万向传动轴设计说明书.doc

中型货车传动系总体方案设计及万向传动轴的设计
摘要
关键词

目 录
1 概述…………………………………………………………………02
1.1 结构方案选择……………………………………………………03
1.2 计算传动轴载荷…………………………………………………04
1.3 十字轴万向节设计………………………………………………05
1.4传动轴的计算与强度校核………………………………………08
1.4.1传动轴………………………………………………………08
1.4.2花键轴………………………………………………………09
1.5 参考文献…………………………………………………………10

1. 概述
万向传动轴一般是由万向节、传动轴和中间支承组成。主要用于在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。 万向传动轴设计应满足如下基本要求：
1. 保证所连接的两根轴相对位置在预计范围内变动时，能可靠地传递动力。
2. 保证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。
4. 传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。
变速器或分动器输出轴与驱动桥输入轴之间普遍采用十字轴万向传动轴。在转向驱动桥中，多采用等速万向传动轴。当后驱动桥为独立的弹性，采用万向传动轴。
原始条件：
车型 中型货车
驱动形式 FR4×2
发动机位置 前置、纵置
最高车速 Umax=90km/h
最大爬坡度 imax≥28%
汽车总质量 ma=9290kg
满载时前轴负荷率 25.4%
外形尺寸 总长La×总宽Ba×总高Ha=6910×2470×2455mm3
轴距 L=3950mm
前轮距 B1=1810mm
后轮距 B2=1800mm
迎风面积 A≈B1×Ha
空气阻力系数 CD=0.9
轮胎规格 9.00—20或9.0R20
离合器 单片干式摩擦离合器
变速器 中间轴式、五挡
1.1 结构方案选择
本设计所选车型为中型货车，轴距为3950mm，所以传动轴选中主传动轴与中间传动轴两段轴，避免由于传动轴过长时固有频率会降低而产生共振，并加设中间支承。考虑到轴与轴同心以及车架变形，采用十字轴式万向传动轴，为避免运动干涉，在传动轴中设有有滑动叉和花键轴组成的伸缩节。

中间支承万向传动轴
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：
1. 组成：由主动叉、从动叉、十字轴、滚针轴承、轴向定位件和橡胶密封件；
2. 特点：结构简单、强度高、耐久性好、传动效率高、成本低，但夹角不宜过大；
3.轴向定位方式：盖板式，卡环式，瓦盖固定式，塑料环定位式；
4. 润滑与密封：双刃口复合油封，多刃口油封。

1.2计算传动轴载荷

发动机最大转矩:

驱动桥数n=1，
发动机到万向传动轴之间的传动效率η=0.9，
猛接离合器所产生的动载系数：

=0; 所以=1，
液力变矩器变矩系数k={(k0 -1）/2}+1=1,
变速器一挡传动比=7.31,
分动器传动比=1
满载状态下一个驱动桥上的静载荷G1=（1-25.4%）mag=67917.3N，
发动机最大加速度的前轴转移系数=1.2，
轮胎与路面间的附着系数φ=0.85，
车轮滚动半径rr=0.48,
主减速比i0=6.33
主减速器从动齿轮到车轮之间传动比im=4.5,
主减速器主动齿轮到车轮之间传动效率ηm=0.9
所以：

∵T1=min{ Tse1, Tss1} ∴T1=
1.3 十字轴万向节设计
确定十字轴尺寸：
查阅汽车设计等资料，结合其他汽车的十字轴万向节尺寸，选定下面的十字轴参数。

确定滚针轴承尺寸：

根据已知条件选取滚针轴承WN2532T。
① 作用于十字轴轴颈中点的力为F，则

α为万向传动轴的最大夹角 ，
F= 17049.16N
② 十字轴轴颈根部的弯曲应力σw和切应力τ应满足
σw=≤[σw]
τ=≤[τ]

合力F作用线到轴颈根部的距离s=13.5mm，
[σw]为弯曲力的许用值，为250-350Mpa，
[τ]为切应力的许用值，为80-120 Mpa
∴ σw=151.71 Mpa<[σw]
τ=38.71Mpa<[τ]
故十字轴轴颈根部的弯曲应力和切应力满足校核条件
③ 十字轴滚针的接触应力应满足：
σj=272≤[σj]
式中，
滚针直径d0=3mm，
滚针工作长度Lb=L-(0.15~1.00)，L为滚针工作长度，取Lb为20.3mm，
在合力F作用下一个滚针所受的最大载荷Fn=：
i为滚针列数，取一列；Z为每列中的滚针数，近似计算取为28，
=2800.93N,
所以 σj=1952.18 Mpa
当滚针和十字轴轴颈表面硬度在58HRC以上时，许用接触应力为30003200MPa 。
即： σj<[σj]
故十字轴滚针轴承的接触应力校核满足。
④ 万向节叉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σw和扭应力τb应满足
σw=Fe/W≤[σw]
τb=Fa/Wt≤[τb]
查表，取k=0.246,
W=bh26；Wt=khb2,
所以W=292008 ；=5986.2
弯曲应力的许用值[σw]为50-80Mpa，扭应力的许用值[τb]为80-160 Mpa
∴σw= 2.57Mpa< [σw]
τb= 68.35Mpa<[τb]
故万向节叉承受弯曲和扭转载荷校核满足要求。
⑤ 十字轴万向节的传动效率与两轴的轴间夹角α，十字轴的支承结构和材料，加工和装配精度以及润滑条件等有关。当α≤25°时，可按下式计算（α=18°）

f为轴颈与万向节叉的摩擦因数，滚针轴承f=0.05~0.10，取f=0.09，
=98.14%
通常情况下，十字轴万向节传动效率约为97%~99%。

1.4传动轴的计算与强度校核
1.4.1传动轴
①传动轴的临界转速为
nk=1.2×108
在设计传动轴时，取安全系数K= 1.5
K= nk/nmax==1.5，
=3000r/min,
=4500r/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=3950mm,初选传动轴支承长度为（15503.5）mm，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（5002.0）mm。
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（1.5～3.0mm）、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。
=8116.9
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 =66mm，则 =61.3mm，圆整后=61mm。
②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τc=≤[τc]
式中[τc]=300 Mpa
=1297.1
τc=85.05 Mpa<[τc]
轴管的扭转应力校核符合要求.
1.4.2花键轴
① 对于传动轴上的花键轴，通常以底径计算其扭转应力τh，许用应力一般按安全系数2~3确定。
τh =
为花键内径，
取安全系数为2.25，
= 37.8MPa
37.8MPa
55.9mm
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=56mm，花键外径 =62mm，键齿宽B=10mm，花键齿数 =8，花键有效工作长度 =140mm
② 传动轴花键的齿侧挤压应力σy应满足
≤[σy]
式中,取花键转矩分布不均匀系数K’=1.35,
当花键的齿面硬度大于35HRC时：许用挤压应力[σy]=25-50 Mpa
∴σy=17.67MPa <[σy]
∴传动轴花键的齿侧挤压应力σy满足要求

1.5 参考文献：
[1] 王望予.汽车设计.北京：机械工业出版社，2004.8
[2] 纪名刚.机械设计.北京：高等教育出版社，2006.5
[3] 刘鸿文.材料力学.北京：高等教育出版社，2004.1
[4] 羊拯民.传动轴和万向节. 北京：人民交通出版社，1986，10