万向节传动轴的设计.doc
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1、万向节传动轴的设计摘要: 采用优化设计方法及可靠性分析方法进行万向传动轴的设计。针对传动系的传动性能进行传动轴选用与布局设置,以减少附加负荷,通过对两轴之间的夹角的优化和对中间支承刚度的选取以优化结构的布局及减小支承刚度,增加传动轴的传动效率,减小能量的损耗。基于传动轴的强度及扭转刚度可靠性分析, 以可靠度要求作为约束条件, 建立传动轴的可靠性优化设计模型。关键词:万向节;传动轴;可靠性分析;优化设计引言 万向节传动轴是传动系统的重要组成部分之一。传动轴选用与设计布置的合理与否直接影响到传动系的传动性能。选用和布置不当会给传动系增添不必要的和设计未能估算在内的附加动负荷,可能导致传动系不能正常
2、运转和过早的损坏。因而为使传动系能良好地发挥其应有的性能和正常运转,设计传动轴的布局以研究其性能的影响,是提高传动效率和寿命的研究方向。1 万向传动轴的介绍 万向传动轴主要是由万向节、传动轴和中间支承组成。其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。例如万向传动轴在汽车底盘的的应用如图1。图1 汽车主转动轴而伴随着传动技术的发展,为满足不同工况的需求形成了各种万向节,万向节可以分为刚性万向节和挠性万向节:刚性万向节可分为不等速万向节(如十字轴式)、准等速万向节(如双联式、凸块式、三销轴式等)和等速万向节(如球叉式、球笼式等);挠性万向节是靠弹性零件传递动力的,具有缓冲减振作用。目前
3、,十字轴式刚性万向节传动轴在汽车传动系中用得最广泛。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,采用挠性万向传动轴。 对于万向传动轴设计应满足如下基本要求: 1. 保证所需要连接的两根轴相对位置在预定的范围内变动时,能够可靠地传递动力距。 2. 保证所需要连接两轴尽可能等速运转。3. 由万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声应都应在允许的范围内。 4. 尽量达到传动效率高,使用寿命长,结构简单,制造方便,维修容易等要求。 当传动轴长度超过1.5m时,为了提高传动效率以及总布置上的考虑,一般常将传动轴断开成两根或三
4、根,万向节用三个或四个,而在中间传动轴上加设中间支承。如图2如图2传动轴2 对于传动轴的优化设计优化设计是选定在设计时力图改善的一个或几个量作为目标函数,在一定约束条件下,以数学方法和电子计算机为工具,不断调整设计参量,最后使目标函数获得最佳的设计。对于传动轴存在着对材料的选取的优化设计和结构布局的优化设计,本文主要针对结构夹角的优化设计和中间支承刚度的优化设计,结构的布局和支承刚度会影响到传动轴的传动效率,增加了能量的损耗。2.1 两轴之间夹角的优化。传动轴的长度和夹角以及它们的变化范围均由汽车总布置设计决定的。设计时应保证足够的传动轴长度变化量。即保证在传动轴长度达到最大值是,花键套与轴有
5、足够的配合长度,而在长度最小时不顶死。在确定传动轴夹角时,必须考虑到当悬挂上下变形至极限位置时的情况。夹角的大小直接影响到万向节十字轴和它的周长的使用寿命、万向节传动装置的效率以及传动轴旋转的不均匀性。 对于轴距较短的轻型42车辆,采用具有两个万向节的传动轴即可。此时可有两种布置方案,即输入轴与输出轴3相互平行的“ Z”布置方案或是输入轴1与输出轴3间有夹角的“M”布置或“W”布置方案。如图3所示。如图3单根轴的布置在这两种布置方案中都必须保证: 1=2 中间传动轴2的万向节叉不位于同一平面内。只有如此方能保证传动为匀速且无附加动载荷产生。单根的万向节传动轴夹角主要取决于转速。可取值可参考表1
6、当传动距离较远,采用两节传动轴、三个万向节时,其布置型式有以下两种。 ( 1 ) 中间传动轴与变速器输出轴近似在一条直线上,则第一个万向节不起改变角速度的作用,此时也相当于一节传动轴,两个万向节,如图4 ( a )所示。 ( 2 ) 变速器输出轴、中间传动轴和主传动轴的3条轴线不在一条直线上。当汽车满载时,由于弹性悬架的变形较大,使中间传动轴和主传动轴近似在一条直线上,相当于只有一节传动轴、两个万向节,中间万向节不起改变角速度的作用,如图4( b )所示。如图4 两节传动轴的布局 当采用三个万向节传动轴布置方案时,为了达到均匀转动,或是使与传动轴相联系质量的非匀速运动尽可能的小,应是单个万向节
7、的传动的非均匀度“U”之和为零或接近于零。即U=U1U2U3=0(此时应计入各万向节非均匀度的正负号),第一万向节的“U”若为正“+”,则与之呈900的另一万向节的“U”应为负“-”。通常取U=0.0027。运用关系可以将两个或两个以上依次排列的多万向节传动的转角差的最大值求出来。图5所示为三万向节传动简化示意图。图5两段轴的简化示意图当各段轴的轴线在同一平面上,传动轴两端的万向节叉布置在同一平面上,中间传动轴上两个万向节叉互成900时,存在一个多万向节传动最大转角差相等的单万向节的当量夹角e: (2-1)式(2-1)中的正负号决定:当万向节的主动叉处在各传动轴所在的平面时为正,被动叉处在此平
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