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汽車設(shè)計課程設(shè)計說明書
題目：四驅(qū)車輛傳動軸系統(tǒng)的設(shè)計
專業(yè)名稱：車輛工程
指導(dǎo)教師：郭世永
日期：2011.12.7-2011.12.27
目錄
1.原始數(shù)據(jù) 3
2.計算各個軸啟動轉(zhuǎn)矩和附著轉(zhuǎn)矩 3
3.球籠式萬向節(jié)的設(shè)計選用 4
3.1萬向節(jié)概述 4
3.2前輪驅(qū)動萬向節(jié)的設(shè)計選用 6
3.3后輪驅(qū)動萬向節(jié)的設(shè)計選用 8
3.4四輪驅(qū)動萬向節(jié)的設(shè)計選用 11
4.萬向傳動軸的選擇 14
4.1傳動軸管的選擇 14
4.2伸縮花鍵的選擇 14
5．傳動軸的計算和強度校核 15
5.1傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速 15
5.2傳動軸計算轉(zhuǎn)矩 15
5.3傳動軸長度選擇 15
5.4傳動軸內(nèi)外管徑確定 16
5.5傳動軸扭矩強度校核 16
6.參考文獻 17
1.原始數(shù)據(jù)：
滿載重量： G=18433N
前軸 = 38925N 后軸 =10138N
驅(qū)動橋傳動比 =4.11 =4.55
滿載質(zhì)心高度 =0.52m
靜態(tài)滾動半徑 =0.296m
動態(tài)滾動半徑 =0.301m
軸距 =2.576m
發(fā)動機最大功率 =70KW/3800rpm
發(fā)動機最大扭矩 =173N.m/2200rpm
分動箱速比 =2.522 =1.095
路面附著系數(shù) =0.85
振動系數(shù) =1.2
承載系數(shù) =1.33
各檔勻速行駛時，發(fā)動機輸出扭矩為發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩的2/3
各檔利用率1-5檔分別是1% 、 6% 、 18% 、 30% 、45%
基本要求：汽車傳動軸系統(tǒng)至少應(yīng)有100000Km的壽命
2計算各軸的啟動轉(zhuǎn)矩和附著轉(zhuǎn)矩
用兩者之間的最小值作為靜態(tài)轉(zhuǎn)矩選擇萬向節(jié)計算結(jié)果列入下表1。
啟動轉(zhuǎn)矩和附著轉(zhuǎn)矩的計算
表1
起動轉(zhuǎn)矩
附著轉(zhuǎn)矩
所需萬向節(jié)尺寸
啟動
耐久
1）前輪驅(qū)動
=1536.8N．m（半軸）
3073.6 N．m（整軸
RF85(外側(cè))
VL85（內(nèi)側(cè)）
RF107
VL107
2)后輪驅(qū)動
N．m（半軸）
=3400 N．m（整軸）
傳動軸
RF95
VL91
（外側(cè)和內(nèi)側(cè)）
VL85
RF107
VL107
VL85
3）四輪驅(qū)動
前軸
=1459 N．m（整軸）
后軸
=1785.2 N．m（整軸）
傳動軸
RF72（外側(cè)）
VL85（內(nèi)側(cè)）
VL91
（外側(cè)和內(nèi)側(cè)）
VL85
RF91
VL91
VL91
VL85
3.球籠式萬向節(jié)的設(shè)計選用
3.1萬向節(jié)概述
萬向傳動軸由萬向節(jié)和傳動軸組成，有時還加裝中間支承。它主要用來在工作過程中相 對位置不斷改變的兩根軸間傳遞轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運動。
萬向傳動軸設(shè)計應(yīng)滿足如下基本要求：
1)保證所連接的兩軸相對位置在預(yù)計范圍內(nèi)變動時，能可靠地傳遞動力。
2)保證所連接兩軸盡可能等速運轉(zhuǎn)。由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動和噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi)。
3)傳動效率高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易等。
萬向傳動軸在汽車上應(yīng)用比較廣泛。在發(fā)動機前置后輪或全輪驅(qū)動的汽車上，由于彈性 懸架的變形，變速器或分動器輸出軸與驅(qū)動橋輸入軸的軸線相對位置經(jīng)常變化，所以普遍采 用十字軸萬向傳動軸。在轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，內(nèi)、外半軸之間的夾角隨行駛需要而變，這時多采 用等速萬向傳動軸。當(dāng)后驅(qū)動橋為獨立懸架時，也必須采用萬向傳動軸。
萬向節(jié)按扭轉(zhuǎn)方向是否有明顯的彈性，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)竭B接傳遞動力的，可分成不等速萬向節(jié)(如十字軸式)、準(zhǔn)等速萬向節(jié)(如雙 聯(lián)式、凸塊式、三銷軸式等)和等速萬向節(jié)(如球叉式、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。
伸縮式等速萬向節(jié)DOJ型
俗稱六珠內(nèi)球籠，以等速傳遞動力且能改變工作角度和進行伸縮滑動的，同時其工作軌道平行于軸線的萬向節(jié)裝置。與變速器連接在一起，通過鐘形殼和星形輪之間的六個鋼球?qū)⒆兯倨鞯膭恿鬟f于軸，其最大工作角度為20度----30度之間，適用于部分車型。
固定式等速萬向節(jié) BJ型。
俗稱外球籠，以等速傳遞動力且能改變工作角度的中心固定式萬向節(jié)裝置。
與軸連接在一起，通過星形輪和鐘形殼之間的六個鋼球?qū)恿鬟f于車輪，其最大工作角度為40度---50度之間，適用于所有車型。
樞軸式等速萬向節(jié)（TJ型）
俗稱三腳內(nèi)球籠，以等速傳遞動力且能改變工作角度和進行伸縮滑動的萬向節(jié)裝置。與變速器連接在一起，通過鐘形殼內(nèi)的三個帶有滾針的軸承將變速器動力傳遞于軸，其最大的工作角度為20度---30度之間，適用于所有車型。
另還有伸縮式等速萬向節(jié) VL型
3.2前輪驅(qū)動萬向節(jié)的設(shè)計選用
利用式時， 時，計算前驅(qū)動軸萬向節(jié)在各檔位百萬次循環(huán)壽命：
Lh1= =11.7h
Lh2= =34.3h
Lh3= =105.4h
Lh4= =222.7h
Lh5= =416.8h
式中，Md查下表2，Mx查表1。
前輪驅(qū)動時驅(qū)動半軸萬向節(jié)壽命參數(shù)計算結(jié)果
表2
所用公式
擋位
1
2
3
4
5
1
擋位利用率（%）
1
6
18
30
45
2
14.8
8.74
5.99
4.4
3.41
3
148.6
251.7
367.3
500
645.2
4
16.9
28.6
41.7
56.7
73.2
5
853.5
504
345.4
253.7
196.6
6
時，
11.7
34.3
105.4
222.7
416.8
結(jié)合各檔使用的ax,百萬次循環(huán)負荷條件下，該萬向節(jié)的受用壽命滿足下式：
=
=148.4h
平均行駛速度為
安全行駛里程
由此可見，依據(jù)啟動轉(zhuǎn)矩選擇的RF85萬向節(jié)還不能滿足行駛里程要大于100000km的耐久性要求，因而，必須選擇另一個大的萬向節(jié)。利用行駛里程與轉(zhuǎn)矩比值成三次方的關(guān)系，計算相同速度和軸間夾角下得萬向節(jié)的耐久性。
RF107萬向節(jié)：
只有RF107萬向，滿足要求的耐久性；
VL107萬向節(jié)的，是伸縮式萬向節(jié)，它只能以平均夾角運轉(zhuǎn)但承受較高。
VL107的耐久性
滿足設(shè)計要求
3.3后輪驅(qū)動萬向節(jié)的設(shè)計選用
后半軸用球籠式萬向節(jié),選用表1中的VL91萬向節(jié)
表3 后輪驅(qū)動后半軸萬向節(jié)壽命參數(shù)計算結(jié)果
所用公式
擋位
1
2
3
4
5
1
擋位利用率（%）
1
6
18
30
45
2
16.4
9.67
6.63
4.87
3.77
3
134.1
227.5
331.8
451.7
583.6
4
15.2
25.8
37.7
51.3
66.2
5
945.7
557.6
382.3
280.8
217.4
6
時，
26.9
96.4
240.5
508.2
944.6
百萬次壽命循環(huán)
平均行駛速度為
安全行駛里程
顯然，VL91萬向節(jié)的耐久性不夠。選擇大一號的萬向節(jié)計算耐久性
VL107萬向節(jié)：
顯然滿足耐久性要求
傳動軸與后驅(qū)動橋的連接，選用球籠式萬向節(jié)。
發(fā)動機轉(zhuǎn)矩乘以變速器的傳動比就是傳動軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩。此外，它的速度比半軸速度高出4.11倍。根據(jù)起動轉(zhuǎn)矩選擇VL91萬向節(jié)，查表得：
計算結(jié)果如下表4
后輪驅(qū)動時傳動軸上萬向節(jié)壽命參數(shù)計算結(jié)果
表4
所用公式
擋位
1
2
3
4
5
1
擋位利用率（%）
1
6
18
30
45
2
3.6
2.125
1.458
1.071
0.829
3
611
1035.3
1508.9
2054.2
2653.8
4
69.3
117.5
171.2
233.1
301.1
5
415.2
245.1
168.2
123.5
95.6
6
時，
時
55.5
196.2
416.5
772.5
1289.7
百萬次壽命循環(huán)
平均行駛速度為
安全行駛里程
顯然，滿足耐久性要求。
用于前半軸的球籠式萬向節(jié)，前橋輸入轉(zhuǎn)矩是前橋驅(qū)動的47.5%，計算結(jié)果如下表5所示。
3.4四輪驅(qū)動時萬向節(jié)的設(shè)計選用
前半軸萬向節(jié)壽命參數(shù)計算結(jié)果
表5
所用公式
擋位
1
2
3
4
5
1
擋位利用率（%）
1
6
18
30
45
2
14.8
8.74
5.99
4.4
3.41
3
148.6
251.7
367.3
500
645.2
4
16.9
28.6
41.7
56.7
73.2
5
405.4
239.4
164
120.5
93.4
6
時，
109.2
320
983.5
207.8
3889.1
百萬次壽命循環(huán)
平均行駛速度為
安全行駛里程
顯然，RF85萬向節(jié)的耐久性不夠。選擇大一號的萬向節(jié)計算耐久性
RF91萬向節(jié)：
顯然滿足耐久性要求。
用于后半軸的球籠式萬向節(jié)，輸入的轉(zhuǎn)矩是后橋驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的52.5%
計算結(jié)果如下表6
四驅(qū)時后驅(qū)動軸球籠式萬向節(jié)參數(shù)計算結(jié)果
表6
所用公式
擋位
1
2
3
4
5
1
擋位利用率（%）
1
6
18
30
45
2
16.4
9.67
6.63
4.87
3.77
3
134.1
227.5
331.8
451.7
583.6
4
15.2
25.8
37.7
51.3
66.2
5
496.5
292.7
200.7
147.4
114.1
6
時，
185.3
666.7
1663.3
3514.1
6535
百萬次壽命循環(huán)
12
，
平均行駛速度為
安全行駛里程
顯然，VL91萬向節(jié)滿足耐久性要求。
傳動軸上的球籠式萬向節(jié)。對于四輪驅(qū)動，與后橋連接的傳動軸只承受發(fā)動機轉(zhuǎn)矩的52.5%。因此選擇VL85萬向節(jié)，計算結(jié)果如下表7
四驅(qū)驅(qū)動時傳動軸上球籠萬向節(jié)壽命參數(shù)計算結(jié)果
表7
所用公式
擋位
1
2
3
4
5
1
擋位利用率（%）
1
6
18
30
45
2
3.6
2.125
1.458
1.071
0.829
3
611
1035.3
1508.9
2054.2
2653.8
4
69.3
117.5
171.2
233.1
301.1
5
218
128.7
88.3
64.8
50.2
6
時，
時
383.5
1355.8
2878.3
5338.5
8912.7
百萬次壽命循環(huán)
平均行駛速度為
安全行駛里程
顯然，VL85萬向節(jié)，滿足耐久性要求。
4 萬向傳動軸的選擇
4.11傳動軸管的選擇
傳動軸的長度和夾角及它們的變化范圍，由汽車總布置設(shè)計決定。設(shè)計時應(yīng)保證在傳動軸長度處在最大值時，花鍵套與花鍵軸有足夠的配合長度；而在長度處于最小時，兩者不頂死。傳動軸夾角大小會影響萬向節(jié)十字軸和滾針軸承的壽命、萬向傳動效率和十字軸的不均勻性。變化范圍為3。
傳動軸經(jīng)常處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，所以軸的材料查機械零件手冊選取40CrNi，適用于很重要的軸，具有較高的扭轉(zhuǎn)強度。
傳動軸管由低碳鋼板制壁厚均勻、壁?。?.5～3.0mm）、管徑較大、易質(zhì)量平衡、扭轉(zhuǎn)強度高、彎曲剛度高、適用高速旋轉(zhuǎn)的電焊鋼管制成。
3.2伸縮花鍵的選擇
選擇矩形花鍵，用于補償由于汽車行駛時傳動軸兩端萬向節(jié)之間的長度變化。為減小阻力及磨損，對花鍵齒磷化處理或噴涂尼龍，外層設(shè)有防塵罩，間隙小一些，以免引起傳動軸的震動?；ㄦI齒與鍵槽按對應(yīng)標(biāo)記裝配，以保持傳動軸
總成的動平衡。動平衡的不平衡度由電焊在軸管外的平衡片補償。裝車時傳動軸的伸縮花鍵一端應(yīng)靠近變速器，減小其軸向阻力和磨損。其結(jié)構(gòu)圖如下:
圖 5-1 萬向傳動軸—花鍵軸結(jié)構(gòu)簡圖
1-蓋子；2-蓋板；3-蓋墊；4-萬向節(jié)叉；5-加油嘴；6-伸縮套；
7-滑動花鍵槽；8-油封；9-油封蓋；10-傳動軸管
5. 傳動軸的計算與強度校核
5.1傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速
長度一定時，傳動軸斷面尺寸的選擇應(yīng)保證傳動軸有足夠的強度和足夠高的臨界轉(zhuǎn)速。所謂臨界轉(zhuǎn)速，就是當(dāng)傳動軸的工作轉(zhuǎn)速接近于其彎曲固有振動頻率時，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以致振幅急劇增加而引起傳動軸折斷時的轉(zhuǎn)速。傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速（r/min），安全系數(shù)K取1.2，適用于一般精度的伸縮花鍵
則有 （為發(fā)動機轉(zhuǎn)速） (6.1)
安全系數(shù) = （6.2）
= 2640
5.2傳動軸計算轉(zhuǎn)矩
= 327×4.55×90% = 1339 N （6.3） = 1339
5.3傳動軸長度選
根據(jù)軸距 2576mm,初選傳動軸支承長度為（17903.6）mm，花鍵軸長度應(yīng)小于支承長度，滿足萬向節(jié)與傳動軸的間隙要求，取花鍵軸長度為（15702.5）mm
5.4 傳動軸管內(nèi)外徑確定
（6.4）
得 （6.5）
又 1.5 mm 3 mm
根據(jù)電焊鋼管外徑70105mm的標(biāo)準(zhǔn)資料（從冶金部標(biāo)準(zhǔn)YB24263中選取） 初選 = 95 mm ，
（6.6）
其中 為傳動軸長度(mm)，即兩萬向節(jié)中心的距離
和分別為傳動軸軸管的外、內(nèi)徑(mm)
5.5傳動軸扭矩強度校核
由于傳動軸只承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力而不承受彎曲應(yīng)力，所以只需校核扭轉(zhuǎn)強度，根據(jù)公式有
MP（6.7） = 300 MP
（為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力）
上式說明設(shè)計參數(shù)滿足扭轉(zhuǎn)強度要求。
6. 參考文獻
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[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)造(下冊). 北京：機械工業(yè)出版社,2005
[4] 余志生.汽車理論(第三版) 北京：機械工業(yè)出版社,2000
[5] 張洪欣.汽車設(shè)計(第二版). 北京：機械工業(yè)出版社,1996
[6] 吳宗澤.機械設(shè)計實用手冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1999
[7] 劉鴻文.材料力學(xué). 北京：高等教育出版社,1991
[8] 祖業(yè)發(fā).工程制圖.重慶：重慶大學(xué)出版社,2001
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[12] 錢振為.汽車工業(yè)研究,2001年,第4期,N0.17
[13] 閻蔭棠.幾何量精度設(shè)計與檢測.北京：機械工業(yè)出版社,1996
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