[交通运输]东风小型货车万向传动设计(指南)

[交通运输]东风小型货车万向传动(指南) I I 摘 要 本毕业设计的任务是对东风小型货车进行万向传动轴的设计、研究。在指 导老师的细心指导下通过对汽车万向传动装置的了解进一步进行万向传动轴的设 计。通过实际的市场调查和客观的实际观察全面了解万向传动轴的结构充分了解到 万向传动装置的工作原理与意义及其在汽车行驶中的重要作用。在汽车的正常工作 中是一个必不缺少的部件也是一个不可替代的关键部件。对于万向传动轴的研究有 很大的发展空间具有相当大的研究意义。在充分与指导老师讨论、研究后故选此课 题。 在进行设计任务时了万向传动装置类型的根据题目所的原始数据要求 确定了所选用万向传动轴的种类。在初定各个部件的相关尺寸后根据要求进行了校 核确定了所设计部件的尺寸和参数并选择了零部件的材料。 关键词万向节传动轴强 度轴承校核 II Abstract This graduation task is on the dongfei trucks for universal design the transmission shaft. In the instructors careful guidance through the automotive universal drive unit further universal design of the drive shaft. Through actual market research and objective observations a comprehensive understanding of the structure of universal drive shaft to fully understand the universal drive unit works and significance and its vehicle. In the cars work is a not missing parts is a key part. For the study of universal drive shaft have a high potential for growth with considerable significance. In fully and instructor to discuss study this issue. The design task analyzed the universal transmission device type under the title the required raw data requirements decide to choose the kind of universal drive shaft. In various parts of the associated YTC sizes depending on the requirements for the check determine the design part of dimensions and parameters and you selected parts of the material. Key words: Universal joint Transmission shaft Strength Bearing Check III 目 录 前 言 .....................................................................................................................................1 1 东风小型货车原始数据及设计要求 .............................................................................2 2 万向传动轴的结构特点及基本要 求 .................................................................................3 3 万向传动轴结构方案的分 析 .............................................................................................5 3.1 基本组成的选 择......................................................................................................5 3.2 万向传动轴的计 算载荷 ..........................................................................................7 4 万向传动的运动和 受力分析 .............................................................................................8 4.1 单十字万向 节传动 ..................................................................................................8 4.1.1运动分 析 .......................................................................................................8 4.1.2 附加弯曲力 偶矩的分析 ........................................................................... 10 4.2 双十字轴万向节传 动 ............................................................................................ 12 5 万向传动轴的选 择 .......................................................................................................... 13 5.1 传动轴管 的选择.................................................................................................... 13 5.2 伸缩花键 的选择.................................................................................................... 13 6 传动轴的计 算与强度校核 ............................................................................................... 14 6.1 传动 轴的临界转速 ................................................................................................ 14 6.2 传动 轴计算转矩.................................................................................................... 15 6.3 传动 轴长度选择.................................................................................................... 15 6.4 传动 轴管内外径确定 ............................................................................................ 15 6.5 传动 轴扭矩强度校核 ............................................................................................ 16 7 十字轴总成尺寸的确定与强度校核 ............................................................................... 17 7.1 十字轴万向节尺寸的确定与强度校核 ................................................................. 18 7.2 传动轴的花键 ....................................................................................................... 20 7.3 十字万向节的轴承 ................................................................................................ 21 结 论 ................................................................................................................................. 24 8.1 结论 ....................................................................................................................... 24 8.2 展望 ....................................................................................................................... 24 致 谢 ................................................................................................................................. 25 参考文 献 ............................................................................................................................. 26 1 前 言 本文所设计的是微型货车的万向传动装置。万向传动装置在汽车上有很多应用结构也稍有不同但其功用都是一样的即在轴线相交且相互位置经常发生变化的两转轴之间传递动力。与其它的齿轮传动、带传动、链传动机构相比万向节传动机构有着独特的、其它机构不能代替的优点当需要将一根轴上的扭矩或传动以较大的轴间夹角传到相距较远、且角度可能变化的另一根轴时往往只能选择万向节传动机构来实现。其作用在航空航天、机床、机械、尤其是汽车领域非常重要。随着汽车工业100多年的发展历史万向传动轴的设计形式也得到了很快的发展。 目前常用的万向节大体可以分为四类十字轴式刚性万向节、准等速万向节、等速万向节、挠性万向节。在东风小型货车中由于十字轴式刚性万向传动轴具有其不可忽视的优点所以在此次设计任务中选用十字轴式刚性万向传动轴。 本文介绍了东风小型货车的万向传动装置的结构和工作原理及相关参数的确定。全文的中心内容共分为七章第一章为东风小型货车汽车原始数据及设计要求第二章为万向传动轴的结构特点及基本要求第三章为万向传动轴结构方案的分析第四章为万向传动的运动和受力分析第五章为万向传动轴的选择第六章为传动轴的计算与强度校核第七章为十字轴总成尺寸的确定与强度校核。 在原始数据确定的前提下设计所要完成的任务有查找、收集相关资料进一步确定万向传动装置的基本尺寸的选取、材料选择、加工精度、热处理方法和传动过程中的接触应力等工作其中传动过程中零件内部的接触应力最为关键在此文中着重做到了应力校核这一步。最后的工作是工程制图实实在在地手工制图发现了一些知识点的死角都进行一定程度的纠正验证了许多以前只有在本上学的知识点。 通过此次课程设计的亲身体验极大地增长了见识拓展了视野提高了亲身动手的能力对毕业以后参加工作奠定了坚实的基础。 2 1 东风小型货车原始数据及设计要求 驱动桥是汽车传动系统中最末端总成。驱动桥的基本功用首先是增扭、降速改变转矩的传递方向即增大由传动轴或直接从变速器传来的转矩并将转矩合理地分配给左、右驱动车轮其次驱动桥还要承受作用于路面和车架或车身之间的垂直力、纵向力和横向力以及制动力矩和反作用力矩等。 驱动桥由主减速器、差速器、半轴、万向节、驱动车轮和桥壳等组成。 原始数据 表1-1 主要参数 Tab.1.1 The main parameter 额定载荷 kg 最大总质量 kg 最高车速 km/h 最大扭矩 N? m/r/min 额定功率 kw/r/min 800 1500 120 59/3500 29.4/6000 TJ1010微型货车的一些初定基本参数 汽车的总长3500mm 总宽1500mm 总高1800mm 货箱的内部尺寸长2000mm 宽1550mm 高270mm 轴距1900mm 轮距前轮1100mm 后轮1100mm 整车整备质量 950kg 前轴510kg55 后轴400kg45 最大总质量前轴680kg40 后轴880kg60 设埔设计微型货车的万向传动装置进行万向传动的运动和受力分析确定万向传动装置的基本组件的尺寸进行弯、扭矩的强度校核画图。 3 2 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。其广泛应用在汽车上如下图 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。其基本结构如下图 图2-1 万向传动装置的工作原理及功用 Fig.2.1 The work theory and function of Universal drive shaft 4 图2-2 变速器与驱动桥之间的万向传动装置 Fig.2.1 Universal drive shaft of Transmission and Drive bridge 基本要求 1.保证所连接的两根轴的夹角及相对位置在一定范围内变动时能可靠而稳定地传递动力。 2.保证传动尽可能同步所连接两轴尽可能等速运转。 3.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在使用车速范围内不应产生共振现象。 4.传动效率高使用寿命长结构简单制造方便维修容易等。 另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。如下图 5 图2-3 万向节在汽车上的各种应用 Fig.2.3 All kinds of apply of Cardan in cars 3 万向传动轴结构方案的分析 3.1 基本组成的选择 通过参考我国微型货车的基本设计参数选定东风小型货车为前置后驱的布置形式平头驾驶室。因其用途一般则轴数根据其特点确定为两轴驱动形式4х2后轮驱动。此种布置的优点有1.容易发现发动机的故障维修方便离合器、变速器等操作机构简单容易布置货厢地板低平2.汽车总长和轴距尺寸短最小转弯直径小机动性能良好不需要发动机罩和翼子板加上总长缩短等因素的影响汽车整备质量减小驾驶员的视野得到明显改善采用翻转式驾驶室是能改善发动机及其附件的接近性汽车面积利用率高。 由于东风小型货车的轴距不算太长根据初选为1800mm且载重量不超过2t所以不选中间支撑只选用一根主传动轴设计此发动机形式为前置后驱由于悬架不断6 变形变速器或分动器输出轴轴线之间的相对位置经常变化根据货车的总体布置要求将离合器与变速器、变速器与分动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。 在普通汽车传动装置中因十字轴式刚性万向节结构简单、传动可靠等优点而得到了广泛应用。十字轴式刚性万向节结构简单、强度高、耐久性好生产性高生产成本较低且传动可靠效率较高目前允许两传动轴之间的交角一般为15?20?在连接角较小时大都使用这种万向节。 十字轴式刚性万向节结构如图 图3-1 十字轴式刚性万向节 Fig.3.1 The cardan of universal joint pin 在东风小型货车设计中选定为十字轴式万向传动装置即采用单节式万向传动轴其两端用普通万向节分别与变速器和驱动桥连接。装配时要满足 1. 传动轴两端的万向节叉在同一平面内 2. 输入轴、输出轴与传 动轴的夹角相等即。 如下图 7 图3-2 输入轴与输出轴的夹角 Fig.3.2 The included angle of input axle and export axle 保证满载时实现等速传动。 综上可确定东风小型货车的万向传动装置设计为两个十字轴式万向节和一个传动轴。此时的传动轴不分段无需加中间支撑。 3.2 万向传动轴的计算载荷 该设计万向传动装置用于变速器与驱动桥之间则按发动机最大转矩和1挡传动比来确定即 3.1 其中 为发动机的最大转矩59N?M n 为驱动桥的数目 n1 为变速器1挡传动比 3.996由变速器设计知 8 为发动机到万向传动轴的传动效率 90 K 为液力变矩器的变矩系数 k1 为猛接离合器所产生的动载系数 即对于性能系数的汽车一般货车、矿用汽车和越野车 代入数据计算得 322 N?m 4 万向传动的运动和受力分析 4.1 单十字万向节传动 4.1.1运动分析 如下图4-1所示设主动叉由初始位置转过角从动叉相应转过角 9 图4-1 万向节的运动分析 Fig.4.1 The motion analysis of cardan 1-主动叉 2-从动叉 3-十字轴 由机械原理分析可以得出如下关系式 4.1 当十字轴万向节的主动轴与从动轴存在一定夹角时主动轴角速度与从动轴的角速度之间存在如下的关系 4.2 由于是周期为2的周期函数所以也为同周期函数。当为0、、时达到最大值且为当为、时有最小值且10 为。因此主动轴以等角速度转动时从动轴时快时慢即为普通十字轴万向节传动的不等速性。 十字轴万向节传动的不等速性可用转速不均匀系数k来表示 k 4.3 如不计万向节的摩擦损失主动轴转矩和从动轴转矩与各自相应的角速度有关系式 因此可得 4.4 4.1.2 附加弯曲力偶矩的分析 具有夹角的十字轴万向节仅在主动轴驱动转矩和从动轴反作用下是不能平衡的。从万向节叉与十字轴之间的约束关系分析可知主动叉对十字轴的作用力偶矩除主动轴驱动转矩之外还有作用在主动叉平面的弯曲力偶矩。同理从动叉对十字轴也作用有从动轴反转矩和作用在从动叉平面的弯曲力偶矩。在这四个力矩作用下使十字轴万向节得以平衡。 当主动叉处于0和位置时由于作用在十字轴平面必为零而的作用平面与十字轴不共平面必有存在且矢量垂直于矢量合矢量指向十字轴平面的法线方向与大小相等、方向相反。这样从动叉上的附加弯矩 。 当主动叉处于和位置时同理可知0主动叉上的附加弯矩。 分析可知附加弯矩的大小是在零与上述两最大值之间变化其变化周期为即每一圈变化两次。附加弯矩可引起与万向节相连零部件的弯曲振动可在万向节主、从动轴11 支承上引起周期性变化的径向载荷从而激起支承处的振动。因此为了控制附加弯矩应避免两轴之间的夹角过大。位置如下图示4-2 4-3 图4-2 十字万向节的力偶矩主动叉处于0和位置 Fig.4.2 The moment of The cross cardan 图4-3 十字万向节的力偶矩主动叉处于和位置 12 Fig.4.2 The moment of The cross cardan 4.2 双十字轴万向节传动 当输入轴与输出轴之间存在夹角 时单个十字轴万向节的输出轴相对于输入轴时不等速旋转的。为了使处于同一平面的输出轴与输入 轴等速旋转可采用双万向节传动但必须保证同传动轴相连的两万向节应布置在同一平面内且使两万向节夹角与相等。 当输入轴与输出轴平行时见图4-4直接连接传动轴的两万向节叉所受的附加弯矩使传动轴发生如图4-4中双点划线所示的弹性弯曲从而引起传动轴的弯曲振动。 当输入轴与输出轴相对时见图4-4传动轴两端万向节叉上所受的附加弯矩方向相同不能彼此平衡传动轴发生如图4-4所示中双点划线所示的弹性弯曲 图4-4 附加弯矩对传动轴的作用 Fig.4.4 The effect of The additional bending moment to drive axle 输入轴与输出轴平行 输入轴与输出轴相交 传动轴发生弹性弯曲 相交时传动轴发生弹性弯曲 附表 表4-1 十字轴万向节的允许范围 Tab.4.1 The limits of The cross cardan 13 万向节安装位置或相联两总成 夹角不大于 离合器与变速器变速器与分动器相联总成均装在车架上 13 驱动桥 传动轴 汽车满载 静止时 一般汽车 6 越野汽车 12 行驶中 极限夹角 一般汽车 1520 短轴距越野汽车 30 5 万向传动轴的选择 5.1 传动轴管的选择 传动轴的长度和夹角及它们的变化范围由汽车总布置设计决定。设计时应保证在传动轴长度处在最大值时花键套与花键轴有足够的配合长度而在长度处于最小时两者不顶死。传动轴夹角大小会影响万向节十字轴和滚针轴承的寿命、万向传动效率和十字轴的不均匀性。变化范围为3。 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1.53.0mm、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。 5.2 伸缩花键的选择 选择矩形花键用于补偿由于汽车行驶时传动轴两端万向节之间的长度变化。为减小阻力及磨损对花键齿磷化处理或喷涂尼龙外层设有防尘罩间隙小一些以免引起传动轴的震动。花键齿与键槽按对应标记装配以保持传动轴总成的动平衡。动平衡的不平衡度由电焊在轴管外的平衡片补偿。装车时传动轴的伸缩花键一端应靠近变速14 器减小其轴向阻力和磨损。其结构图如下: 图 5-1 万向传动轴—花键轴结构简图 Fig.5.1 Universal dr.