【货车万向传动装置设计7800字（论文）】

PAGEPAGE40货车万向传动装置设计目录14316摘要 19124Abstract 212366第1章绪论 3192751.1选题的目的和意义 3261291.2发展变化趋势 31660第1章研究内容及方法 4305212.1车辆基本参数确定 46302.2万向节类型的选择 435992.3传动轴方案确定 4210632.4万向节总成主要参数的确定与校核 4173492.5中间支承的设计与校核 56983第2章传动轴总成的设计 675533.1万向传动轴总体概述 657693.2传动布置型式的选择 678033.3传动轴断面尺寸的确定与强度校核 658753.3.1传动轴的运动分析 6823.3.2传动轴断面尺寸的计算与校核 92063.4传动轴滑动花键的设计 12273343.5中间传动轴花键的设计 1518183第3章万向节总成的设计 1737014.1万向节类型的选择 17254854.2万向节的受力分析 17251654.2.1单十字轴万向节的受力分析 17111064.2.2双十字轴万向节传动 204704.2.3多十字轴万向节传动 2192984.3万向节总成主要参数的确定与校核 21231684.3.1十字轴 21290564.3.2滚针轴承 2321934.4联连接元件的设计 26217884.4.1联接螺栓 2621614.4.2万向节叉 27309754.5十字轴总成的润滑 2818275第4章中间支承的设计 30320045.1中间支承的结构分析与选择 30140545.2轴承的选取 30347结论 3321536参考文献 35摘要：车辆的的万向传动装置基本上都是由传动轴和万向节两个部分组成，若车辆的轴距过长一般还会在中间加上一段中间支承。随着汽车慢慢的发展到现在，如今汽车主要对于传动轴和万向节的强度和耐久性以及效率等方面的设计与校核比较严格。本次设计准备以CA1401这款货车为原型，引用这辆货车的相关参数，通过对整车分析后，确定了传动装置布置方式为两轴三万向节带一个中间支承，再对装置进行设计校核，使其能在规定的寿命内能保持良好的使用情况。关键字：传动轴；花键；十字万向节；中间支承；设计；校核第1章绪论1.1选题的目的和意义如今汽车的发展越来越快，不仅仅是一个简单的代步工具了，对汽车各项要求越来越高。其中汽车的舒适性和节能性的良好离不开万向传动装置的设计得当。而万向传动装置的作用是汽车传动系统的动力传输以及适应转向。所以，如果万向传动装置设计不当的话，会导致传动系甚至整车运转不了。对于设计者来说，设计出一个优良的万向传动装置是至关重要的一个环节。故本设计对货车的万向传动装置进行设计校核，是为了让其具备传动效率高、制作成本低、结构简单等优点。1.2研究现状及发展趋势万向传动装置来自于1352年一个时钟的万向传动轴，从中得到灵感后设计出了汽车的万向传动装置。以前对传动轴的强度、刚度等重要的参数进行确定只是一个模糊的概念，不具有精确性。所以传动效率不高以及结构也较为复杂。但是如今万向传动装置也有了很多创新。传动轴，万向节都设计出了各式各样的结构，都有各自的优点。随着许多种类万向节的诞生，可以搭配各种类型的汽车，比如轻型货车所需的十字轴式万向节。如今的万向传动装置已经可以满足发展快速的汽车行业。上海梅山钢铁公司的黄志辉在对十字轴式万向节进行分析、设计校核后，弄出了梅钢热轧厂热卷箱传动轴，对传动轴的发展有及其大的指导意义[1]。国外的万向节传动轴也十分的先进，比如法国的AT-64型收获机，其中有高达7根万向节传动轴，其传动效率高且成本低，日本和英国等许多外国大公司都应用了这种款式的农用万向节传动轴[2]。目前万向传动装置还存在着发生异响和运动时角度过大等问题，随着科技的发展，一些高新技术软件的开发，例如Pro/E、CATIA、Matlab、CATIA、Matlab等众多软件的广泛开发与利用，这些软件从设计到仿真都极大的使现在的传动轴设计变得十分的可靠，促使以往较为模糊的研究向更加精确化与合理化的趋势发展。第2章研究内容及方法2.1车辆基本参数确定本次设计参考的货车为CA1401，为了设计出良好的万向传动装置，必须先确定其发动机及整车的相关参数，具体数据如表2.1所示表2.1CA1401轴距发动机最大功率的转速最大传动比最大转矩传动效率满载质量2.2万向节总成的选择与确定2.21类型选择本次设计车辆属于轻型货车，所以需要的万向节类型必须具有制造成本低、使用寿命长、承载能力强和结构简易等优点。结合车型及其优点所以初步选用十字轴万向节。2.22总成的确定（1）十字轴十字轴主要会因为变形程度过大、断裂、压溃以及表面解除疲劳等原因发生失效，所以设计时应避免上述原因使设计失效。（2）十字轴滚针轴承滚针轴承具体分类如图2.1所示滚针滚针锥头滚针平头滚针圆头滚针图2.1滚针轴承分类由于本次设计车型为货车，货车在运输的过程中，由于载重的原因，行驶过程中若运转剧烈的话会导致掉针，会对万向节造成不利影响。结合这个原因考虑锥头滚针，这种形式滚针多了个挡针圈，这大大降低了掉针的可能。故锥头滚针是本设计的最优选择。（3）联接螺栓工作时要承受剪切力、弯矩、正应力等；要求：a：要有足够的抗剪切及抗弯强度；b：不能变形。（4）万向节叉万向节岔道与十字轴相连，施力时弯曲应力和扭应力应受到保护。2.3传动轴方案确定为了让传动系统具有高效的传动效率，一般的传动装置是两个万向节联接传动轴的方案。然而CA1401车型因为轴距较长的缘故，为了让传动效率不受到影响以及结构相对简单初步选定传动轴方案为三个十字轴万向节带两段传动轴，另外还需考虑加一段中间支承。这种方案能满足于所需要达到的效果。2.4中间支承本次设计车型为货车，在设计时考虑到轴轴距比较长，而汽车在运动中会产生振动，因此零件设计时要避免共振现象存在。措施：采用多段传动轴，传动轴连接处增加支撑装置。支撑装置要求：（1）要有足够的径向刚度，可采用橡胶弹性元件。（2）固有频率要低于正常允许范围，避免共振。第3章传动轴总成的设计3.1万向传动轴总体概述对货车来说，传动轴一个将发动机转矩传递给后驱的装置。不可置否，汽车传动系统中必不可少的一个重要组成就是万向传动轴，为了能让汽车传动系具有较好的传动性能，万向传动轴的设计将极其重要，搭配不当会导致设计的失效。3.2传动轴断面尺寸的确定与强度校核3.2.1传动轴的分析（1）对传动轴进行设计分析时应注意：传动轴要有足够的长度以及它们的夹角要适当不能影响均匀性。（2）传动轴的强度及刚度分析如图3.2所示。图3.2传动轴的弯曲振动设其转速为。则作用的离心力为：（3.1）通过查阅材料力学可以得到：（3.2）式中：N/mm2；其中系数和传动轴的两端固定支承梁有关，在查阅相关书籍后可知这种情况下的；分析上述图后，由力学相关知识的平衡可以清楚的知道：（3.3）解得：（3.4）当时，会使传动轴的刚度下降，从而使得在旋转过程中传动轴将更容易被折断[3]。则：（3.5）对于实心轴来说若它直径等于，可以通过下面公式来分别计算出自由轴承和两端固定轴承相应的临界转速，（3.6）自由支承：r/min（3.7）两端固定支承：r/min（3.8）对于空心轴来说若外径为内径为时，可以通过下面公式来分别计算出自由轴承和两端固定轴承相应的临界转速：自由支承：r/min（3.9）两端固定支承：r/min（3.10）通过对实心轴以及空心轴计算过后，可以通过上面最后的结果看出，两者在自由轴承以及两端固定轴承的情况下的临界转速不一样。具体可以表达为：（1）结合公式3.7和3.9可以看出，空心轴在有了内径且外径相等的情况下，空心轴的转速要更高。同理公式3.8和3.10也可以看出来。（2）和成反比，需要通过增加传动轴长度及增大内外径来降低；综上所述所以选择两端自由支承的空心传动轴。为了提高转速，应该控制安全系数，将安全系数控制在以下范围内。（3.11）表3.1是某品牌货车的相关实验数据。表3.1某货车参数行驶里程（km）在重心平面上的振摆（mm）破坏转速与临界转速之比（）3.2.2传动轴断面主要尺寸分析本课题的传动方案可以简单表示为两轴三万向节带中间支承的方案，且因为临界转速的缘故，选用的传动轴为空心开式传动轴。因为安全系数，得计算临界转速，取，式中:查阅汽车之家手册可知表示转速（最大功率）；（最大传动比）；则：。将代入得：取表3.2给出外径的标准参数值。表3.2参数（mm）外径钢管厚度60、、、、、、、、、、63.5、、、、、、、、、、70、、、、、、、、、、75、、、、、、、、、、、、83、、、、、、、、、、、、89、、、、、、、、、、、、95、、、、、、、、、、、、用上面公式3.9计算来计算开自由支承的临界转速。设外径为，内径为，厚度为B。初选外径mm，厚度mm，则mm。将r/min，长度mm，mm，mm代入3.9：r/min经过验算，符合标准。转速达到要求后接下来进行抗扭强度校核。要计算传动轴的最大扭转应力，则需要通过下面公式得出:（3.12）式中：为扭矩，；为抗扭断面模量，将上文的选择的空心轴的抗扭模量W的值带入到上式中进行计算，然后还要对传动轴的抗扭转的强度进行计算校核，需通过下面公式计算：（3.13）式中：查阅书籍可知利用公式计算传动轴：（3.14）式中：—发动机最大转矩(N·mm)，N·mm；因后桥驱动，故取；为变速器一挡的传动比，；为0.96，表示为传动轴的传动效率；为1。计算系数：当时当时式中：由汽车设计可以得到：，。代入得：，，取。将、、、、代入公式3.14得：得出这些数据后，将传动轴计算扭矩，传动轴管外径，内径代入3.13：通过上式计算出结果则满足传动轴要求，并得出该传动轴的传递扭矩是能够保证各种工况下的有效传递扭矩。经过校核主传动轴达到了要求，同样设计的主传动轴管的相关参数同样适合中间传动轴。3.3传动布置型式的选择传动一般布置类型分为单轴两万向节和两轴三万向节这两种。它是主要是为了联接发动机与后驱装置，并将动力传递给后桥驱动。如图3.1为两种型式的具体布置方式。 （a）单轴双节（b）两轴三节图3.1传动布置方式参考车型的参数可得轴距为2.85m，因为轴距较长，若采用单轴两万向节的型式，将不利于联接甚至不利于万向节的传动，因此选择两轴三万向节的方案[4]。3.4传动轴滑动花键的设计(1)本设计选择矩形花键，可根据《汽车理论》的要求来选择主要参数。常用的轻型花键的基本尺寸如下表3.3：初选花键断面基本尺寸为[5]。(2)矩形花键的分类如图3.3所示，本设计则采用了A型花键。(3)由表选择长度为mm，轴孔长mm。然后再通过计算来验证是否合格。选择尺寸，需要计算）和。表3.3矩形花键分类及数据（mm）r注：表中N为键的齿数，D为花键的外径，B为键的宽度，r和c为倒角表3.4矩形内花键长度（mm）花键长度或花键长度或系列,计算如下：（3.15）则取安全系数，则查阅相关书籍得到标准为；将、代入3.15：矩形花键的主要形式如图3.3所示，需要计算：（3.16）图3.3花键形式式中：查得系数为；查阅书籍后可知标准为。、、、、、代入公式3.16得：综上计算校核可知，滑动花键设计满足要求。而计算轴向阻力的公式入下：（3.17）式中，；为传递过程中的扭矩因为为花键在工作过程中中间部分的直径，则可以计算出；为摩擦系数，取得：花键齿轮设计将滑动花键的轴向滑动阻力与磨损纳入考虑范畴，并归纳总结出以下几个相应的缓解措施：（1）喷涂尼龙在花键齿轮上；（2）为了提高传动效率，还需要在键槽中加入滚针等相应的元件。（3）采用的传动轴必须具有弹性。3.5中间传动轴花键的设计经过以下方法来应对轴联接问题：加工中间传动轴，产生一段花键以及一段齿轮纹，其中花键副由花键和传动轴构成，并用开槽螺母轴向定位[6]。选择好了花键后，能有效的帮助传动轴很好的去传递扭矩。选择的花键类型是矩型花键，参照表2.4，初选花键小径mm，大径mm，键齿数，键宽mm，取键长m。在选择好花键的尺寸后，利用相关尺寸就可以计算出扭转应力，其许用应力由上面计算可知为150。则扭转应力的计算公式如下：（3.18）将、放入到上述公式3.18：而对于来说，同样需要经过下面公式计算：（3.19）式中：主要数据和上面相同，而当硬度大于35HRC时，需要满足。将、、、、、代入公式3.19：综上计算校核可知，中间传动轴花键设计符合要求。第4章万向节总成的设计4.1万向节类型的选择当两个轴在运转过程中出现角度偏差时，万向节可以调整角度并将动力传递给后轮驱动。其主要分类如下图：图4.1具体分类为了能做到更好的传动，我们要选择一个搭配良好的万向节，并且它必须具有结构简单、强度符合要求、运作耐久性更加好、能做到传动效率更高等优点，所以综合考虑在所有种类万向节中选择十字轴式万向节。4.2万向节的受力分析4.2.1单十字轴万向节分析通常主动轴与从动轴在运转过程中都会形成一个夹角，而当这个角度的大小为时，它们之间的角速度大小也会产生变化，会形成一个规律，具体可以用如下公式表示：（4.1）是主动叉的转角，由于是周期函数，它的周期为2Π。所以它的变化规律也是和周期函数的性质一样。当以相同的角速度进行旋转时，其旋转速度有时会越来越快，有时也会越来越慢，这就是普通十字轴变速器的不等速现象。转速不均匀系数可以用如下公式表示：（4.2）已知，所以（4.3）故而，由上式可以看出ω1/ω2与转矩成反比例关系，当ω1/ω2最小时从动轴的转矩反而最大，则；相应地，当ω1/ω2取最大值时，从动轴上的转矩最小，则。当T1与α不变时，因为为周期关系，每转一圈，T2的值会相应变化两次。具体情况如图4.2所示（a)（b)图4.2受力分析图分析可知，、最小值为0，而它们的最大值会像周期函数一样随着转动会周期性的变化。在经历周期性变化后的载荷可以选择用下面公式进行计算：（4.4）式中：为节到支承的最小距离同样，受到的侧向载荷用公式表示为为：（4.5）防止两轴夹角出现太大的情况，通常会控制附加扭矩。所以：（4.6）式中，ε2可以通过上式4.1求出来：（4.7）当输入轴转速很高等问题出现可能会出现超过承受能力的情况，需要采取相应的方法降低惯性力矩。4.2.2双十字轴万向节分析双十字轴万向节的使用是因为当单十字轴万向节不足以满足传动需要时。双十字轴万向节可以让一个平面内的输入轴与输出轴在同一转速下转动，但必须要保证两个夹角和必须相等，具体布置如图4.3（a）和（c)所示。在双驱动中，万向节叉联接的输出轴和输入轴会产生相应的附加弯矩，不同的布置行驶不同会导致不同的受力情况，具体如图4.3。（a)Z型布置（b)Z型弯矩图（c)W型布置（d)W型弯矩图图4.3布置弯矩图4.2.3多十字轴万向节分析从动叉相对主动叉的转角差为：（4.8）多万向节两轴运动关系如4.8所示。若多万向节传动时所有的轴线处在一个平面内，且万向节叉与平面夹角为π/2或者为0时，所以当量夹角可以用公式表示为：(4.9)的关系如方程式4.9所示。为了保证多万向节传动的输出轴和输入轴以相同的速度进行旋转，应保证。多万向节传动的设计，必须保证当量夹角值小于等于。所以，总体来说选用多十字轴万向节。4.3万向节总成主要参数的确定与校核万向节总成的确定主要是对其十字轴以及滚针轴承的确定和计算。4.3.1十字轴表4.1表示各种货车的尺寸。根据车型的承载质量，初选十字轴的长度，轴颈长度、直颈,，滚针直径，滚针长度，滚针数，滚针外径。若十字轴轴颈中点的力为F如图4.4所示则其大小为：(4.10)且查得，，取。放入3.10得：表4.1十字轴尺寸（mm）汽车车载十字轴滚针轴承帽图4.4十字轴受力轴颈根部的弯曲应力和切应力需要满足：（4.11）（4.12）式中：—弯曲应力的许用值，MPa；—切应力的许用值，MPa将轴颈直颈，油道孔直径，合力F作用线到轴颈根部的距离，代入4.11、4.12：MPaMPa校核十字轴符合设计要求[7]。4.3.2滚针轴承考虑到设计需要达到的要求，则需要用的为滚针轴承。对选用的滚针支承进行校核，则需要通过此公式计算：（4.13）而且—合力F作用滚针所受的最大载荷需要通过下式确定：（4.14）查表得支承的许用接触应力为[8]。此外，设计滚针轴承滚针的列数为，每列中的滚针数量。将所有数据代入4.14得：将直径，长度，，代入4.13得：MPa在于万向节叉连接后，滚针轴承能达到的最大负荷，可按如下公式计算：（4.15）将直径mm,滚针数z=26，长度mm,最大转矩下的转速r/min,N代入公式4.15得:NN通过计算后，滚动指针设计满足设计要求4.4联连接元件的设计4.4.1联接螺栓（1）后驱的货车中选用的联轴器一般具有结构简单和传递大扭矩的功用。所以选用凸缘联轴器可以达到要求。而螺栓类型选择为铰制孔螺栓，螺栓孔直径，螺栓型号为[9]凸缘叉边缘厚度，螺栓孔中心圆直径，螺栓数。（2）在经过联接后工作，对所需要达到的各项强度进行计算校核；若计算抗拉所需的强度即拉应力，则需要计算：（4.16）计算得，查得代入4.16：若计算抗剪所需的强度即剪应力，则需要按如下计算：（4.17）要求得上式的数据，则需要通过计算得出。则：将，，代入4.17得：同理计算抗挤压所需的强度：（4.18）将，，许用挤压应力代入4.18：通过校核，选择的螺栓设计满足要求。4.4.2万向节叉支撑力F会在十字轴和万向节叉联结在一起之后产生，则现在需要对其和进行计算，应保证：（4.19）（4.20）上式中的、分别为抗弯截面系数抗扭截面系数（B-B处），而相应的系数通过表4.2中的数据得出矩形截面的高度，，矩形截面的宽，然后计算后可以得出，表4.2系数k的取值如图4.7：与十字轴轴孔中心线成的B-B截面到力F作用线的距离，万向节叉的中点和截面平面成时到力作用线之间的距离，。。弯曲应力的许用值为，扭应力的许用值为。将和代入4.19和4.20得：图4.5万向节叉故万向节叉满足设计要求4.5十字轴总成的润滑为了杜绝十字轴轴颈和滚针轴承的磨损等问题，因此要对十字轴要进行很好的润滑保护。对十字轴万向节的润滑时，为了达到更好的效果，故选用齿轮油。第5章中间支承的设计与校核5.1中间支承的结构分析与选择现在市场上主要有摆动式和橡胶弹性这两种中间支承。对这款轻型货车来说，它载重小，运作时传动轴收到的径向力较小。所以选择中间支承时要考虑到结构简单易安装和保养维修便宜方便等优点。而摆动式中间支承相较于橡胶弹性中间支承来说，在结构方面更适合于这款车型。因此，可选用摆动式中间支撑，具体情况见图5.1。考虑到支承的结构要达到要求以及作用到支承上的力要较小，所以选用单列深沟球轴承。中间传动轴花键大径d=40mm，故轴承内径d=45mm，主轴承外径d=85mm，轴承宽度b=19mm。接着要对轴承的使用寿命进行计算考核。图5.1摆动式5.2轴承的选取由汽车理论查得：选用的轴承型号使用寿命[]一般为20000h。此轴承为利用率适中的类型。计算如下：（5.1）式中：；使用寿命的系数;载荷;温度系数；且上式中量动载荷计算为：（5.2）式中：；载荷系数;和载荷，且取；滑动阻力;;（5.3）将以上数据代入5.2得:N将，，，，代入5.1得：通过计算后，使用寿命达到所需的要求。结论本设计到这里就结束了，在对车子的整车进行分析后，对万向传动装置进行设计，而为了设计出良好的传动装置，本文就传动轴、万向节和中间轴承等这三个方面分别进行计算校核，最终达到设计要求。本设计首先确