十字轴万向节的设计

目 录 1结构方案选择 03 1.2原始条件042. 十字轴万向节的设计05 2.1万向节类型的选择06 2.2十字轴包尺寸选择06 2.3十字轴受力及应力分析07 2.4万向节叉处校核09 2.5传递效率的计算09 3传动轴的设计10 3.1传动轴的设计10 3.11传动轴计算载荷的确定过程10 3.12传动轴的计算载荷11 3.13传动轴的临界转速13 3.14传动轴的内外径选择14 3.15传动轴扭转强度校核143.2花键轴的设计15 3.21传动轴花键的尺寸确定15 3.22花键轴的齿侧挤压应力校核17 4 滚针轴承的设计18 5法兰盘的设计21 6连接螺栓的设计22 7.十字轴总成的润滑24 8 .小结25 9 . 参考文献251. 结构方案选择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太大。当夹角增加时，万向节中的滚针轴承寿命将下降。普通的十字轴式万向节主要由主动叉，从动叉，十字轴，滚针轴承及轴向定位件和橡胶封件等组成 汽车上的万向传动轴一般是由万向节、轴管及其伸缩花键等组成。主要是用于在工作过程中相对位置不断变化的两根轴间传递转矩和旋转运动。在动机前置后轮驱动的汽车上，由于工作时悬架变形，驱动桥主减速器输入轴与变速器输出轴间经常有相对运动，普遍采用万向节传动。当驱动桥与变速器之间相距较远，使得传动轴的长度超过1.5m时，为提高传动轴的临界速度以及总布置上的考虑，常将传动轴断开成两段或三段，万向节用三个或四个。此时，必须在中间传动轴上加设中间支承。在转向驱动桥中，由于驱动桥又是转向轮，左右半轴间的夹角随行驶需要而变，这是多采用球叉式和球笼式等速万向节传动。当后驱动桥为独立悬架结构时也必须采用万向节传动。万向节按扭转方向是否有明星的弹性，可分为刚性万向节和挠性万向节两类。刚性万向节又可分为不等速万向节（常用的为普通十字轴式），等速万向节（球叉式、球笼式等），准等速万向节（双联式、凸块式、三肖轴式等）。万向节传动应保证所连接两轴的相对位置在预计范围内变动时，能可靠地传递动力，保证所连接两轴尽可能同步运转，由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声应在允许范围内。1.2原始条件：车型 轻型货车驱动形式 FR42发动机位置 前置最高车速 Umax=80km/h最大爬坡度 imax=30%汽车总质量 ma=3370kg满载时前轴负荷率 35%外形尺寸 总长La总宽Ba总高Ha=5200*1900*2100mm3轴距 L=2700mm前轮距 B1=1400mm后轮距 B2=1350mm迎风面积 AB1Ha变速器 中间轴式、五挡发动机 P=44kw T=160N.m图2.1为用于汽车变速箱与驱动桥之间的不同万向传动方案。 （a）单轴双万向节式 （b）两轴三万向节式 图2.1 汽车的万向传动方案7如图a为常用的单轴双万向节传动，如图b为连接距离较长且不宜于采用单轴双万向节传动的连接。由于参考车型轴距为2700mm，发动机为纵置，参考下图发动机长为700mm,离合器大概100mm,变速器大概为400mm，驱动桥大概为500mm，再考虑到万向传动轴的大约20度的倾角，传动轴设计为1300mm长的一根轴。故选取如图a的传动方案。2十字轴万向节的设计2.1万向节类型的选择万向节是转轴和转轴之间实现变角度传递动力的基本部件，按其在扭转方向上是否有明显的弹性，可分为挠性万向节和刚性万向节。刚性万向节的动力是靠零件之间的铰链式连接传递的；而挠性万向节的动力则靠弹性零件传递的，且有一定的缓冲减振作用。刚性万向节根据其运动特点又可分为不等速万向节、准等速万向节和等速万向节和等速万向节三种形式11。不等速万向节是指万向节连接的两轴夹角大于零时，输出轴和输入轴之间以变化的瞬时角速度比传递运动，但平均角速度相等的万向节。准等速万向节是指在设计角度下以相等的瞬时角速度传递运动，而在其他角度下以近似相等的瞬时角速度传递运动的万向节。输出轴和输入轴以始终相等的瞬时角速度传递运动的万向节，称之为等速万向节。万向节分类如下图2.1所示： 万向节刚性万向节不等速万向节十字轴式准等速万向节 双联式 凸块式三销轴式球面滚轮式样等速万向节 球叉式 球笼式 挠性万向节图2.1 万向节的分类由于十字轴式万向节具有结构简单、传动可靠、效率高、且制造成本低，被广泛应用于各类汽车的传动系统中。根据本设计适用的车型，选用十字轴式万向节。2.2十字轴包尺寸选择如图，设计十字轴万向节，由于我们载重质量1.5t,所以选用第一组数据。1滚针轴承滚针长度为Lb=16mm，滚针有效工作长度为L=14mm，滚针直径为d=3mm,滚针数为n=22.2十字轴取十字轴轴颈直径d1=18mm，端面距为H=90mm，十字轴油道孔直径d2=6mm，合力F作用线到轴颈根部的距离s=10mm,十字轴中心到受力点的距离r=37mm3轴承套轴承套外径D套=32mm，轴承套的厚度C=4mm,4花键工作长度118mm;2.3十字轴受力及应力分析 设作用于十字轴轴颈中点的力为F，则 a=20F= T1/2rcos=835.2/(2*0.037*cos20)=12010N 十字轴轴颈根部的弯曲应力w和切应力应满足w=w=式中，w为弯曲应力的许用值，为250-350Mpa，【t】为切应力许用值在80-120Mpa之间。w=170Mpaw= =53.12Mpa故十字轴轴颈根部的弯曲应力和切应力满足校核条件2.4万向节叉处校核万向节叉，45中碳钢，调质处理，与十字轴组成连接支承，在力F作用下产生支承反力，在与十字轴轴孔中心线成45的截面处，万向节叉承受弯曲和扭转载荷，其弯曲应力w和扭应力b应满足w=Fe/Wwb=Fa/Wtb式中，取a=30mm,e=45mm,b=30mm,h=60mm,，取k=0.246,W=bh2/6, Wt=khb2, 弯曲应力的许用值w为50-80Mpa，扭应力的许用值b为80-160 Mpaw=Fe/W=60.5 Mpa wb=Fa/Wt =54 Mpa0的汽车： =2。性能系数由下式计算当 /21/32/216 ,fj=0，所以猛接离合器所产生的动载系数kd=1，主减速比i0=5所以：Tse1=kdTemaxki1if/n=1*85*5*1*0.93/1=835.2N*mTss1= G2 m2rr/ i0imm=22579*1.1*0.85*0.364/（5*1*0.9）=17100N*mT1=min Tse1, Tss1 T1= Tse1=835.2N*m万向传动轴中由滑动叉和矩形花键轴组成的滑动花键来实现传动长度的变化。伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输入轴两轴线夹角的变化，并实现两轴的等角速传动。 根据货车的总体布置要求，将离合器与变速器之间拉开一段距离，考虑到它们之间很难保证轴与轴同心及车架的变形，所以采用十字轴万向传动轴，为了避免运动干涉,在传动轴中设有由滑动叉和花键轴组成的伸缩节,以实现传动轴长度的变化。空心传动轴具有较小的质量，能传递较大的转矩，比实心传动轴具有更高的临界转速，所以此传动轴管采用空心传动轴。传动轴管由低碳钢板制壁厚均匀、壁薄（1.53.0mm）、管径较大、易质量平衡、扭转强度高、弯曲刚度高、适用高速旋转的电焊钢管制成。 3.13传动轴的临界转速 传动轴的临界转速为nc=1.2108在设计传动轴时，取安全系数K= 1.5K= nk/nmax=1.5，nw为发动机最大功率时的转速nmax =nw*i5=3200r/min, =nmax*K=4800r/min,为传动轴长度(mm)，即两万向节中心的距离，和分别为传动轴轴管的外、内径(mm) 。根据轴距L=2700mm,初选传动轴支承长度为1300mm，花键轴长度应小于支承长度，满足万向节与传动轴的间隙要求，取花键轴长度为120mm。传动轴经常处于高速旋转状态下，所以轴的材料查机械零件手册选取40CrNi，适用于很重要的轴，具有较高的扭转强度。传动轴管由低碳钢板制壁厚均匀、壁薄（1.54.5mm）、管径较大、易质量平衡、扭转强度高、弯曲刚度高、适用高速旋转的电焊钢管制成。 3.14传动轴的内外径选择又根据电焊钢管外径6095mm的标准资料（从冶金部标准YB24263中选取）取 =75mm，则，圆整后=70mm。 3.15传动轴扭转强度校核由于传动轴只承受扭转应力而不承受弯曲应力，所以只需校核扭转强度。轴管的扭转应力c=c式中c=300 MpaT1=Tse1=835.2 c=41.83Mpac轴管的扭转应力校核符合要求. 3.2.花键轴的设计 3.21传动轴滑动花键的尺寸确定汽车行驶过程中，变速器与驱动桥的相对位置经常变化。为避免运动干涉，传动轴中设有由滑动叉和矩形或渐开线花键轴组成的滑动花键来以实现传动轴长度的变化。滑动花键有矩形花键和渐开线花键两种形式。本设计选矩形花键，其主要参数可按照机械设计手册选取9。下表2.3给出了部分轻系列花键的基本尺寸：初选花键断面基本尺寸NdDB 为16526010。矩形花键主要有下图2.3所示四种形式：由于汽车上所用的花键要求可以沿轴向滑动，所以选A型花键。表2.4给出了部分矩形内花键长度：小径d轻系列规格NdDB轻系列r轻系列c286232660.20.1328323660.30.2368364070.30.2428424680.30.2468465090.30.25285258100.40.3根据表2.4所给出的长度，初选花键轴长度mm，花键轴孔长度mm。在选定花键尺寸后，还应对作用在花键轴上的扭转应力(MPa)和作用在齿侧的挤压应力(MPa)进行校核。表2.3 矩形花键基本尺寸系列（摘自GB/T 1144-2001） （mm）注：表中 N-键齿数；D-花键大径；B-键宽；r-倒角；c-倒角表2.4 矩形内花键长度很系列(摘自GB/T 10081-1988) （mm）花键小径d3652花键长度或22120孔的最大长度L200花键长度或系列10,12,15,18,22,25,28,30,32,36,38,42,45,48,50,56,60,63,71,75,80,85,90,95,100,110,120,130,140,160,180,200对于传动轴上的花键轴，通常以底径计算扭转应力(MPa)，的计算公式如下：mm。 3.22花键轴的尺侧挤压应力校核 对于传动轴上的花键轴，通常以底径计算其扭转应力h，许用应力一般按安全系数23确定。h = 为花键内径，取安全系数为2.25，=18.59MPa18.6MPa 61.2mm由于花键齿侧许用挤压应力较小，所以选用Lh较大尺寸的花键，查GB/T1144-2001,取花键内径=52mm，花键外径 =60mm，键齿宽B=10mm，花键齿数 =16，花键有效工作长度 =50mm 材质:45钢 传动轴花键的齿侧挤压应力y应满足y 式中,取花键转矩分布不均匀系数