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1、 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┄┄┄┄

2、┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄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)┄┄┄

3、┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄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

4、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)

5、，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)

6、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(méi)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(kāi)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)

7、向節(jié)演變而來(lái)的三銷式萬(wàn)向節(jié)開(kāi)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(jiàn)的滾針軸承軸向定位方式

8、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

9、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(kāi)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

10、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

11、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

12、）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（ф1-ф2）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α1與第二萬(wàn)向節(jié)兩軸間的夾角α2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)。

13、 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

14、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

15、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? ???

16、 (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：￠=1.1～1.2，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.

17、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

18、 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?

19、 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，=250～350 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。 ④十字軸軸頸部的切應(yīng)力? ????????????[]tpt ￡-

20、 = （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=80～120MPa，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(jiàn)表5） 表5 計(jì)算結(jié)果 18810.89 N2m 21543.50 N2m? 18810.89 N2m F

21、 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0.8~1,2mm，表面硬度58~64HRC。 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(kāi)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(kāi)軟

22、件，新建模型 ? ? （2） 草圖 ? ? ? ④ （3） 拉伸 ? ? （4） 草圖 ? ? ? ④ （5） 拉伸 ? ? ? （6） 倒斜角 ? ? ? （7） 草圖 ? ? ? ④ （8） 拉伸 ? ? ? （9） 草圖 ? ? ? ④ （10） 拉伸 ? ? ? （11） 邊倒圓

23、 ? ? ? 結(jié)果如圖6、圖7 圖6 圖7 方法二 （1） 草圖 ? ? ? ④ （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