傳動軸總成及零件設(shè)計

1、傳動軸總成及零件設(shè)計一、設(shè)計目標：1、產(chǎn)品的安全性：保證所設(shè)計的產(chǎn)品對使用者及車輛是安全的、可靠的。即在傳動軸整個使用壽命周期內(nèi)，不發(fā)生斷裂、脫落等可導(dǎo)致人體或車輛傷害的故障。2、用戶滿意的性能：a,傳遞扭矩的能力。b,運動范圍：轉(zhuǎn)速、萬向節(jié)擺角、長度伸縮量、回轉(zhuǎn)空間。c,用戶滿意的使用壽命：一般要求十字軸及滾針軸承壽命十萬公里以上、滑動花鍵及叉子等其他主要零件，二十萬公里以上。國外先進廠家已達到整個總成使用壽命三十萬公里以上。d,便于使用保養(yǎng)，連接方式便于裝拆，密封、潤滑可靠，使用成本低。e,制造成本低，性價比高。3、滿足一般設(shè)計要求：標準化、系統(tǒng)化、通用化。對于設(shè)計者耒說，保證產(chǎn)品的安全性

2、是頭等重要的，設(shè)計不允許存在安全隱患。用戶需要的必要性能也應(yīng)充分滿足。二、失效模式和安全性：傳動軸可能發(fā)生斷裂、脫落、扭曲、磨損等失效，有些失效方式可危及人體及車輛安全，如斷裂、脫落；有些失效方式不會危及人體和事輛，如花鍵磨損、十字軸磨損。我們設(shè)計的傳動軸應(yīng)不發(fā)生危及人體及事輛安全的故障。因此，傳動軸總成及零件的設(shè)計失效模式，應(yīng)該是：萬向節(jié)或花鍵付磨損達到限值而失效。在使用期內(nèi)不允許發(fā)生沖擊斷裂、疲勞斷裂等一類故障。即使在非常規(guī)沖擊下，也只允許軸管扭曲，其他零件不應(yīng)斷裂。根據(jù)設(shè)計失效模式，提出一個傳動軸強度設(shè)計原則-按疲勞強度設(shè)計，即零件危險臾應(yīng)力值應(yīng)小于疲勞強度，并且按屈服強度計標的安全系數(shù)

3、應(yīng)不小于離合器后備系數(shù)。但是，零件疲勞強度是一個受材料、熱處理、零件結(jié)構(gòu)、零件表面狀態(tài)等多個因素影響的復(fù)雜問題，很難具體確定它的數(shù)值。經(jīng)過傳動軸專業(yè)人員在設(shè)計、使用、改進傳動軸中的長期積累，形成了一套傳動軸零件強度設(shè)計的安全系數(shù)，或應(yīng)力限值的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可供設(shè)計時參考。最終還是要通過試驗驗證，證明已達到要求的疲勞壽命才能定型。必須強調(diào)說明，不同噸位、不同用途的汽事傳動軸，安全系數(shù)或應(yīng)力限值是不同的。所以，最好的辦法是把設(shè)計的傳動軸零件應(yīng)力值，與公認是成功的同類型、相同用途的傳動軸零件應(yīng)力值作比較，使處于同一應(yīng)力水平上。同樣，定型也必須通過試驗驗證，確保達到要求的疲勞壽命。三、總成及主要零件的設(shè)計

4、計標：傳動軸的設(shè)計計標，應(yīng)采用汽事設(shè)計中介紹的公式，這是傳動軸行業(yè)通用的，只有采用相同的計標公式，其結(jié)果才具有可比性。不要用一般機械設(shè)計手冊中介紹的公式。1、總成臨界轉(zhuǎn)速：N=0.12*10A9*(DA2+dA2)A1/2)/LA2其中：D:軸管外徑；d:軸管內(nèi)徑；L:兩萬向節(jié)中心距。安全系數(shù)：卜=臨界轉(zhuǎn)速N/傳動軸最高工作轉(zhuǎn)速nk1.5只有制造精度高，動平衡精度高的傳動軸，才允許采用低的安全系數(shù)。臨界轉(zhuǎn)速安全系數(shù)過小，可引發(fā)災(zāi)難性事故，務(wù)必謹慎。在上述公式中，將傳動軸簡化為軸管進行臨界轉(zhuǎn)速的計標，存在誤差。經(jīng)過激振法測試傳動軸臨界轉(zhuǎn)速驗證，證明公式計標出耒的數(shù)值偏大。用旋轉(zhuǎn)法測量包含了傳動軸

5、的幾何位置偏差，更符合實際，其數(shù)值可能比激振法測得的還要小一些。在使用過程中，由于磨損間隙增大，臨界轉(zhuǎn)速會變小。過小的臨界轉(zhuǎn)速安全系數(shù)，不能保證傳動軸平穩(wěn)工作。2、十字軸：a)危險截面彎曲應(yīng)力：b=32D*p*h/(兀(DA4-dA4)其中：D:十字軸軸徑；P=M最大/2R:軸頸上作用力；h:作用力到危險截面距離；d:軸頸內(nèi)油孔直徑；R:十字軸作用力半徑；兀：圓周率。其數(shù)值大小決定十字軸的疲勞斷裂壽命。應(yīng)使十字軸的疲勞壽命大于使用壽命，保證安全性。危險截面彎曲應(yīng)力許用值，輕中型汽車十字軸，小于等于350Par;重型小于等于300Par;超重型小于等于250Par;特重型小于等于200Par。b

6、)滾針與軸頸的擠壓應(yīng)力：b=272(1/D+1/d針)*4.6P/(i針*L針)人1/2其中：D：十字軸軸徑；d針：滾針軸徑；P:十字軸軸頸上作用力；i針：滾針根數(shù)；L針：滇針有效長度。擠壓應(yīng)力決定十字軸表面的接觸疲勞。應(yīng)力太高會產(chǎn)生早期壓痕及錄U落，引起接觸疲勞而過早失效。耳孔同軸度，軸承支承剛度等都能影響應(yīng)力分布的均勻性，對接觸疲勞影響很大。帶凸度的滾針軸承可以減少耳孔同軸度、耳孔受載荷變形的敏感性，改善應(yīng)力分布，顯著提高萬向節(jié)使用壽命。3、滑動花鍵軸：a)花鍵軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：T=16M最大*10A3/(兀*dA3)其中：兀：圓周率；d:花鍵齒根圓直徑。它決定花鍵軸的扭轉(zhuǎn)疲勞壽命，其應(yīng)力值應(yīng)小

7、于它的扭轉(zhuǎn)疲勞強度，保證安全性。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力允許值小于等于240Par,安全系數(shù)2左右。b)花鍵擠壓應(yīng)力：b=8M最大*10A3/(D|A2-D2A2)i*L)其中：Dl:外花鍵大徑；D2:內(nèi)花鍵小徑；i:花鍵齒數(shù)；L:花鍵嚙合長度。它對花鍵磨合影響較大。應(yīng)力太大引起拉毛擦傷等早期故障，使用壽命顯著降低?；ㄦI磨合性能還和花鍵表面粗糙度、硬度金相是否匹配、潤滑是否充分、密封是否可靠有關(guān)。擠壓應(yīng)力是一個基本條件。許用值應(yīng)小于等于20Par。有些資料介紹十字軸軸頸及花鍵的平均使用壓力計算，作為使用壽命的一個基本條件。在計算中使用了傳動軸平均使用扭矩的概念。由于使用壽命影響因素很多，計算的意義不大。4、軸

8、管：扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：T=l6M最大*D*10A3/(兀。人4(人4)其中：D：軸管外徑；d:軸管內(nèi)徑；兀：圓周率。它決定了軸管受沖擊扭矩的能力和扭轉(zhuǎn)疲勞壽命，應(yīng)使應(yīng)力值小于扭轉(zhuǎn)疲勞強度值，并且能承受離合器的打滑扭矩而無扭曲變形。一般許用值為100par。5、叉子的強度計標比較復(fù)雜，其危險截面一般受彎、扭、拉壓的復(fù)合作用，而且結(jié)構(gòu)形狀變化大，局部應(yīng)力集中不可避免。 借助電腦進行有限元分析， 控制高應(yīng)力臾的應(yīng)力值在疲勞強度以下， 就可以保證零件的安全性。一般調(diào)質(zhì)鋼叉子，疲勞強度為300Par左右。6、突緣連接螺栓：a)螺栓與孔有較大間隙：依靠螺栓拉力使突緣面緊密貼合，可產(chǎn)生的摩擦力矩，就是它能傳遞的最大

9、扭矩。傳遞M最大所需要的螺栓拉力P=2M最大*10A3/(D*f*n)其中：D：螺栓孔分布圓直徑；n：螺栓數(shù)；f:摩擦系數(shù)，干的鋼表面約為0.14至0.20。螺栓強度條件：P=(ddA2)/4*b其中：兀：圓周率；d:螺紋底徑；b:螺栓許用拉應(yīng)力，不同強度等級的螺栓是不同的。產(chǎn)生上述螺栓拉力所需的擰緊力矩M=P*d中/2*tg(a+p)其中：d中：螺紋中徑；a：螺紋平土!升角；p：螺栓付摩擦角，等于arctg(f/cos(e/2),e為螺紋角；P:單個螺栓所受拉力。b）配合螺栓：無間隙或小間隙配合，螺栓受剪切來傳遞扭矩。傳遞M最大時螺栓所受的切向力T=2M最大*10A3/（D*k*n）其中：D

10、：螺栓孔分布圓直徑；k：螺栓工作不均衡系數(shù)，一般可取0.75;n：螺栓數(shù)。螺栓強度條件：T=（兀d*2）/4*t其中：兀：圓周率；d:螺桿直徑；t螺栓許用剪切應(yīng)力，不同強度等級的螺栓是不同的。c）突緣連接面間有鍵或鍵齒，靠鍵或鍵齒受剪切傳遞扭矩，按鍵或鍵齒進行計標就可以了。傳動軸連接螺栓計標，一般要求同時滿足拉力條件和切力條件，以保證可靠連接。7、滾針軸承：許用壓力P=790*z*L*d/（n軸承人（1/3）其中：Z：滇針數(shù)；L：滾針有效長度；d:滾針直徑；n軸承：滾針軸承當量轉(zhuǎn)速，等于發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速/一檔速比*萬向節(jié)角的正切。應(yīng)滿足PM最大/（R*cosa）。國外，傳動軸的壽命設(shè)計主要是萬向

11、節(jié)的壽命計算，有一套標準的算法。四、傳動軸總成及零件的結(jié)構(gòu)類型：經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展和使用，十字軸萬向傳動軸已成為非常成熟的產(chǎn)品，它的結(jié)構(gòu)已定型，主要考慮生產(chǎn)條件和使用維修的便利性。1、開式傳動軸得到普遍應(yīng)用，閉式傳動軸已不多見，但仍在一些汽事中使用，如太脫拉汽事傳動軸。2、管式傳動軸因為剛性高，重量輕，具有較高的臨界轉(zhuǎn)速，有利于運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。3、內(nèi)滑式傳動軸、外滑式傳動軸有各自的優(yōu)勢。4、突緣連接較為普遍，但端叉連接也不少。端叉的形式有多種，如短套管叉，叉形突緣；用翼形軸承的，用普通滾針軸承由U形螺栓、軸承蓋連接的，用端蓋軸承的，式樣較多。端叉連接方式減少了傳動軸系的零件，減輕了重量，降低了制造

12、成本，有些結(jié)構(gòu)裝拆很方便，有一定的比較優(yōu)勢。5、萬向節(jié)軸承的定位方式，有內(nèi)卡式、外卡式、端蓋或壓板式、注塑等。要致慮萬向節(jié)軸向間隙的調(diào)整，間隙在0.01至0.06為好。間隙過大，十字軸竄動，動平衡不穩(wěn)定；過盈或零間隙會引起十字軸端面燒蝕，使萬向節(jié)壽命顯著降低。6、中間支承的設(shè)計應(yīng)致慮它的頻率特性。具有低頻特性的中間支承有利于降低振動和噪聲，以20幾Hz為好。7、對形狀復(fù)雜的零件，如叉類零件，應(yīng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，滿足強度、剛度條件下，減輕重量，避免局部應(yīng)力集中。五、傳動軸的使用壽命：傳動軸的使用壽命取決于萬向節(jié)壽命和花鍵付壽命。設(shè)計上主要是控制擠壓應(yīng)力，防止早期失效。但使用壽命受工況、維護保養(yǎng)條件影

13、響很大。設(shè)計僅提供一定使用壽命的必要條件。六、試驗驗證要臾：1、安全性、可靠性驗證：a）總成靜扭試驗：失效形式應(yīng)是軸管嚴重扭曲。軸管屈服扭矩應(yīng)大于離合器打滑時的傳動軸扭矩。b）零件靜扭試驗：十字軸斷裂扭矩應(yīng)為最大工作扭矩的3.5倍以上，屈服扭矩應(yīng)為最大工作扭矩的3倍以上?；ㄦI軸屈服扭矩應(yīng)2倍以上。叉子零件失效扭矩都必需在3.5倍以上。C）扭轉(zhuǎn)疲勞試驗：根據(jù)使用里程壽命要求不同，疲勞壽命也不同。如十字軸使用里程以十萬公里為目標，疲勞壽命幾十萬次（有限壽命）可以了，花鍵付、叉子、軸管，使用里程以二十萬公里以上為目標，疲勞壽命應(yīng)達二百萬次（無限壽命）d）總成沖擊試驗：失效形式是軸管扭曲，其他零件無損壞。安全性可靠性的理想狀態(tài)，就是疲勞壽命大于使用壽命，并能經(jīng)受工作中的正常沖擊，在非常沖擊載荷下只出現(xiàn)軸管扭曲，而無零件斷裂。2、運動特性驗證：a）萬向節(jié)擺角a：應(yīng)在2a圓錐角內(nèi)轉(zhuǎn)動無干涉。b）滑動花鍵伸縮量。C）總成最大退轉(zhuǎn)直徑。d）其他要求，如運動阻力（矩）、游動間隙等。3、萬向節(jié)、花鍵付磨損試驗：不出現(xiàn)壓印、剝落、拉傷、燒蝕等早