轴扭矩强度校核 由于传动轴只承受扭转应力而不承受弯曲应力，所以只需校核扭转强度，根据公式有 = = （3.5） =13.8 MPa = 300 MPa （为许用扭转切应力） 上式说明设计参数满足扭转强度要求附表 表3-1 6095mm毫米的电焊钢管YB242-63外径（mm）钢管厚度（mm）601.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、63.51.4、

15、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、701.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、751.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、3.8、4.0、4.2、4.5831.4、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2、3.5、3.8、4.0、4.2、4.5 第四章 十字轴总成尺寸的确定与强度校核 为便于设计时确定十字轴总成尺寸，表4-1列出了不同吨位载重汽车十字轴按图4-1所示尺寸的范围 表4-1 推荐采用的十字轴总成及花键尺寸载重质量

16、十 字 轴 总 成 花键工作长度十 字 轴滚 针轴 承 套HdhL nC11.522.534578104.1 十字轴万向节尺寸的确定与强度校核按表4-1所示，初步确定十字轴万向节的尺寸，然后利用强度校核公式进行其轴颈弯曲应力的校核。(十字轴要素见4-1图)初步选定 H = 90 mm d = 18 mm h = 16 mm = 20 mm = 6 mm；s = 8 mm r = 37 mm (自图4-2十字轴受力示意图)，十字轴轴颈根部的弯曲应力 应满足： = (4.1)其中 d 十字轴径，mm F = 为万向传动的计算转矩， r 为合力F作用线到十字轴中心的距离，mm s 合力F作用线到轴颈

17、根的距离，mm 十字轴油道孔直径，mm代入数据可得 = =40.5 MPa 式中 为弯曲应力许用值，为250300MPa。则可得，十字轴轴颈根部的弯曲应力满足要求。图4-1 十字轴尺寸要素十字轴轴颈的切应力应满足 = = (4.2) =12.7MPa 式中为切应力 的许用值，为80120MPa。 则，十字轴轴颈的切应力满足要求。 图4-2 十字轴受力示意图4.2 十字万向节的轴承万向节轴承可以认为是由滚针、密封及轴承套所组成。轴承以总成方式把万向节叉连接起来，轴承套用钢制作，其硬度大于HRC60。轴承应具有易于装入万向节叉的外形。万向节轴承常用的滚动体是滚针。当轴承套的尺寸一定时，应选用小直径

18、滚针配用较粗的轴颈，同时增加滚针数目，以降低滚针与轴颈间的接触应力，但滚针直径不得小于1.6 mm，以免压碎，而且差别要小，否则会加重载荷在滚针间分配的不均匀性，一般控制在0.003mm以内。理论上滚针越长，万向节的承载能力越高，但滚针过长时其歪斜带来的不良影响亦越大，故其长度不宜超过十字轴轴颈，使其具有较高的承载能力，又不至因滚针过长发生歪斜而造成应力集中，滚针在轴向的游隙一般不超过0.20.4mm。则经参考表6-1，另根据国家标准，初定十字万向节轴承的尺寸为滚针尺寸 = 3 mm = 14 mm n = 22轴承套尺寸 = 32 mm C = 4 mm其中 滚针的直径，mm 滚针的长度，m

19、m n 滚针的数目 轴承套的外径，mm C 轴承套的厚度，mm滚针轴承的接触应力为 = 272 (4.3) 其中 在合力F的作用下一个滚针所受的最大载荷，N = (4.4)其中 滚针列数，此处取 = 1 ,将数据代入上面两式，得 = 272= 1110.7 MPa 式中为滚针的许用接触应力，当其表面硬度在58HRC以上时，许用接触应力为30003200MPa 。 十字轴常用材料为 、等低碳合金钢，轴颈表面进行渗碳淬火处理，渗碳层深度为,表面硬度,轴颈端面硬度不低于，芯部硬度为。万向节叉一般采用45中碳钢，调质处理，硬度,滚针轴承碗材料一般采用。 第五章 整体的结构与绘图 经过以上的设计与计算，

20、我们用solidworks绘制了整体的三维图以及工程图，使本次的课程设计更加的完善。 图5.1 整体三维图 图5.2整体的工程图 第六章 总结6.1 结论 课程设计是大学生涯一个必不可少的环节，对于个人也是一个相当重要的经历。我们在亲自着手查阅资料，进行实体模型分析，更进一步地计算、设计全过程，学会了许多，也吸取了教训，使自己有了一个全面的发展，不再局限于书本知识，注重的是实际动手能力。 随着大型软件的开发，再加上计算机速度的提高，人们对汽车方面的设计工作要求越来越高。此次的设计任务是万向传动装置的设计，主要进行万向节、传动轴等元件的计算与分析。在根据已知数据得前提下，查阅足够的资料，进行充分

21、的计算，最后才能得出符合实际要求的尺寸。在绘图中，利用三维制图软件SolidWorks，完成实体建模与工程图的工作。通过积极地与同学进行交流，充分体会到了团结的力量，在各方面的努力下，终于在规定日期完成了设计任务。 此次设计的完成，是我们大学生活中一次难忘的经历，一个令我们终生难忘的经验，是一笔宝贵的财富。通过对万向传动轴的设计过程，充分了解到了万向传动轴的重要应用，及其广泛的发展前景。对设计工作有了一个深刻的认识，相信对以后从事设计方面的工作有极大地帮助。6.2 展望 万向传动轴是汽车的关键部件之一，也是汽车国产化技术难度较大的部件之一，没有高技术的设备是很难达到要求的。它是汽车前后动力的传动装置，是汽车正常行驶不可或缺的一部分。目前，国内只有少数合资企业能够具备这样的生产能