毕业设计（论文）-轻型越野转向驱动桥的设计与分析.doc

上海工程技术大学毕业设计（论文）sues-06轻型越野车转向驱动桥的设计与分析提供全套毕业论文，各专业都有摘 要汽车制造业的发展水平是衡量一个国家经济实力的重要标志。它作为工业化过程中最具代表性的产业之一，其关系到我国工业化道路的几乎所有方面。作为汽车重大总成，车桥通过悬架和车架或承载性车身相连，用于传递车架或承载式车身与车轮之间的各种力及其力矩。转向驱动桥一般由主减速器、差速器、转向节和半轴等零件构成，能够同时实现车轮转向和驱动两种功能。本毕业设计设计目的是运用计算机辅助设计技术对sues-06轻型越野车的转向驱动桥进行设计。根据毕业论文设计任务书中的要求，本文首先对汽车车桥做了详细阐述，包括车桥的分类、功用等，然后介绍了一些类型汽车的转向驱动桥的结构。通过参照bj2020越野车的转向驱动桥，来对sues-06转向驱动桥进行设计，并对其重要的设计参数进行解释。然后介绍了ug，并运用ug实体模块建立sues-06转向驱动桥的零件，再运用装配模块完成了虚拟装配，最后运用有限元模块对转向驱动桥重要零件进行强度分析，作出结论。论文中在传统设计计算的基础上，运用了ug软件，进行车桥的参数化建模、虚拟装配，并对关键零件进行了有限元分析，结果表明最终所设计的转向驱动桥符合设计要求，能够实现转向和驱动的功用。同时，计算机辅助设计软件的使用也大大降低了设计成本，提高了工作效率。关键词：转向驱动桥，ug建模，有限元分析design and analysis on sues-06 steering drive axleabstractthe level of the vehicle manufacturing is an important symbol.determine a nations economic strength, and determine all factors of our nations product road. as the assembly of the vehicle, axle link suspension with body or frame, it bears not only the weight of the vehicle but also the load and torque from wheel, body. axle normally consists of final drive, differential, half-shaft and steering knuckle. at the same time, it can realize the functions at the same time that is wheel turning and driving. this graduate designs target is to design the sues-06 steering drive axle with cad technology.according to the task book, the article firstly introduce the axle, include consists and functions, and then it introduces some structure of steering drive axle of some automobile. refer to bj2020 jeep steering drive axle to design the sues-06 steering drive axle. and explain the important parament. and then it introduces ug and using it to establish the modeling of sues-06s steering drive axle, later using the assemble function to do the virtual assembling. at last using the finite element method function to do the analysis of the important parts of steering drive axle and make the conclusion.upon the traditional design and calculator, the article use ug to make a model and assemble the steering drive axle, and analysis the key part. the result shows that the steering drive axle designed by us fit the requirement, and can realize the function of driving. at the same time ,cad design can reduce the cost of design, promote the work efficient.key words: steering drive axle, ug, finite-elementsues-06轻型越野车转向驱动桥的设计与分析朱 强 0621032570 引言汽车已成为人们日常工作、生产、学习、生活、旅游中最方便、最经常使用的交通工具，成为发达国家每个家庭的生活必需品，成为现代社会的象征。在当前中国的经济建设事业中，汽车工业占有十分重要的地位。近年来，汽车工业在中国机械工业各行业中，其增长速度相对比其它行业都要高得多。世界各大汽车商在汽车研究开发过程中，从外形构思到具体设计研究、试验和制造的所有领域综合性地应用计算机技术开展工作。使新产品开发周期从原来的四至六年缩短到现在的三年或更短的时间，使汽车市场竞争更加激烈。作为汽车重大总成，车桥不仅承受着汽车的满载簧上荷重及地面经车轮、车架或承载式车身经悬架给予的各种力及其力矩，而且还专递传动系中的最大扭矩。而转向驱动桥作为汽车上常见的结构形式，其质量水平直接决定着整车的档次，因此显得尤为重要。本次我设计和分析sues-06轻型越野车转向驱动桥。首先我对汽车车桥做了介绍，包括车桥的分类、优缺点等等。接下来介绍了一款于本设计相异的东风车的转向驱动桥。通过仿造bj2020吉普车的转向驱动桥，对sues-06转向驱动桥进行设计，对其重要参数进行解释，完成球叉式万向节的计算过程。接下来运用三维软件ug的实体建模模块对转向驱动桥的零件如转向节球形支撑总成、转向节球关节等进行建模，然后运用ug软件的装配模块将零件装配起来，完成sues-06转向驱动桥总成的装配。接着运用ug的有限元模块对转向驱动桥的典型零件如万向节进行有限元分析。1 汽车车桥车桥通过悬架和车架相连，两端安装汽车车轮。其功能是传递车架与车轮之间各方向作用力。根据驱动方式的不同，车桥也分成转向桥、驱动桥、转向驱动桥和支持桥四种。1.1 转向桥汽车的转向桥主要由前轴、主销、转向节和轮毂等四部分组成。通常，轿车中不设独立的主销，而以转向节上、下球头中心的连线为主销的轴线。转向桥的前轴用中碳钢铸造，断面呈工字形，以提高抗弯强度。两端由工字形断面过渡到方形断面来提高抗扭强度。中间部分两处用以支承钢板弹簧的底座，它的上面钻有四个安装骑马螺栓的通孔和一个位于中心的钢板弹簧定位凹坑。前轴中部向下弯曲，使发动机位置相对降低，降低汽车质心，减小传动轴与变速器输出轴之间的夹角。转向桥的前轴两端各有一个拳形，主销插入孔内。主销中部切有槽，用楔形锁销将主销固定在拳部孔内。 转向节是一个叉形部件，上、下两叉制有同轴销孔，通过主销与前轴拳部相连，使前轮可以绕主销偏转一定角度而使汽车转向。为了减小磨损，转向节销孔内压入青铜或尼龙衬套，衬套上开有油槽，用油嘴注入润滑脂润滑。为使转向灵活轻便，在转向节下销孔与前轴拳部下端面之间装有推力轴承。上销孔与拳部上端面之间有调整垫片。 车轮轮毂通过两个圆锥滚子轴承和支承在转向节轴颈上，轴承的松紧度可用调整螺母加以调整。轮毂内侧装有油封，以防止润滑脂进入制动器内。轮毂外端装有金属罩，以防止泥水和尘土侵入。1.1.1 与非独立悬架匹配的转向车桥这类转向桥结构大体相同，主要由前梁，转向节，主销和轮毂等部分组成。车桥两端与转向节绞接，前梁的中部为实心或空心梁。图1.1 与非独立悬架匹配的转向车桥1.制动鼓 2.轮毂 3，4轮毂轴承 5.转向节臂 6.油封7.衬套 8.主销 9.滚子止推轴承 10.前轴图1.1中轮毂外端的接合盘与车轮用螺栓连接，其内端是制动鼓1。轮毂轴承是通过润滑脂润滑。为了防止润滑脂侵入到制动鼓中而影响制动功能，在内端轴承内侧装有油封6和油封垫图。外轴承外端则用轮毂盖加以防尘。外轮毂轴承的预紧是需调整的，其方法是将高速螺母拧紧，使轮毂转动困难，然后将螺母退回1/61/4圈，当感觉到轮毂转动灵活时即可。当调好后用销止垫圈、锁圈与锁紧螺母锁紧即可。前梁工作时主要承受垂直弯矩的作用，因此它采用工字形断面来提高梁的抗弯强度，同时减轻其重量。此外，制动时，前梁还要承受扭矩，因此从弹簧处向外逐渐由工字形断面过渡到方形断面，以提高其扭转刚度，同时保持断面强度相等。转向节5有左右两个，其上两耳部有通孔，通过主销分别将前梁的两端连接起来。转向节通过滚锥轴承与轮毂连接使车轮绕主销偏转，从而实现汽车的转向。转向节内端两耳部通孔内压入青铜衬套，销孔端部用盖加以封住，并通过转向节上的黄油口注入黄油润滑。转向节下耳部与前梁拳部之间装有止推轴承，来减少转向阻力。上耳部与前梁拳部之间装有调整垫片，以调整转向节叉的轴向间隙，靠近转向节拳耳部有一方形突缘，用以固定制动底板。左转向节两耳的上端的锥形孔是安装转向节上臂，下端的锥形孔分别是用以安装左右转向节臂的。为使转向灵活，转向节下拳耳与前梁拳部之间装止推轴承。1.2驱动桥驱动桥一般由主减速器、差速器、车轮传动装置和驱动桥壳等组成。它处于动力传动系的末端，其功能是将万向传动装置传来的发动机的转矩传给驱动车轮，实现降速，增大转矩；通过主减速器圆锥齿轮副转变转矩的传递方向；通过差速器实现两侧的车轮差速作用，保证内、外侧车轮以不同转速转动。另外驱动桥还承受作用于路面和车架或车身之间的垂直立、纵向力和横向力。1.3支持桥图1.2 pq35系列车型的后支持桥支持桥即非转向从动桥。有些单桥驱动的三轴汽车，往往将后桥设计成支持桥。挂车上的车桥也是支持桥。发动机前置前驱动轿车的后桥也属于支持桥。通常，载货汽车的非断开式支持桥是一根两端带有轮轴和固定制动底板用的凸缘的刚性横梁，和转向从动桥类似，它可以是具有工字形断面的整体锻造式的，也可以出两端的锻造轮轴、凸缘与中间的无缝钢管组焊而成，如上图所示。1.4转向驱动桥我们把能同时实现车轮转向和驱动两种功能的车桥称为转向驱动桥。它有一般驱动桥同样的主减速器、差速器和半轴，也有一般转向桥所具有的转向节和主销等。不同之处是，由于转向的需要，转向驱动桥的半轴被分成内、外两段，内半轴与差速器相连接，外半轴与轮毂相连接，两者之间用等角速万向节连接。同时，其主销也因此分成上、下两段，固定在万向节的球形支座上，转向节轴径做成空心的，以便外半轴(驱动轴)从中穿过。图1.3上海桑塔纳轿车前桥（转向驱动桥）转向驱动桥与转向桥的区别就是一切都是空心的，横梁变成了桥壳，转向节变成了转向节壳体，因为里面多了根驱动轴。这根驱动轴因被位于桥壳中间的差速器一分为二，而变成了两根半轴。两个帽也不是简单地套在脑袋上，还要与里面的两根半轴直接相连。半轴在“脖子”的位置也多了一个关节万向节，因此半轴也变成了两部分，内半轴和外半轴。1.4.1转向驱动桥的结构形式通常，轿车的转向驱动桥是断开式的。断开式驱动桥必须与独立悬架相匹配。当左、右驱动车轮经各自的独立悬架直接与承载式车身或车架相联时，在左右转向驱动车轮之间实际上没有车桥，但在习惯上仍称为断开式车桥，轿车的前转向驱动桥多采用这种结构。断开式转向驱动桥还有另外的结构型式，如微型越野车steyrpuch haflinger的断开式前转向驱动桥，其主减速器与差速器总成悬置于车架横梁上，而左右半轴及半轴套管则可作上下摆动，即车桥的左右两段与中间的主减速器与差速器总成是相铰接的结构。转向驱动桥的另一种结构型式是非断开式的，多用在军用越野车上。在这种结构中，为了避免桥壳与发动机油底壳发生干涉以及便于布置传动轴，往往将主减速器与差速器总成向一侧偏移，使这种转向驱动桥左右不对称。汽车转向驱动桥，内半轴与外半轴通过等角速万向节连接在一起。当前桥驱动时，转矩由差速器、内半轴、等角速万向节、外半轴、凸缘盘传到车轮轮毂上。转向节通过两个滚针轴承和球碗及钢球支承在转向节支座上，分成两段的主销与转向节支座安装成一体，其上、下两段的轴线必须处于同一直线上。下轴承盖承受主销的轴向载荷，上轴承盖以防止主销轴向窜动。轮毂通过两个轮毂轴承装在转向节轴颈上。轮毂轴承用调整螺母、锁止垫圈、锁紧螺母固紧。转向节轴颈的内孔壁压装有青铜衬套，以支承外半轴。汽车转向时，通过转向节臂带动转向节时，转向节绕主销转动，从而使前轮偏转。2 汽车驱动桥的结构驱动桥总成的结构型式，按其总体布置来说共有三种，即普通的非断开式驱动桥、带有摆动半轴的非断开式驱动桥和断开式驱动桥。而按其工作特性，它们又可以归为两大类，即非断开式驱动桥和断开式驱动桥。驱动桥的结构形式与驱动车轮的悬挂形式密切相关。当车轮采用非独立悬挂时，例如在绝大多数的载货汽车和部分小轿车上，都采用非断开式驱动桥；当驱动车轮采用独立悬挂时，则配以断开式驱动桥。因此，前者又称为非独立悬架驱动桥；后者又称为独立悬架驱动桥。2.1非断开式驱动桥非断开式驱动桥也称为整体式驱动桥，其半轴套管与主减速器壳均与轴壳刚性地相连一个整体梁，因而两侧的半轴和驱动轮相关地摆动，通过弹性元件与车架相连。这种形式的优点是可获得较大的离地间隙并减小非簧载质量提高了行驶平顺性，但由于与其相配的独立悬挂的结构复杂故这种结构主要用于对行驶平顺性要求较高的一部分轿车和一些越野车上。图2.1 非断开式驱动桥如图2.1它由驱动桥壳1，主减速器（图中包括6、7），差速器（图中包括2、3、4）和半轴5组成。普通的非断开式驱动桥所具有的特点即桥壳是一根支承在左、右驱动车轮上的刚性空心梁，而主减速器、差速器及半轴等传动机件都装在其中。这时，整个驱动桥和驱动车轮的质量以及传动轴的部分质量都是属于汽车的非悬挂质量，使汽车的非悬挂质量较大，这是普通非断开式驱动桥的一个缺点。这种驱动桥和轮毂、制动器及制动鼓的总质量，约占一般载货汽车底盘干质量的11%-16%，约占轿车干质量的3.5%-5%。当采用单级主减速器代替双级主减速器，可以大大地减少非断开式驱动桥的质量。此外，用高强度的球墨铸铁代替普通的可锻铸铁来铸造主减速器壳，也可以达到减小质量并改进铸造工艺的目的。普通的非断开式驱动桥的质量在很大程度上还取决于桥壳的结构形式。采用钢板冲压-焊接的整体式桥壳及钢管扩制的整体式桥壳，均可显著地减小驱动桥的质量。2.2 断开式驱动桥驱动桥采用独立悬架，即主减速器壳固定在车架上，两侧的半轴和驱动轮能在横向平面相对于车体有相对运动的则称为断开式驱动桥。汽车悬架总成的类型及其弹性元件与减振装置，是决定汽车行驶平顺性的主要因素，而汽车非悬挂质量的大小，对其行驶平顺性也有显著的影响。因此，如果采用断开式驱动桥，由于其属于非悬挂部分的质量较小，并且它又与独立悬架相匹配，致使驱动车轮与地而的接触情况及对各种地形的适应性比较好，由此可大大地减少汽车在不平路面向上行驶时的振动和车身的倾斜；减小车轮和车桥的动载荷，提高汽车的行驶平顺性和平均行驶速度；减少零件的损坏，提高其可靠性并延长使用寿命。图2.2 断开式驱动桥1-主减速器；2-半轴；3-弹性元件；4-减振器；5-车轮；6-摆臂；7-摆臂轴但是，出于断开式驱动桥及与之相配的独立悬梁的结构复杂，所以这种结构主要在一些于对行驶平顺性要求较高的一部分轿车及一些越野汽车上出现，且后者多属于轻型以下的越野汽车或多桥驱动的重型越野汽车。2.3 eq2080转向驱动桥的结构及工作原理东风eq2080e型66汽车的前桥为与非独立悬架配合使用的转向驱动桥，其构造如图所示。内半轴与外半轴通过三销轴式等角速万向节连接在起。当前桥驱动时，转距由差速器、内半轴、等角速万向节、外半轴以及凸缘盘，传到车轮轮毂上。转向节通过两个滚针轴承和球碗及钢球支承在转向节支座上，分成两段的主销与转向节支座固装成一体，其上下两段的抽线必须在一直线上。主销轴承用下轴承盖及（左边的上轴承盖与转向节臂是一体)压紧在转向节外壳上。下轴承盖内装有一个钢球及两个球碗，以承受主销的轴向载荷。上轴承盖内装有一个止推螺钉。并通过球碗顶住主销、以防止主销轴向窜动。拧紧止推螺钉的预紧力不要太大，否则会使转向沉重。转向节支座下端面与主销下轴承座油封罩间应有一定间隙(12mm)。间隙过小(如0.2mm)可能引起转向沉重，此时应在钢球下球碗的下面加装垫片(厚1mm)。转向节支座用螺钉与半轴套管相连接。转向节做成转向节外壳和转向节轴颈两段，用螺钉联接成一体。轮毂通过两个锥轴承装在转向节轴颈上，轮毂轴承用调整螺母、锁止垫圈、锁紧螺母固紧。在转向节轴颈内压装一个青铜衬套，以便支承外半轴。当通过转向节臂推动转向节时，转向节便可绕主销转动而使前轮偏转。3 sues-06转向驱动桥的重要尺寸参数设计3.1 sues-06轻型越野车转向驱动桥的部分主要参数1. 前轮距为1440mm；2. 最小转弯半径为6m；3. 主销内倾角为530；4. 主销外倾角为3。3.2 bj2020吉普车转向驱动桥的结构特点上一章介绍了与本设计不同的东风eq2080e 型汽车转向驱动桥，本课题的sues-06轻型越野车的转向驱动桥是仿制bj2020吉普车的转向够驱动桥而设计的，接下来介绍一下它的结构特点。北京bj2020型吉普车的前桥就是转向驱动桥，它的内半轴和外半轴通过等速万向节连接在一起，在外半轴的外端上还制有花键，和半轴凸缘相啮合。当前桥驱动时，转矩由主减速器、差速器传给内半轴、万向节、外半轴、半轴凸缘，最后传到轮毂上。图3.1 bj2020转向驱动桥1-半轴套管 2-半轴 3-球形支承座 4-主销座 5-调整垫片 6-主销7-转向节臂 8-锥形衬套 9-转向节外壳 10-螺栓 11-转向节轴颈 12-半轴凸缘 13-轮毂 14-止动销 15-下盖 16-主销衬套 17-止推垫圈转向驱动桥的球形支座与半轴套管焊接为一体。它内部镶有翻边衬套的两个主销座分别压入支座的上下端。此外，衬套的翻边还起到承推作用。分为上下两段的主销分别插在主销座的孔内。转向节由转向节轴和转向节外壳组成，它们之间用螺栓连接成整体，并且通过外壳套装在主销的加粗部分上。转向节臂和下盖用螺栓和锥形衬套分别固定在转向节外壳的上下端，并用止动销防止主销相对于转向节外壳转动。转向节轴的轴颈上装有两个轮毂轴承，来支撑轮毂；它的内孔壁压装有衬套，用来支撑外半轴。当汽车转向时，通过转向节臂带动转向节及主销绕主销轴线相对于球形支座转动。其上下两段主销的轴线必须在一条直线上而且通过万向节的中心，这是为了保证前轮滚动和转向互不干涉。为此还设置止动垫圈，以防止万向节轴向窜动。用以调整主销轴向间隙和转向节上、下位置的调整垫片，其厚度应相同，以使万向节中心位于转向节外壳轴线上。润滑脂通过上下主销盖处的加油嘴注入，当进入主销中心油道后，通过两个侧孔进入主销与衬套之间，实现润滑作用。同时，在球形支座上套有油封和密封圈，以防止润滑脂外漏或外界尘污的侵入。3.3 球叉式万向节结构和工作原理万向节即万向接头，是实现变角度动力传递的机件，用于需要改变传动轴线方向的位置，它是汽车驱动系统的万向传动装置的“关节”部件。万向节与传动轴组合，称为万向节传动装置。其功用是在轴线相交且相对位置经常变化的两转轴之间可靠地传递动力。按万向节在扭转方向上是否有明显的弹性可分为刚性万向节和挠性万向节。刚性万向节又可分为不等速万向节、准等速万向节和等速万向节三种，而球叉式则属于等速万向节。球叉式万向节一般由主动叉、从动叉和钢球等组成。它的特点是结构简单，体积又小，但由于其曲面凹槽容易磨损，所以传递转矩能力小，一般应用于中小型越野车上，如上图3.1的bj2020越野车的转向驱动桥上。球叉式万向节有普通型和伸缩型之分，普通型球槽的型式是曲线槽，可伸缩型球槽型式是直线槽。图3.2所示为普通球叉式万向节的构造。万向节叉1与5分别与轴制成一体，在主动叉，从动叉上，各有4个对称的曲面凹槽，装合后形成两个相交的环形槽作为传动钢球跑道。四个传动钢球3放在槽中，它们都能沿着槽2和4移动。当万向节向某个方向旋转时，就靠其中两个钢球把主动叉的作用力传到从动叉，当以另一个方向旋转时，作用力则经另一对钢球传递。在这种万向节中，当两个万向节叉又不大的轴向相对位移时，各钢球的运动轨迹就会有很大的变化，所以两个万向节叉应当精确定位。为了达到这个目的，在两个万向节叉的端面之间放入定位球6以定中心，球6的直径略比周围的小球小些。定位钢7插入定位球6内，并把它面定起来。而锁止销8又把7锁在叉上。钢球6上的凹面是为了拆装万向节时，能使第四个钢球3通过而设的。图3.2 曲线槽球叉式等角速万向节1、5-万向节叉；2、4-曲线槽；3-钢球；6-定位球；7-销钉；8销钉此结构的球叉式万向节，由于中央小球，使得从动轴头靠近球凹处的强度降低，零件数目也多。而且当中央小球固定失效时，小球有可能自动散开。因此近年来，有些球叉式万向节中，省去了定位销和锁止销，中心钢球上也没有凹面。但为了把最后一个周围小球装上万向节，应加大连接轴头之间的夹角，或者施加必要的扭矩使它在专用的工具中产生弹性变形。这样，结构虽然简单，但拆装却变难。这种球叉式万向节在工作时，只有两个钢球传力，反转时，则由另两个钢球传力。因此钢球与曲面凹槽之间的单位压力较大，磨损较快，影响使用寿命。这种万向节只有在传动钢球与滚道之间具有一定的预紧力时，才能保证等角速传动的特性。预紧力用选择不同的尺寸级别的传动钢球来保证。在使用中，随着磨损的增加，预紧力逐渐减少以至消失。一旦预紧力消失，两球叉之间便会发生轴向窜动，从而破坏了传动的等速性。图3.3 球叉式万向节运动分析图如图3.3所示为曲槽式球叉式万向节等角速传动原理。主动叉4和从动叉3的曲线槽各自对称配置，而且位于两个互相垂直的平面上。曲线槽的中心线是两个以和为中心，以相等的半径和所作的圆，而圆心和与万向节中心o（即中心钢球的正确位置上的中心）的距离相等。曲线槽的中心线在旋转时组成两个球面，后者相交于圆周，这圆周是钢球2的运动轨迹。当轴4转过角度大小为时，球的运动轨迹由转到，中心到达的位置。由于在两个万向节叉上曲线槽的位置是对称的，因此传动钢球中心都位于两个球面的交点上。此时，如果轴3和轴4的角速度为和，由于在交点处的钢球的线速度是相等的，即；而，。所以。说明万向节在运转时，两轴角速度相等。所以在主动轴和从动轴任何交角情况下，均能保证传动钢球位于两圆的交点上，即所有的传动钢球都位于此角平分面上，因此主动轴和从动轴等速转动得到了保证。曲槽式球叉万向节结构较为简单，可以在两轴夹角不大于3233的条件下正常工作。由于传递力矩时两钢球对滚道的压力很大，故磨损也快，使用中钢球易脱落，工艺也较复杂，但结构较为简单。此种型式的万向节通常用于中，小载重量的越野汽车上。如用于bj2120，nj230，ca30a等汽车前驱动桥中。3.4 万向节的结构设计 曲线槽球叉式等角速万向节作为桥驱动桥的传力构件，合理的结构应当做到：万向节旋转轴线与车桥轴线相重合，以避免发生万向节的摆动现象；为了防止在万向节转角接近最大值时，放置传力球的主动叉，从动叉的交叉槽趋于平行位置时导致钢球无法约制而自动散开，造成万向节装配关系的破坏，在设计时，应当把主动叉和从动叉轴线间的夹角最大值，选取得大于车轮的最大转角；同时，由主动叉和从动叉的轴线的交点所决定的万向节中心o应该位于汽车转向轮的转向主销轴线上。另外，也必须降低轴头花键连接的摩擦以及与其相连接的车桥之间的摩擦。以消除万向节的附加轴向力。 该万向节内部的几何关系，应能保证它正确的运动以及其零件能承受正确的负荷。因而设计时应特别注意如下几点：1如图 3.4 所示，应当保证安放小球的曲线槽其中心线的交叉点的投影与传力球的中心和 的投影重合，而小球与槽间的接触线 aa 和 bb 的延长线的投影与主动叉和从动叉的轴线相交于给定点（相当于 与 ) ，且其中。如果由于一个槽在垂直于主、从动叉轴线平面内的角位移，使驱动球轴线与中心定位小球的中心不重合，如图 3.5a）所示，就会在不成直线位置的万向节中，导致万向节中的传力球与定位小球发生接触，如图 3.5b)所示，或者引起定位球与球凹处产生间隙，带来万向节冲击、小球擦伤，中央小球的销子弯曲等缺点。图3.4 曲线槽球叉式等角速万向节内部的几何关系图2如图 3.4所示，应保证在万向节处于最大转角时，使各传力小球与中心定位球之间不接触，至少使传力球与定位球在此情况下的间隙 不小于0.5cm 。并且应使各钢球与万向节轴头均匀地预紧在一起，使得在任意方向旋转时，能通过万向节的两个驱动球来传递扭矩，而避免靠一个钢球来传递（假如另一个钢球在槽中为松配合的话）。避免产生不允许的过载现象。 图3.5 由于角位移而引起万向节内部几何关系的破坏图图3.6 驱动球轴线与定位球的中心不重合与主、从动叉轴线向垂直的平面内的万向节简图图3.7 驱动球轴线与中心小球不重合与主，从动轴线平面内万向节简图3应保证定位小球的中心与万向节中心重合，两个驱动小球的中心连线,（图 3.4）应位于主、从动轴线夹角的角平分面内。如果驱动小球的轴线与中心定位球的中心不与主、从动轴叉轴线相垂直的平面重合，如图3.6(a）、(b）所示，就会使中心定位球与球凹处产生间隙、引起敲击现象，或者引起定位球被挤压，如图3.6 (c）。在不成直线位置的万向节中，如果驱动球轴线与中心小球的中心不重合于主、从动轴叉轴线平面内，还会引起中心小球与球凹处的边缘接触，促使球凹边缘损坏。如图 3.7所示。4万向节的轴向位移会引起中心定位球与球窝间产生断续接触，造成冲击。冲击力与万向节的偏转角度及轴向位移成直线关系。因此在结构上应采取措施来限制轴向位移。一般在主动或从动叉的端面与总成套筒间用垫圈来限制。同时在制造过程中应尽可能提高加工精度，并把最大轴向位移最大限度地予以限制。5球叉式万向节的从动叉轴头的花键部分，应认为是该结构的一个薄弱环节，它的静力强度应根据万向节在极限转角时所传递的最大扭矩来确定，其安全系数应取得大于 2 ,一般取 2 3.5 。 曲线槽球叉式万向节的尺寸，可根据钢球的尺寸来确定。钢球的尺寸可按式来求，然后圆整到标谁值。在设计直槽球叉式万向节时，根据某汽车厂的经验，在设计包容二个球叉、四个钢球装配成总成的一个橡胶护套内腔时，应保证橡胶护套的内腔最小直径与球叉的最大外径不出现间隙，最好有点过盈，以避免球叉烧毁。另外，对于钢球与球叉滚道的直径方向的间隙应选择恰当。同时所有的滚道直径要一致。除此以外，据某汽车厂的经验，在润滑方面只能用齿轮油润滑，而不能用润滑脂润滑。否则球叉易于烧坏。3.5 球叉式万向节的计算1）固定式万向节当weiss型(球叉式)万向节工作时，它的球轨道平行于输入和输出元件的轴线。因此，它的倾斜角，压力角，轨道圆形截面的相似度为：下面研究图汽车的万向节尺寸10.5。附加数据有:， 因为，由公式（3.1） 得:表3.1 weiss型固定式万向节尺寸万向节尺寸glsar25352104351127222002035511040120753000201621244313082340010.57815653169110750010.61002006520013014500由公式： （3.2）得hertizian系数,查表得由公式： （3.3）得: 由公式：（3.4）则静态许用表面应力为： 对于非较接万向节，由公式： （3.5）则静态额定转矩为： 因为铰接weiss型万向节的转矩容量所限，所以许用的值比静态额定转矩小得多。2）伸缩式万向节根据有效几何形状，bendix-weiss型万向节是和的锥形万向节，压力角，环形轨道截面的相似度。四球伸缩式万向节在前轮驱动renault r16半轴上。bebdix-weiss-spicer布置，最大轴间夹角，球直径，轴间伸缩量。研究具有下列附加数据的bebdix-weiss伸缩式万向节，由公式： （3.6）则纵向相似度为：=由于=0，由公式： （3.7）得查表选取，由公式3.3，得：因而，由公式：（3.8）得相似系数：由该和公式3.4，则静态许用表面应力为： 算出的的小于查表所得的最大值。由公式： （3.9）非铰接万向节的静态额定转矩为： 对于非铰接bendis-weiss万向节，球以恒定压力角和倾斜角传递转矩。另一方面，对于铰接式万向节，和取决于。球叉式万向节结构简单，体积又小，它分为固定式万向节和伸缩式万向节。固定式万向节的球槽型式是曲线槽，而伸缩式万向节的球槽的型式是直线槽，。但当它前行时只有两个钢球传力，倒车时由另外两个钢球传力，所以钢球与曲面凹槽之间接触压力较大，磨损较快，随着凹槽的磨损，万向节工作的准确性就会下降。而且这种万向节的制造工艺较复杂。本课题设计的是轻型越野车的转向驱动桥，最后计算得伸缩式万向节的静态额定转矩，与许用转矩相近，而固定式万向节许用比计算出的静态额定转矩小的多，此外sues-06转向驱动桥的设计仿制bj2020越野车的转向驱动桥，所以本转向驱动桥的设计与计算应当采用固定式万向节。4 sues-06轻型越野车转向驱动桥的建模和装配4.1 建模软件unigraphics nx简介unigraphics solutions公司（简称ugs）是美国的一家全球著名的mcad供应商，隶属于eds公司。它具有强大的造型能力和数控编程能力，功能非常强大，涉及到工业设计与制造的各个层面。ug (unigraphics)是eds公司推出的一套集cad/cam/cae 的于一体的三维参数化软件，具有强大的建模、分析和加工功能。其建模技术结合了传统建模和参数化建模的优点，采用尺寸驱动技术，具有全相关的参数化功能，是一种“复合建模”工具。应用ug的建模功能，设计工程师可快速进行概念设计和详细设计，交互建立和编辑各种复杂的零部件模型。根据已建立的三维零件模型，ug 的各种应用功能既可对模型进行装配操作、创建二维工程图； 也可对模型进行机构运动学、动力学分析和有限元分析， 进行设计评估和优化；同时，还可根据模型设计工装夹具、进行加工处理， 直接生成数控程序，用于产品的加工。ug在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。ug软件有几个模块，它们分别是ug入门，ug实体建模、ug特征建模、ug用户定义特征、ug自由形状建模、ug装配建模，ug工程绘、二维交换、直接交换等等。根据以上各软件的特点，本次课题选用unigraphics作为辅助设计软件工具。之所以选择unigraphics主要是因为本次课题建模工程中涉及到三维实体建模，装配建模等模块。而unigraphics软件中就对这些设计模块提供了强大的支持。4.1.1 ug实体建模模块特点实体建模是ug设计技术的基础。实体模型又称主模型，ug虚拟装配、工程制图、机构运动分析、有限元分析、编制加工程序等均须直接应用已建立的主模型。如在ug机构运动分析模块中直接应用主模型进行二维或三维机械系统的复杂运动分析和设计仿真，并可完成大量的装配分析工作，如最小距离、干涉检查、反作用力、图解合成位移、速度和加速度、绘制运动轨迹包络等。ug实体建模模块提供了能满足多种设计需求的正确建模工具： （1）可进行实体、表面、特征、自由曲面、线框和参数化建模等； （2）支持和建立编辑孔、槽、型腔、圆柱、体、块、球体、管、杆、倒圆和倒角等各种标准的设计特征； （3）可将实体镂空变成薄壁件； （4）既可以先画草图，根据特定要求生成参数化的实体模型，又可根据产品的特征直接进行实体建模。4.1.2 ug装配模块特点ug装配建模 ug装配建模具有如下特点：提供并行的自顶而下和自下而上的产品开发方法；装配模型中零件数据是对零件本身的链接映象，保证装配模型和零件设计完全双向相关，并改进了软件操作性能，减少了存储空间的需求，零件设计修改后装配模型中的零件会自动更新，同时可在装配环境下直接修改零件设计、坐标系定位、逻辑对齐、贴合、偏移等灵活的定位方式和约束关系；在装配中安放零件或子装配件，并可定义不同零件或组件间的参数关系。参数化的装配建模提供描述组件间配合关系的附加功能，也可用于说明通用紧固件组和其它重复部件、装配导航、零件搜索、零件装机数量统计、调用目录、参考集、装配部分着色显示、标准件库调用、重量控制、在装配层次中快速切换直接访问任何零件或子装配件；生成支持汉字的装配明细表。当装配结构变化时装配明细表可自动更新；并行计算能力，支持多cpu硬件平台。的装配功能采用并行工程技术可为汽车产品设计提供一个有效的面向设计群体的装配设计环境，提供干涉分析和隐藏线消除的功能，允许包括个以上零件的生成和交互使用。这对汽车产品多种模型共存集成统一转化是非常有利的。4.2 转向驱动桥桥的ug建模图4.1 sues-06转向驱动桥三维ug模型图4.2 球叉式万向节三维ug模型4.2.1 转向驱动桥的建模要求1）转向驱动桥建模目的是将sues-06转向驱动桥总成数字模拟化，利用先进的cad/cae技术对机体进行仿真设计、修改、分析，有利于提高设计生产效率和成本。2）转向驱动桥建模应当以实物制造工艺为原则依据，建模思想要容易理解、模型结构要清晰、并且尽量保证相关参数化，使模型方便修改。根据所测得的尺寸数据后，就开始转向驱动桥的建模工作。本次用的ug软件，它使得用户能够数字化地创建和获取三维产品定义。sues-06转向驱动桥总成由转向节零件以及球叉式万向节零件组成。其中要求建模的零件包括转向节球形支撑、转向节球关节、转向节轴套等零件。以下部件大多有复杂的尺寸或外形，进行三维建模时有一定的难度，下面逐一进行阐述。4.2.2 转向驱动桥建模特点图4.3 sues-06转向节球形支撑总成1）转向节球形支撑的建模特点从表面上看，转向节球形支撑形状很简单，但因其球体与轴套间不是垂直连接，而是存在一定的偏置角度。通过仔细观察得到，转向节球形支撑为一个旋转体，其基本的建模思路，是以草图画出这个转向节球形支撑的基本形状，再通过旋转命令得到实体。如下图4.3所示。2）转向节轴套建模特点因为转向节轴套是一种对称图形，其初步的建模思想就是以草图约束为前提，再将其进行旋转和阵列，即可得出图形。如下图4.4所示。图4.4 sues-06转向节轴套3）转向节球关节建模特点图4.5 sues-06转向节球关节建立转向节球关节的难点在于其内部的形态较为复杂，具有多个结构复杂的曲面，所以不能使用制作形腔的方式进行镂空。因此完成转向节球关节内部的形态是这一模型制作的重点。如上图4.5所示。4）转向驱动桥壳建模特点图4.6 sues-06转向驱动桥壳 由上图4.6可知，sues-06转向驱动桥壳形状复杂，特别是其上下表面之间存在着一定的偏转角度，因而并不是一对平行的平面。且该模型前后两个突台大小形状不一致，并有较多的螺纹孔。所以初步建模思想是通过草图约束，而后进行拉伸、倒角即可得到相似的形状，但还是要注意其如何保证驱动桥壳上下表面之间的偏置角度与设置草图的约束条件，这些是建立该零件模型的关键所在。4.2.3转向节轴套建模建立直径为142mm的平面，建立三个原始基准面及基准轴，建立yc-xc基准平面作为参照，在此基准平面上绘制二维图形，如图4.7，使用工具拉伸实体，输入拉伸深度7.5mm，得到拉伸后的实体，如图4.8。图4.7 转向节轴套建模图 图4.8 转向节轴套建模图在实体顶面建立基准平面，并在该基准平面上建立二维图形，圆的直径102mm,然后通过该二维图形拉伸实体，输入厚度5.5mm，如图4.9。图4.9 转向节轴套建模图回到刚刚建立的基准平面上，在此平面上绘制螺纹孔而为图形，直径10.5mm。首先要绘制该螺纹孔所在的位置，由二维图形可知圆心在直径为124mm的圆上，然后在直径为124mm的圆上绘制螺纹孔，如图4.10。图4.10 转向节轴套建模图下面是对该螺纹孔进行拉伸，但是在此是在命令下，选择subtract命令，将实体切除螺纹孔。如图4.11和图4.12。图4.11 转向节轴套模图 图4.12 转向节轴套建模图螺纹孔的大小一样，可以通过环形阵列来完成其他几个螺纹孔。选择，输入个数number 6 ，angle 60，如图4.13。 阵列之后的模型，如图4.14。图4.13 转向节轴套建模图 图4.14 转向节轴套建模图建立基准平面zc-yc,在该基准平面上绘制扫描而为图形，如下图4.15。图4.15 转向节轴套建模图图4.16 转向节轴套建模图 图4.17 转向节轴套建模图选择对二维图形进行旋转，如图4.16。旋转之后的图形如图4.17。回到zc-xc基准平面，绘制背面凸台输入圆直径98mm。拉伸凸台，输入深度2.5mm，同样回到zc-xc基准平面，绘制二维图形，圆直径52mm，拉伸深度12mm，得到凸台。而后同样在这一凸台面上建立另几个凸台（分图4.18 转向节轴套建模图别为：圆直径45mm，拉伸深度43mm；直径44.5mm，拉伸深度26mm；直径45mm，拉伸深度45mm），最后得到实体（上图4.18）。 图4.19 转向节轴套建模图 图4.20 转向节轴套建模图而后以本此拉伸实体的端面作为基准，绘制下一个图形，直径32mm，拉伸深度穿透实体，得到图形如图4.19。以zc-yc为基准建立平面偏移5.5mm，在此基准面上绘制直径35mm圆，向实体内拉伸实体以切除实体中，得到直径35mm孔，深度28mm。如图4.20。图4.21 转向节轴套建模图然后按照二维图形的要求，对三维实体进行一系列的倒角处理，主要应用到的指令有和,最终这样就可以得出转向节轴套建模图(图4.21)。4.3 sues-06转向驱动桥的装配在ug（nx 4）中装配零件，首先要定义坐标原点。一般的做法是定义世界座标系为装配原点。这样是为了增加装配的方便性，使得零件的装配过程顺利完成。总的装配图如下图所示：首先选择第一个零件，在点击应用工具栏中的start-assembiles，进入装配。导入要装配的零件，通过命令add existing导入已经建立好图4.21 零件导入过程的零件，进行参数设定完（如图4.21）,生成图4.22中的实体。图4.22 第一个零件的导入图4.23 第二个零件的导入接着选择第二个建立好的零件,再次点击命令add existing进行添加导入零件之后通过配对约束，使得该零件满足配对约束要求，进行装配操作，最后生成如上图4.23所示的装配实体模型。导入转向节球形支承。如下图4.24所示图4.24 转向节球形支承装配在装完配转向节球形支承时，需要使用约束。使得转向节求关节与球形支承相互配合。为了装配的顺利，一般的选择装配顺序比较重要。所以在装配之前要确定装配的顺序。以便后续的装配合理得当。下面对转向节轴套进行装配，如图4.25所示。图4.25 转向节轴套的装配完成上述操作以后，再进行转向节壳的装配，通过配对约束完成转向驱动桥的装配，如下图4.26所示图4.26 转向驱动桥5. sues-06转向驱动桥的有限元分析5.1有限元概述1943年r.courant首次提出离散化的概念。50年代有限元首次用于飞机设计中，1956年m.j.turner和r.w.clough等人用矩阵对飞机结构进行了受力和变形分析。1960年r.w.clough首次提出“有限元”这个名词，有限元发作为一种数值分析方法正式出现于工程技术领域。六、七十年代中国在设计水坝中应用了有限元法，独立的发展了有特色的数学理论基础。现在，有限元法已经被公认是一种有效的数值计算方法，被广泛应用于固体力学、流体力学、热传