十字軸萬(wàn)向節(jié)

汽 車 設(shè) 計(jì) （基于UG的十字軸萬(wàn)向節(jié)設(shè)計(jì)）學(xué) 院 ： 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院 專 業(yè) ： 交通運(yùn)輸 班 級(jí) ： 12級(jí)交通運(yùn)輸*班 姓 名 ： 學(xué) 號(hào) ： 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(wàn)向節(jié)傳動(dòng)的基本理論3（1） 十字軸式萬(wàn)向節(jié)工作原理 3 （2）十字軸式萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)的不等速特性 5（3）十字軸式萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)的等速條件 6 2、十字軸萬(wàn)向傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算7（1） 傳動(dòng)載荷計(jì)算 7（2） 十字軸萬(wàn)向節(jié)設(shè)計(jì) 10（3） 設(shè)計(jì)結(jié)論 11三、 基于UG的十字軸設(shè)計(jì)13四、 結(jié)論26一、背景介紹 萬(wàn)向節(jié)即萬(wàn)向接頭，英文名稱universal joint，是實(shí)現(xiàn)變角度動(dòng)力傳遞的機(jī)件，用于需要改變傳動(dòng)軸線方向的位置，它是汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的 “關(guān)節(jié)”部件。萬(wàn)向節(jié)與傳動(dòng)軸組合，稱為萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)裝置。 在前置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)的車輛上，萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)裝置安裝在變速器輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋主減速器輸入軸之間；而前置發(fā)動(dòng)機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)的車輛省略了傳動(dòng)軸，萬(wàn)向節(jié)安裝在既負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)又負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向的前橋半軸與車輪之間。萬(wàn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)和作用有點(diǎn)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(dòng)力傳遞、適應(yīng)轉(zhuǎn)向和汽車運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的上下跳動(dòng)所造成的角度變化，前驅(qū)動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)橋，半軸與輪軸之間常用萬(wàn)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(gè)的萬(wàn)向節(jié)不能使輸出軸與軸入軸的瞬時(shí)角速度相等，容易造成振動(dòng)，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(wàn)向節(jié)。在前驅(qū)動(dòng)汽車上，每個(gè)半軸用兩個(gè)等速萬(wàn)向節(jié)，靠近變速驅(qū)動(dòng)橋的萬(wàn)向節(jié)是半軸內(nèi)側(cè)萬(wàn)向節(jié)，靠近車軸的是半軸外側(cè)萬(wàn)向節(jié)。在后驅(qū)動(dòng)汽車上，發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器與變速器作為一個(gè)整體安裝在車架上，而驅(qū)動(dòng)橋通過(guò)彈性懸掛與車架連接，兩者之間有一個(gè)距離，需要進(jìn)行連接。汽車運(yùn)行中路面不平產(chǎn)生跳動(dòng)，負(fù)荷變化或者兩個(gè)總成安裝的位差等，都會(huì)使得變速器輸出軸與驅(qū)動(dòng)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(dòng)汽車的萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)形式都采用雙萬(wàn)向節(jié)，就是傳動(dòng)軸兩端各有一個(gè)萬(wàn)向節(jié)，其作用是使傳動(dòng)軸兩端的夾角相等，從而保證輸出軸與輸入軸的瞬時(shí)角速度始終相等。 1676年，被譽(yù)為“英國(guó)的達(dá)·芬奇”的羅伯特·胡克發(fā)表了他關(guān)于“太陽(yáng)鏡”的演說(shuō)。這是一臺(tái)采用反射鏡系統(tǒng)安全地觀測(cè)太陽(yáng)的儀器。這臺(tái)儀器是用他新奇的萬(wàn)向節(jié)進(jìn)行操縱的。萬(wàn)向節(jié)是一種萬(wàn)能儀器用來(lái)通過(guò)任何不規(guī)則的彎曲軌道產(chǎn)生環(huán)形運(yùn)動(dòng)。雖然胡克比較詳細(xì)地講過(guò)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(lái)進(jìn)行天文觀測(cè)，或用在時(shí)鐘和日規(guī)的設(shè)計(jì)中，故在當(dāng)時(shí)沒有引起多少人注意。萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的出現(xiàn)要追溯到1352年，用于教堂時(shí)鐘中的萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸。1663年英國(guó)物理學(xué)家虎克制造了一個(gè)鉸接傳動(dòng)裝置，后來(lái)被人們叫做虎克萬(wàn)向節(jié)，也就是十字軸式萬(wàn)向節(jié)，但這種萬(wàn)向節(jié)在單個(gè)傳遞動(dòng)力時(shí)有不等速性。1683年雙聯(lián)式虎克萬(wàn)向節(jié)誕生，消除了單個(gè)虎克萬(wàn)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(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)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(gè)球式萬(wàn)向節(jié)誕生，1926年凸塊式等速萬(wàn)向節(jié)出現(xiàn)，開始用于獨(dú)立懸架的前輪驅(qū)動(dòng)轎車和四輪驅(qū)動(dòng)的軍用車的前輪轉(zhuǎn)向節(jié)。1949年由雙聯(lián)式虎克萬(wàn)向節(jié)演變而來(lái)的三銷式萬(wàn)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(wàn)向節(jié)可分為剛性萬(wàn)向節(jié)和撓性萬(wàn)向節(jié)。剛性萬(wàn)向節(jié)是靠零件的鉸鏈?zhǔn)絺鬟f動(dòng)力，又分成不等速萬(wàn)向節(jié)（常用的為十字軸式）、準(zhǔn)等速萬(wàn)向節(jié)（雙聯(lián)式、二銷軸式等）和等速萬(wàn)向節(jié)（球叉式、球籠式等）；撓性萬(wàn)向節(jié)是靠彈性零件傳遞動(dòng)力的，具有緩沖減振作用。萬(wàn)向傳動(dòng)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(wàn)向節(jié)傳動(dòng)的基本理論（1）十字軸式萬(wàn)向節(jié)工作原理典型的十字軸萬(wàn)向節(jié)主要由主動(dòng)叉、從動(dòng)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(wàn)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(shí)將蓋板6 點(diǎn)焊于軸承座7 底部（圖l b），裝配后，彈性蓋板對(duì)軸承座底部有一定的預(yù)，以免高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(dòng)，從而避免了由于這種竄動(dòng)造成的傳動(dòng)軸動(dòng)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(jiǎn)單、工作可靠、零件少和質(zhì)量小的優(yōu)點(diǎn)。瓦蓋固定式結(jié)構(gòu)（圖1 e）中的萬(wàn)向節(jié)叉與十字軸軸頸配合的圓孔不是一個(gè)整體而是分成兩半用螺釘聯(lián)接起來(lái)。這種結(jié)構(gòu)具有拆裝方便、使用可靠的優(yōu)點(diǎn)，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(wàn)向節(jié)叉的軸承孔中部開一環(huán)形槽，當(dāng)滾針軸承動(dòng)配合裝入萬(wàn)向節(jié)叉到正確位置時(shí)，將塑料經(jīng)萬(wàn)向節(jié)叉上的小孔壓注到環(huán)槽中，待萬(wàn)向節(jié)叉上另一與環(huán)槽垂直的小孔有塑料溢出時(shí)，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(dòng)小，但拆裝不方便。為了防止十字軸軸向竄動(dòng)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(rùn)滑和密封好壞直接影響著十字軸萬(wàn)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(rùn)滑油時(shí)，在個(gè)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(lái)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(rùn)滑油時(shí)，陳油、磨損產(chǎn)物及多余的潤(rùn)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(shí)，萬(wàn)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(wú)潤(rùn)滑油流通系統(tǒng)且一次潤(rùn)滑的萬(wàn)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(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，強(qiáng)度高，耐久性好，傳動(dòng)效率高，生產(chǎn)成本低。但所連接的兩軸夾角不宜過(guò)大，當(dāng)夾角由4°增至16°時(shí)，十字軸萬(wàn)向節(jié)滾針軸承壽命約下降至原來(lái)的1/4。（2）十字軸式萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)的不等速特性單個(gè)十字軸式剛性萬(wàn)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(wàn)向節(jié)的不等速特性越嚴(yán)重。萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)的不等速特性將使從動(dòng)軸及與其相連的傳動(dòng)部件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而產(chǎn)生附加的交變載荷，影響傳動(dòng)部件的壽命。 圖3 十字軸式萬(wàn)向節(jié)的不等速性（3）十字軸式萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)的等速條件 采用雙萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)； 第一萬(wàn)向節(jié)兩軸間的夾角1與第二萬(wàn)向節(jié)兩軸間的夾角2相等； 第一萬(wàn)向節(jié)的從動(dòng)叉與第二萬(wàn)向節(jié)的主動(dòng)叉在同一平面內(nèi)。 圖4 雙萬(wàn)向節(jié)等速傳動(dòng)布置圖 2、十字軸萬(wàn)向傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)額定功率99kw 發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000r/min 發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩373N·m 最高速度90km/h 一到六檔傳動(dòng)比7.64、4.834、2.856、1.895、1.337、1.0 倒檔傳動(dòng)比7.107 主減速器傳動(dòng)比5.107 最大變矩系數(shù)2.6 后軸承載質(zhì)量5200kg 輪胎型號(hào)8.25-16LT 14PR（1)傳動(dòng)載荷計(jì)算  萬(wàn)向傳動(dòng)軸因布置位置的不同，計(jì)算轉(zhuǎn)矩也不同。萬(wàn)向傳動(dòng)軸用于變速器與驅(qū)動(dòng)軸之間，計(jì)算載荷如表2 按發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和一擋傳動(dòng)比來(lái)計(jì)算  (2-1)式中： -猛接離合器所產(chǎn)生的動(dòng)載系數(shù)，本設(shè)計(jì)車型=0，所以 取=1； -發(fā)動(dòng)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(dòng)比，=7.64；  -根據(jù)表2取分動(dòng)器傳動(dòng)比，=1；  -發(fā)動(dòng)機(jī)到萬(wàn)向傳動(dòng)軸之間的傳動(dòng)效率，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)取=0.96；   n -根據(jù)表3取連接變速器的傳動(dòng)軸數(shù)，本設(shè)計(jì)車型為后輪驅(qū)動(dòng)，n=1。  代入數(shù)據(jù)計(jì)算得 =18810.89 N²m 表2 萬(wàn)向傳動(dòng)軸計(jì)算載荷 表3 n與選取表 按驅(qū)動(dòng)輪打滑來(lái)計(jì)算      (2-2)式中: -滿載狀態(tài)下一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋上的靜載荷,=5200×9.8=50960N ；       -汽車最大加速度時(shí)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(duì)于一般輪胎的公路用汽車，在良好的混凝土 或?yàn)r青路上，取=0.85；      -車輪滾動(dòng)半徑，本設(shè)計(jì)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(dòng)半徑=2032 mm；     -主減速器傳動(dòng)比，=5.107；      -主減速器從動(dòng)齒輪到車輪之間的傳動(dòng)比，=1；       -主減速器主動(dòng)齒輪到車輪之間的傳動(dòng)效率，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)取=0.96。  代入數(shù)據(jù)計(jì)算得  =21543.50 N²m   對(duì)萬(wàn)向傳動(dòng)軸進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，計(jì)算載荷取和的最小值，即，所以取=18810.89 N²m。（2）十字軸萬(wàn)向節(jié)設(shè)計(jì) 初選十字軸萬(wàn)向節(jié)尺寸  根據(jù)萬(wàn)向傳動(dòng)軸已知參數(shù)和設(shè)計(jì)要求等，參考專業(yè)廠的系列產(chǎn)品初步選取十字軸萬(wàn)向節(jié)尺寸（如表4）。 表4 十字軸萬(wàn)向節(jié)初選尺寸 軸頸直徑 油道直徑 十字軸軸頸長(zhǎng)2s 十字軸軸長(zhǎng) 50mm 12mm 37mm 140mm 十字軸（如圖5）軸頸作用力合力F的計(jì)算  圖5 十字軸結(jié)構(gòu)圖    （2-3）式中：r -切向力作用線與萬(wàn)向節(jié)叉軸之間的距離，根據(jù)初選參數(shù)r=57 mm；         -萬(wàn)向傳動(dòng)的最大夾角，參考一般傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)選取a=15°。代入數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)算得 =258.39 MPa則該十字軸萬(wàn)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(jì)算得 =92.32 MPa   萬(wàn)向節(jié)十字軸材料為20CrMnTi，滲碳，剪切應(yīng)力=80120MPa，則該十字軸萬(wàn)向節(jié)滿足要求。（3） 設(shè)計(jì)結(jié)論計(jì)算結(jié)果（見表5） 表5 計(jì)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(jì)結(jié)論萬(wàn)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(zhǎng)37mm、十字軸軸長(zhǎng)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(jì)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(jiǎn)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(jì)過(guò)程等）；根據(jù)資料及課本進(jìn)行十字軸的初選、計(jì)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(jì)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(duì)文檔格式進(jìn)行整理，檢查，完成。27