车辆工程毕业设计论文-hgc1050万向传动轴结构设计(编辑修改稿)

车辆工程毕业设计论文-hgc1050万向传动轴结构设计(编辑修改稿)内容摘要：

3。 46 附录 B 外文文献翻译 49 1 第 1 章 绪 论 概述 万向节传动用于在不同轴心的两轴间甚至在工作过程中相对位置不断变化的两轴间传递动力。 例如，在某些重型汽车和越野汽车上，根据总布置的要 求需将离合器与变速器、变速器与分动器之间拉开 一定距离时，考虑到在它们之间很难保证轴与轴能同心以及安装基体 即 车架也可能发生变形，因此在这些总成之间就应采用万向节传动。 此时常采用普通十字轴万向节，也有采用挠性万向节的，其工作夹角一般不大于176。 176。 5~3。 前置发动机后轮驱动的汽车在行驶过程中，由于悬架的不断变形，变速器与驱动桥的相对位置 (高度和距离 )也在不断变化，因此它们之间需要用可伸缩的万向传动轴联接。 这时当联接的距离较近时，常采用两个万向节和一根可伸缩的传动轴；当距离较远而使传 动轴的长度超过 时，常将传动轴分成两根或三根，用三个或四个万向节，且后面一根传动轴可伸缩，中间传动轴应有支承，万向节所联的两轴之间的夹角，对一般载货汽车不应超过 176。 176。 20~15 ，对于短轴距的 44 越野汽车，最大可达 176。 30。 对于又要转向又要驱动的转向驱动桥，左、右驱动车轮需要随汽车行驶的轨迹而改变方向，这时多采用球笼式或球叉式等速万向节传动，其最大夹角即车轮的最大转角可达 176。 176。 42~32。 万向节传动还用于带有摆动半轴的驱动桥、转向轴传动机构及动力输出装置等。 万向节传动应适应所联两轴的夹角及相对位置在一定范围内的不断变化且能可靠而稳定地传递动力，保证所联两轴能等速旋转，且由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动及噪声应在允许范围内，在使用车速范围内不应产生共振现象。 此外，万向节传动还要求传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易 [8]。 本课题使用 CAD、 Pro/E、 ANSYS 技术对万向传动装置进行设计，实现了设计与制造的一体化，具有明显的优越性。 在 缩短了设计周期的同时，实现了标准化，通用化，系列化，提高了加工效率及加工质量，有利于提高企业自身应变能力和市场竞争力，给企业带来综合效率。 通过对 HGC1050 万向传动装置的设计，能够使我熟练地掌握 CAD、 Pro/E、 ANSYS 在生产实践中的应用，锻炼自己分析问题解决问题的能力。 解放汽车万向传动装置正广泛应用于各种车辆上，使汽车传动性能显著提高，因此，对此课题的研究具有十分重要的意义。 2 汽车传动轴的国内外 研究 现状 万向传动轴在汽车上的应用比较广泛。 发动机前置后轮或全轮驱动汽车行驶时，由于悬架不断变形，变 速器或分动器的输出轴与驱动桥输入轴轴线之间的相对位置经常变化，因而普遍采用可伸缩的十字轴万向传动轴；某些汽车根据总布置要求需要将离合器与变速器、变速器与分动器拉开一段距离，顾及到它们之间很难保证轴与轴同心及车架的变形，所以常采用十字轴万向传动轴或挠性万向传动轴；对于转向驱动桥，左、右驱动轮需要随汽车行驶轨迹变化而改变方向，多采用等速万向传动轴。 依据在扭转方向上是否有明显的弹性，万向节分为刚性万向节和挠性万向节。 刚性万向节又分为不等速万向节（十字轴式）、准等速万向节（双联式、凸块式、三销式、球面滚轮式）和等速 万向节（球叉式、球笼式）。 其中十字轴式万向节是目前在汽车上应用最广泛的；双联式万向节在越野车转向驱动桥应用增多；球笼式万向节在轿车转向驱动桥得到广泛应用。 刚性万向节是靠零件的铰接式连接传递动力；挠性万向节是靠弹性零件传递动了的，具有缓冲减振作用。 单十字轴万向节传动的不等速，使从动轴及其相连的部件产生扭转振动，影响部件寿命，所以常采用双十字轴万向节来实现等速传动。 等速万向节是从结构上保证在其工作中，其传力点总位于两轴交角的平分面上；这也是以后的发展方向。 这次课题设计中选的是目前汽车上应用广泛的十字轴万向节。 传动轴高速转动时，在离心力的作用下长生剧烈振动；所以，传动轴与万向节装配后，必须满足动平衡要求。 传动轴过长时，自振频率较低，易产生共振；通常将传动轴分成两段并加中间支承。 蜂窝软垫式中间支承应用较广泛。 有的汽车也采用摆动式中间支承。 有限元方法在汽车产品开发中的应用非常广泛，主要在汽车上有以下几种应用： （ 1） 结构静力分析 这是在车辆及其发动机的各种零部件设计中最常见的问题，也是应用最为广泛的领域，即分析计算结构与时间无关的应力分布与变形情况。 如齿轮轮齿、钢板弹簧、车桥、飞轮、传动轴的静力分析。 （ 2） 结构动 力学 分析 一是求解结构或系统本身的动态特性，如固有频率、振型等，这对分析与解决振动问题是十分重要的；二是强迫响应分析，即结构在动载的作用下的响应，这较静力分析更接近于车辆及其发动机中的许多零部件的实际工作情况，但一般计算量也将增加许多倍。 随着对环境问题的益重视，在车辆及发动机的设计中已普遍采用各种分析工具，采取各种有效措施，来改善和减少车辆的振动和噪声。 例如车辆动力装置的动态性分析等。 （ 3） 温度场分析 分析结构内部温度的分布情况以及热应力和热变形的情况，包括稳态和瞬态的问题，例如可应用于发动机中的活塞、气 缸盖等燃烧室附近的零部件。 3 在进行这类零部件的强度刚度分析计算时，不仅要考虑机械负荷而且还要同时考虑热负荷。 （ 4） 流场分析 是有限元方法在流体力学领域中的应用。 一般流场分析是非线性问题，较为复杂。 解决流体力学中的问题应用较多的是有限差分法与可以认为是介于有限差分法和有限元方法之间的有限容积法。 这一类问题的应用实例有车辆外形对行驶阻力的影响的分析、对发动机冷却系统的分析等。 对产品的结构、工艺参数、结构形状参数进行分析与优化，可在产品设计初期对其刚度和强度有充分的认识，使产品在设计过程就可保证使用要求，缩短设 计试验周期，节省试验和生产费用。 它在汽车产品开发中应用使得汽车在轻量化、舒适性、经济性与操纵稳定性等方面得到改善及提高。 研究汽车万向传动轴的目的和意义 研究汽车万向传动轴的目的 中国汽车工业的迅猛发展，车型的多样化、个性化已经成为发展趋势。 我国汽车业的高速发展，带动我国汽车传动轴需求持续大幅增长。 汽车传动轴市场潜在需求与潜在机会，整个产业规模具有非常大的扩展空间，单个企业规模也会越来越大。 在这样的一个背景下，中国汽车传动轴发展前景一片光明。 万向节传动应适应所联两轴的夹角及相对位置在一定范 围内的不断变化且能可靠而稳定地传递动力，保证所联两轴能等速旋转，且由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动及噪声应在允许范围内，在使用车速范围内不应产生共振现象。 此外，万向节传动还要求传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易。 而传动轴及万向节的设计装配不良将产生振动和噪声，因此该总成设计是汽车设计中重要的环节之一。 本题是依据现有生产企业在生产车型的万向传动装置作为设计原型，在给定变速器输出转矩、转速及发动机和主减速器安装位置等条件下，学生独立设计出符合要求的万向传动装置，着重设计计算万向节的结构参数 及对其进行了校核计算。 在对各种结构件进行了分析计算后，绘制出该总成装配图及主要零件的零件图。 研究汽车传动轴的意义 本课题使用 CAD、 Pro/E、 ANSYS 技术对万向传动装置进行设计，实现了设计与制造的一体化，具有明显的优越性。 在缩短了设计周期的同时，实现了标准化，通用化，系列化，提高了加工效率及加工质量，有利于提高企业自身应变能力和市场竞争力，给企业带来综合效率。 通过 HGC1050 万向传动装置的设计，能够使我熟练地掌握 CAD、Pro/E、 ANSYS 在生产实践中的应用，锻炼自己分析问题解决问题的能 力。 汽车万向传 4 动装置正广泛应用于各种车辆上，使汽车传动性能显著提高，因此，对此课题的研究具有十分重要的意义。 万向传动轴的结构特点及基本要求 万向传动轴一般是由万向节、传动轴和中间支撑组成。 主要用于工作过程中相对位置不断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。 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。 一般万向节由十字轴、十字轴承、凸缘叉及轴向定位件和橡胶密封件等组成。 传动轴是一个高转速、少支承的旋转体，因断改变的两根轴间 传递转矩和旋转运动。 重型载货汽车根据驱动形式的不同选择不同型式的传动轴。 一般来讲 4 2 驱动形式的汽车仅有一根主传动轴。 6 4 驱动形式的汽车有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴。 6 6 驱动形式的汽车不仅有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴，而且还有前桥驱动传动轴。 在长轴距车辆的中间传动轴一般设有传动轴中间 支承．它是由支承架、轴承和橡胶支承组成。 传动轴是由轴管、伸缩套和万向此它的动平衡是至关重要的。 一般传动轴在出厂前都要进行动平衡试验，并在平衡机上进行了调整。 因 此，一组传动轴是配套出厂的，在使用中就应特别 注意。 其基本结构如图 所示 图 万向传动装置的工作原理及功用 图 变速器与驱动桥之间的万向传动装置 5 基本要求： ，能可靠而稳定地传递动力。 ，所连接两轴尽可能等速运转。 、振动和噪声应在允许范围内，在使用车速范围内不应产生共振现象。 ，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。 万向传动装置有极其广泛的应用，发动机前置后轮或全轮驱动汽车行驶时，由 于悬架不断变形，变速器或分动器的输出轴与驱动桥输入轴轴线之间的相对位置经常变化，因而普遍采用可伸缩的十字轴万向传动轴；某些汽车根据总布置要求需将离合器与变速器、变速器与分动器之间拉开一端距离，考虑到它们之间很难保证轴与轴同心及车架的变形，所以常采用十字轴万向传动轴或挠性万向传动轴；对于转向驱动桥，左、右驱动轮 需要随汽车行驶轨迹变化而改变方向，这时多采用等速万向传动轴。 如图 所示 图 万向节在汽车上的各种应用 本 课题 研究的主要内容 依据现有生产企业在生产车型的万向传动装置作为设计原型， 在给定变速器输出 6 转矩、转速及发动机和主减速器安装位置等条件下，独立设计出符合要求的万向传动装置，着重设计计算万向节的结构参数及对其进行了校核计算。 对汽车万向传动轴的运动特性，技术难题，制造工艺，使用寿命影响因素，失效形式，进行深入系统的分析。 在设计过程中避免振动，传动动轴断裂，十字轴折断，及滚针轴承过早损坏等问题。 运用传统设计方法完成对传动轴的计算校核，传动轴滑动花键的设计计算。 万向节叉及十字轴的计算校核。 利用相关书籍资料完成对十字轴 的设计及校核，传动轴滑动花键和万向节的润滑方案的选择与设计。 7 第 2 章 汽车传动轴的结构 方案分析与选择 汽车传动轴的结构方案概述 万向节与传动轴的结构型式 汽车后驱动桥的万向节传动装置通常称为汽车的万向传动轴或简称为传动轴，它由万向节、轴管及其伸缩花键等组成。 对于长轴距汽车的分段传动轴，还需有中间支承。 如 图 传动轴管、伸缩花键及中间支承 结构型式 传动轴管由壁厚均匀易平衡、壁薄 (～ )、管径较大、扭转强度高、弯曲刚度大、适于高速旋转的低碳钢板卷制的电焊钢管制成 如图 所示。 图 汽车传动轴的结构图 (a)带有中间支承并有两根轴管的分段传动轴 ； (b)具有一根轴管的传动轴 1— 万向节； 2— 传动轴管； 3— 平衡片； 4— 伸缩轴管； 5— 防尘罩； 6— 十字轴； 7— 中间支承 8 伸缩花键具有矩形或渐开线齿形，用于补偿由于汽车运动时传动轴两端万向节之间的长度变化。 当承受转矩的花键在伸缩时，产生轴向摩擦力为 aF。 RTfF ja= () 式中 ： jT — 传动轴所传递的转矩； R — 花键齿侧工作表面的中径； f — 摩擦系数。 由于花键齿侧工作表面面积较小，在大的轴向摩擦力作用下将加速伸缩花键的磨损，引起不平衡及振动。 应提高键齿表面硬度及光 洁度，进行磷化处理、喷涂尼龙，改善润滑。 可减小摩擦阻力及磨损。 也有用滚珠或滚柱的滚动摩擦代替花键齿间的滑动摩擦的结构 如 图。 图 带有滚柱的汽车传动轴 1— 滚柱； 2— 带有滚柱内滚道的传动轴管； 3— 带有滚柱外滚道的轴管 花键应有可靠的润滑及防尘措施，间隙不宜 过大，以免引起传动轴振动。 内、外花键应对中，为减小键齿摩擦表面间 的压力及磨损应使键齿长 jl 与其最大直径 jd 之比不小于 2。 花键齿与键槽应按对应标记装配 ，以免破坏传动轴总成的动平衡。 动平衡的不平衡度由点焊在轴管外表面上的平衡片补偿。 装车时传动轴的仲缩花键一端不应靠近后驱动桥，而应靠近变速器或中间 支承，以减小其轴向摩擦力及磨损。 中间支承用于长轴距汽车的分段传动轴，以提高传动轴的临界转速，避免共 振，减小噪 声。 它安装在车架横梁或车身底架上，应能补偿传动轴的安装误差及适应行驶中由于弹性悬置的发动机的窜动和车架变形引起的位移，而其轴承应不受或少受由此产生的附加载荷。 以前中间支承多采用自位轴承，目前则广泛采用坐于橡胶弹性元件上的单列球轴承 如 图 ，图。 橡胶弹性 元件能吸收传动轴的振动，降低噪声，承受径向力，但不能承受轴向力。 设计时应合理选择支承刚度，避免在传动轴常用转速内产生共振。 摆臂式中间支承的摆臂用于适应中间传动轴轴线在纵向平面内的位置变化 如图。 9 6 6 越野汽车传动轴的中间 支承常安装在中驱动桥壳上 ,多采用两个圆锥滚子轴承，轴承座应牢固地固定在中桥壳上 如图 所示。 图 汽车传动轴的中间支承 (a)传动轴及其中间支承； (b)(e)中间 支承方案 1 一挠性万向节； 4 一前、后传动轴； 3 一弹性中间支承； 5 一平衡片； 6 一橡胶套； 7 一横梁 图 摆臂式中间支承 10 圈 越野汽车传动轴的中间支承 万向节。