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1、中型货车万向节与传动轴设计 摘要 万向传动装置一般由万向节和传动轴组成，有时还需加装中间支承。本设计主要研究中型货车变速器与驱动桥之间的万向传动装置。该设计是以万向传动装置的结构与工作原理为基础，采用有限元分析、理论研究与实际研究、定性与定量分析等方法计算出较为合理的万向节与传动轴结构。并用文字叙述与图表说明相结合的方法阐述了万向传动装置的构造及所选基本尺寸，然后计算了万向节的转矩，对十字轴上的力以及十字轴颈根部的弯曲应力和切应力进行强度校核，其中应用有限元分析的方法对中间传动轴进行应力分析，并绘制出了传动轴的受力云图。对十字轴滚针轴承进行接触应力和滚针所能承受的最大载荷的计算，以适合十字轴的
2、使用；对万向节叉与十字轴连接支承时产生的作用反力，对其万向节叉承受弯曲和扭矩载荷进行校核，以达到使用强度。确保其在正常使用的情况下，拥有更长的使用寿命。 关键词：中型货车；万向传动装置；十字轴式万向节；伸缩花键 Abstract Universal transmission device is generally composed by universal and shaft, and sometimes it also needs to install middle supporting. This design mainly studies about the medium vans tr
3、ansmission and the universal transmission between axles.It is based on universal transmission device structure and working principle, and calculates the universal shaft and the reasonable structure by finite element analysis, theoretical research , practical research, the qualitative and quantitativ
4、e analysis. Use text and illustrations method combining describes the structure ,universal transmission device and selected basic dimensions. Then calculate the torque, and compare the bending stress and shear stress intensity of universal shaft and the roots of the neck. Use application of the fini
5、te element analysis method in stress analysis of intermediate shaft transmission and mapped the stress contours. The cross axis needle bearing on contact stress and needle roller can withstand the maximum load calculation for the use of spiders. Compare the cardan shaft supporting the role of the re
6、verse force, cardan sustaining bending and torque load test, in order to achieve intensity. To ensure the service life be longer by normal use in the circumstances. Key words:medium truck；universal driving device；cardan universal joint；slip join 目录 绪论 (5) 1 万向传动装置结构方案分析 (6) 1.1 中型货车主要参数选择 (6) 1.2 总体
7、设计方案 (6) 1.2.1 传动轴管选择 (8) 1.2.2 伸缩花键的选择 (8) 1.2.3 万向节分析 (9) 1.2.4 中间支承结构分析与设计 (10) 2万向节的分类 (12) 2.1 不等速万向节 (12) 2.2 准等速万向节 (13) 2.3 等速万向节 (13) 3 万向节的设计与强度校核 (14) 3.1 万向节结构与尺寸设计 (14) 3.1.1 基本构造与基本原理 (14) 3.1.2 确定十字轴尺寸 (14) 3.1.3 十字轴万向节的传动效率 (15) 3.2 万向节强度校核 (15) 3.2.1 十字轴万向节运动和受力分析 (15) 3.2.2 十字轴万向节传
8、动的附加弯矩和惯性力矩 (16) 3.2.3 十字轴万向节传动的弯曲应力与剪切应力 (19) 4万向传动轴设计及强度校核 (23) 4.1 传动轴的临界转速 (23) 4.2 传动轴长度选择 (26) 4.3 传动轴管内外径确定 (26) 4.4 传动轴扭转强度校核 (26) 4.5 花键内外径确定 (27) 4.6 花键挤压强度校核 (28) 5基于CATIA的有限元分析 (29) 5.1 设计零件模型 (29) 5.2 生成静态分析 (29) 6 技术与经济性分析 (31) 结论 (32) 参考文献 (33) 致谢 (34) 绪论 随着汽车行业的渐成熟，特别是近几十年来汽车工业大发展以来，
9、汽车行业对世界经济的发展和人类社会的进步产生了巨大影响。现今生活中，汽车的普及极大的扩大了人们的活动范围也加快的人们的生活节奏。如今，汽车成为了人类生活中不可或缺的一部分。在过去的几十年中，发达国家一辆新车的零售价上涨了100%，而个人平均收入只增加了50%。为确保在2022年广大人民仍旧能够买得起车并且让制造商有利可图，汽车制造商需要将每辆汽车的制造成本降低1500欧元左右。降低成本的措施包括对生产工艺进行简化和标准化，以及生产低成本汽车。现今，汽车的设计的形势要求提高汽车的技术水平，使其承载能力更强，动力性更好，污染更少使用性能更好，更安全，更可靠，更经济舒适。 本设计的研究对象是中型货车
10、的万向传动装置，其作为汽车传动系统中的重要部件，零件的结构方案、材料的选择、所受力的分析是本设计探讨设计的重点。 万向传动装置一般由万向节和轴管及伸缩花键等零部件所组成，如果是轴距较长的车辆，为了使传动轴的临界转速得到提高和避免共振，还需要装有中间支承。万向传动装置在汽车上应用的比较广泛，主要功用是在工作过程中相对位置不断变化的两根轴之间传递转矩和旋转运动。当车型是发动机前置后驱时，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汽车省略了传动轴，万向节安装在前桥半轴与车轮之间。在万向传动装置的工作过程中，输出轴绕自身轴的旋转的动力来源是由输入轴绕其轴的旋转提
11、供的。万向节允许被连接的零件之间存在相应的夹角并在一定范围内变化来满足动力传递、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。 本文主要进行4x2前置后驱中型货车的万向节与传动轴设计。该类车上万向传动装置安装在变速器与驱动桥之间，且两者之间距离较远的情况下，将传动轴分成主传动轴和中间传动轴两端，并用三个十字轴式万向节相连，且在中间传动轴后端加装上中间支撑。 1 万向传动装置结构方案分析 1.1 中型货车主要参数选择 表1-1 主要参数选择 Table 1-1 to choose the main parameters 发动机最大转矩（T emax）318N?m 发动机到万向轴之间传动效
12、率（）0.90 满载状态下一个驱动桥静载荷（G2）54498N 变速器一档传动比 6.38 变速器五档传动比0.79 主减速器传动比 3.95 车轮滚动半径（m）0.476 主减速器主动齿轮到车轮之间传动效率(m) 0.92 汽车最大加速度时后轴负荷转移系数（m2） 1.2 计算驱动桥（n）1 最大变矩系数（k0）3 轴距3360 前、后轮距1760、1610（mm） 货车自重 1.8t 载重量 6.5t 猛接离合器所产生的动载荷系数（k d）1 1.2 总体设计方案 汽车在行驶的过程中，由于车辆上发动机的振动和行驶路面的不平的冲击等因素引起弹性悬架系统的振动，导致变速器的输出轴和驱动桥的输入
13、轴之间的相对位置经常发生变化，所以两根轴之间不能采用刚性的连接，而一般采用由万向节、轴管及伸缩花键等组成的万向传动装置来连接。其安装在变速器与驱动桥之间，位置如图1-1所示。伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化，使两轴在不同工况下能正常的工作。较为常见的万向节一般由十字轴、滚针轴承和凸缘叉等组成。万向节可保证变速器输出轴与驱动桥输 入轴两轴之间夹角的变化，并实现两轴的等角速传动。 万向传动轴设计应满足的要求： （1) 确保两轴的夹角及相对位置在一定范围内变化时，能可靠的传递动力。 （2）保证传动尽可能同步，两轴的转速尽可能一样。 （3）振动噪音以及附加载荷（万向节传动引起的）在允许范围
14、内。 （4)传动效率高，使用寿命长、结构简单、制造方便、维修容易1。 汽车中传动轴的选择可根据车型的不同来选择相应形式的传动轴，车辆中，一般情况下，驱动形式为42的汽车时所选用传动轴为一根主传动轴。64驱动形式的汽车有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴。66驱动形式的汽车不仅有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴，而且还有前桥驱动传动轴。在轴距较长的汽车上所选用的传动轴形式是将传动轴分成主传动轴与中间传动轴两段，并且为了提高传动轴临界转速，避免共振以及考虑整车总体布置上的需要，一般情况下在中间传动轴后端安装上中间支承。中间支承是由支承架、轴承和橡胶支承组成。这样，可避免因传动轴过长而产生高转
15、速下的共振，提高了传动轴的工作可靠性。传动轴在工作过程中做高转速运动且少有支撑体，用其来传递角度不断改变的两根轴间的转矩和旋转运动。传动轴在高速旋转时，由于离心力的作用将产生剧烈振动。因此，当传动轴与万向节装配后，必须满足动平衡要求。所以传动轴安装平衡用的平衡片，当平衡后，在万向节滑动叉与主传动轴上刻上装配位置标记，以便拆卸后重新装配时，保持二者的相对角位置不变。 本设计所选车型为中型载货汽车，其轴距为3360mm，并且载重量为6.5t，具体参数可由表1-1可知，所以传动轴选用主传动轴与中间传动轴两段轴，避免由于传动轴过长时固有频率会降低而产生的共振，并加设中间支承。根据货车的整体布置要求，将
16、离合器与变速器，变速器与分动器之间拉开一段距离，考虑到轴与轴同心及车架的变形，决定采用十字轴式万向传动轴，为避免运动干涉，在传动轴中设有由滑动叉和花键轴组成的伸缩节。 图 1-1 变速器与驱动桥之间的万向传动装置 Figure 1-1Transmission and the universal transmission between axles 为了使传动轴得到较高的强度和刚度，因此，将传动轴做成空心的传动轴，这样形式的传动轴具有质量较小，成本较低，传递转矩较大的优点，且比实心传动轴具有更高临界转速。万向传动轴的伸缩花键轴结构如图1-2所示。传动轴惊颤处于高速旋转状态下，传动轴材料的选择可根
17、据机械零件手册选取40CrNi，适用于重要轴的制造，具有较高的扭转强度。 1.2.1 传动轴管选择 传动轴管由壁厚均匀易平衡、壁薄（1.5 mm 3.00 mm），管径较大、扭转强度高，弯曲刚度大，适于高速旋转的低碳钢薄板卷制的电焊钢管制成。超重型货车的传动轴则直接采用无缝钢管。 1.2.2 伸缩花键的选择 伸缩花键选用矩形花键，来补偿由于汽车运动时传动轴两端万向节之间的长度变化。装车时传动轴的伸缩花键一端不应靠近后驱动桥，而应靠近中间支撑，以减小其轴向摩擦力及磨损。，对花键齿进行磷化处理或喷涂尼龙，在花键轴外面加设有防尘罩，间隙小一些，一面引起传动轴的振动。花键齿与键槽按对应标记装配，以保持
18、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，装配式，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2。花键应有可靠地润滑以及防尘措施，且间隙不宜过大，以免引起传动轴振动。内、外花键应对中，为减小键齿摩擦表面间的压力及磨损应使键齿长与其最大直径之比不小于2。花键齿与键槽应按对应标记装配，以免破坏传动轴总成的动平衡。动平衡的不平衡度由点焊在轴管外表面上的平衡片补偿。 图 1-2 万向传动轴花键轴结构简图 Figure 1-2 universal shafts - spline structure diagram 1-盖子；2-盖板；3-盖垫；4-万向节叉；5-加油嘴；6
19、-伸缩套； 7-滑动花键槽；8-油封；9-油封盖；10-传动轴管 1 - The lid 2 - cover 3 - covered mat 4 - cardan 5 - refueling 6 expansion7-Take the keyway slide8 - seal9 - seal cover10 - drive tube 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。根据车架与轮胎的形变量
20、确定传动轴夹角变化范围为1518之间。1.2.3 万向节分析 万向节种类繁多，典型的要数十字轴万向节，它一般由主动叉、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、卡环式、固定式、和塑料环定位式等。盖板式轴承轴向定位方式的一般结构是用螺栓和盖板将套筒。固定在节叉上，并用锁片将螺栓锁紧。它工作可靠、拆装方便，但零件数目较多。有时将盖板点焊于轴承座底部，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。 滚针轴承的润滑
21、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，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。 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
22、降至原来的14。 汽车除转向驱动桥及带有摆动半轴的驱动桥的分段式半轴多采用等速万向节外，一般驱动桥传动轴均采用一对十字轴万向节材料选择。 材料选择：十字轴常用材料为20CrMnti 轴颈表面进行渗碳淬火处理，渗碳深度mm mm 2.18.0，表面硬度为HRC 6458，轴颈端面硬度不低于55 HRC ，芯部硬度为HRC 4833。万向节叉一般采用40或45中碳钢，调质处理硬度 HRC 3318，滚针针轴承材料一般采用GCr15。十字轴万向节的损坏形式主演由十字轴周静和滚针轴承的磨损，十字轴轴颈和滚针轴承碗工作表面出现压痕和剥落。一般情况下，当磨损或压痕超过0.15mm 时，十字轴万向节便报废。
23、十字轴的主要失效形式时轴颈根部的断裂，因此应保证十字轴轴颈有足够的抗弯强度。 1.2.4 中间支承结构分析与设计 在乘用车上，有时为了提高传动系的弯曲刚度，改善传动系弯曲振动特性，减小噪声需在中间加装中间支撑将传动轴分成两段3。 中间支撑通常安装在车架横梁上或车身底架上，以补偿传动轴轴向和角度方向的安装误差，以及车辆行驶过程中的发动机啊的窜动和车架等变形所引起的位移。目前广泛采用橡胶弹性中间支承，其结构中采用单列滚子轴承，橡胶弹性元件能吸收传动轴的振动，降低噪声。这种弹性中间支撑不能传递轴向力，它主要承受传动轴因不平衡、偏心等因素引起的径向力，以及万向节上的附加弯矩所引起的径向力。中间支承的固有频率可按下式计算 m C f R 21 0= （1-1） 式中，0f 为中间支承的固有频率（Hz ）；CR 为中间支承橡胶弹性元件的径向刚度（N/mm ）；