单十字万向节受力分析及结构设计

第三节 万向传动的运动和受力分析一、单十字轴万向节传动当十字轴万向节的主动轴与从动轴存在一定夹角α 时，主动轴的角速度ω1与从动轴的角速度ω2之间存在如下关系12212cos sin 1cos ϕααωω-= (4-1)式中，φ1为主动轴转角，定义为万向节主动叉所在平面与万向节主、从动轴所在平面的夹角。

由于cos α是周期为 2π 的周期函数，所以ω2／ω1，也为同周期的周期函数。

当φ1为0、π时，ω2达最大值ω2max 。

且为ω1／cos α； 当φ1为 π／2、3π／2时， ω2有最小值ω2min 。

且为ω1 cos α。

因此，当主动轴以等角速度转动时，从动轴时快时慢，此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 ααωωωtan sin 1min 2max 2=-=k (4-2) 如不计万向节的摩擦损失，主动轴转矩T 1和从动轴转矩T 2与各自相应的角速度有关系式T 1ω1= T 2ω2，这样有 11222cos cos sin 1T T αϕα-= (4-3) 显然，当ω2／ω1最小时，从动轴上的转矩为最大T 2max =T 1／cos α；当ω2／ω1最大时， 从动轴上的转矩为最小T 2min =T 1cos α。

当T l 与α一定时，T 2在其最大值与最小值之间每一转变化两次；具有夹角 α 的十字轴万向节，仅在主动轴驱动转矩和从动轴反转矩的作用下是不能平衡的。

这是因为这两个转矩作用在不同的平面内，在不计万向节惯性力矩时，它们的矢量互成一角度而不能自行封闭，此时在万向节上必然还作用有另外的力偶矩。

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T l ，之外，还有作用在主动叉平面的弯曲力偶矩T l′。

同理，从动叉对十字轴也作用有从动轴反转矩T2和作用在从动叉平面的弯曲力偶矩T2′。

在这四个力矩作用下，使十字轴万向节得以平衡。

单十字万向节受力分析及结构设计摘要十字万向轴广泛的应用在低终端类型的汽车中、矿用大型设备、农业机械、轧钢机器和汽车的转向系统中，汽车的十字万向节主要包含以下几个部件：十字轴、万向节、套筒等相关零部件，万向节和十字轴之间采用的是滚针结构的轴承进行的连接；单十字万向节的可以实现传动过程中角度变换，并且在变换的过程传递汽车运行时所需的扭矩。

本次毕业设计的研究对象为比亚迪SUV中的十字万向轴作为设计原型，根据整个汽车的实际运行参数以及其中发动机、变速器等主要零部件的技术参数，对汽车中的十字万向轴进行研究分析，首先分析其在运行过程中的所受扭矩是否满足使用要求，同时对十字万向轴进行结构设计；其次根据其在使用过程中的受力情况对其进行有限元强度分析，确保整体结构的刚度满足要求；最后根据有限云分析的结果对十字万向轴进行结构优化于疲劳寿命分析，确保优化后的十字万向轴满足使用要求。

关键字：十字万向轴；有限元分析；拓扑优化；疲劳分析ABSTRACTCross universal shaft is widely used in low terminal type of automobile, large mining equipment, agricultural machinery, steel rolling machine and automobile steering system. The cross universal joint of automobile mainly includes the following parts: cross shaft, universal joint, sleeve and other related parts. The bearing of needle rolling structure is used to connect the universal joint and cross shaft; The single cross universal joint can realize the angle transformation in the process of transmission, and transfer the torque required by the car in the process of transformation. The research object of this graduation project is the cross universal shaft of BYD SUV as the design prototype. According to the actual operation parameters of the whole car and the technical parameters of the engine, transmission and other main parts, the cross universal shaft of the car is studied and analyzed. Firstly, whether the torque in the operation process meets the use requirements is analyzed, At the same time, the structure of the cross universal shaft is designed; Secondly, the finite element strength analysis is carried out according to the stress situation in the process of use to ensure that the stiffness of the whole structure meets the requirements; Finally, according to the results of the finite cloud analysis, the structure of the cross universal shaft is optimized and the fatigue life is analyzed to ensure that the optimized cross universal shaft meets the use requirements.Keywords：Cross universal shaft; Finite element analysis; Topology optimization; Fatigue analysis目录摘要 (1)ABSTRACT (2)目录.............................................................................. 错误!未定义书签。

利用CATIA进行十字万向节力矩传递分析殷腾蛟;甘林【摘要】以十字万向节力矩传递分析为例,利用CATIA软件的运动分析功能来获取零部件之间的位置关系数据,然后计算出输出力矩,最后使用《汽车底盘设计》的计算结果来检验说明分析方法的可靠性.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2018(044)007【总页数】3页(P57-59)【关键词】DMU;CATIA;十字万向节;力矩分析【作者】殷腾蛟;甘林【作者单位】安徽江淮汽车集团股份有限公司,安徽合肥 230022;安徽江淮汽车集团股份有限公司,安徽合肥 230022【正文语种】中文【中图分类】U467前言利用CATIA软件的运动分析功能，可以模拟出任意时刻输入轴、输出轴、十字轴的位置关系，利用位置关系数据，可以直接计算出输入轴与输出轴之间的力矩关系。

1 十字万向节力矩传递分析1.1 任意时刻下力矩分析1.1.1 十字万向节传动机构任意时刻时，十字万向节传动机构如下图1所示：图1 十字万向节传动机构其中：1、基座；2、输入轴；3、十字轴；4、输出轴。

输入轴与输出轴交点为O。

1.1.2 输入轴对十字轴作用力分析输入轴对十字轴受力分析如下图2所示：图2 输入轴对十字轴受力分析D1、D1’为力的作用点。

轴线 Z1与输入轴轴线重合，通过 D1与 Z1做平面 P1，过 D1做 3条正交直线 F1、F2、F3表示3个方向的力，F1与轴线平行，F3为P1的法线。

D1上的力未知，可以用 F1、F2、F3三个方向的力表示。

D1’按照D1的方式处理。

D1、D1’的合力对十字轴产生的力矩如下图 3所示：图3 D1、D1’的合力对十字轴产生的力矩T1与轴线Z1平行，T1’为P1的法线方向，T1、T1’垂直。

根据作用力与反作用力的关系，十字轴对输入轴轴线方向的力矩大小同 T1，因输入轴力矩平衡，所以 T1大小等于输入力矩大小。

1.1.3 输出轴对十字轴作用力分析输出轴对十字轴受力分析如下图4所示：图4 输出轴对十字轴受力分析分析方法同输入轴对十字轴的受力分析，其中Z2为输出轴轴线，D2、D2’为输出轴对十字轴力的作用点，平面 P2通过D2、D2’与Z2。

第二节万向节结构方案分析一、十字轴万向节单个普通十字轴万向节是一种不等速万向节，其特点是当主动轴与从动轴之间有夹角时，不能进行等速传递，使主、从动轴的角速度周期性地不相等，而合理采用双十字轴万向节传动的设计方案可以实现等速传递；主、从动轴的角速度在两轴之间的夹角变动时仍然相等的万向节，称为等角速度万向节或等速万向节；准等速万向节是一种近似等速万向节，可以通过分度机构等部件实现主、从动轴之间的近似等速传递。

1、普通十字轴式万向节如图2-1所示，普通十字轴式万向节一般由两个万向节叉及与它们相连的十字轴、滚针轴承及其轴向定位件和油封等组成。

十字轴轴颈通过与滚针轴承配合安装在万向节叉的孔中。

为了防止滚针轴承轴向窜动，在进行结构方案设计时，要采取轴承轴向定位措施。

目前，常见的滚针轴承轴向定位方式有盖板式、卡环式、塑料环定位式和瓦盖固定式等。

图2-1 十字轴式刚性万向节1-轴承盖；2、6-万向节叉；3-油嘴；4-十字轴；5-安全阀；7、11-油封；8-滚针；9-套筒；10-油封挡盘；12-油封座；13-注油嘴普通盖板式轴承轴向定位方式一般采用螺栓和盖板将套筒固定在万向节叉上，并用锁片将螺栓锁紧。

这种方式的优点是工作可靠、拆装方便，但零件数目较多。

采用弹性盖板的结构方案是将弹性盖板点焊于轴承座底部，装配后，弹性盖板对轴承座底部有一定的预压力，以免高速转动时由于离心力作用，在十字轴端面与轴承座底之间出现间隙而引起十字轴轴向窜动，从而可以避免由于这种窜动造成传动轴动平衡的破坏。

卡环式具有结构简单、工作可靠、零件少和质量小的优点，可分为外卡式和内卡式两种。

塑料环定位结构是在轴承碗外圆和万向节叉的轴承孔中部开一环形槽。

当滚针轴承动配合装入万向节叉到正确位置时，将塑料经万向节叉上的小孔压注到环槽中，待万向节叉上另一与环槽垂直的小孔有塑料溢出时，表明塑料已充满环槽。

这种结构轴向定位可靠，十字轴轴向窜动小，但拆装不方便。

为了防止十字轴轴向窜动和发热，保证在任何工况下十字轴的端隙始终为零，有的结构在十字轴轴端与轴承碗之间加装端面止推滚针或滚柱轴承。

汽车设计（基于UG的十字轴万向节设计）学院：交通运输与物流学院专业：交通运输班级： 12级交通运输*班姓名：学号： 2012*** 指导教师：李恩颖2015 年 6 月目录一、背景介绍┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄1二、基本理论┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄31、万向节传动的基本理论┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄3 （1）十字轴式万向节工作原理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 3 （2）十字轴式万向节传动的不等速特性┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 5 （3）十字轴式万向节传动的等速条件┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 62、十字轴万向传动轴的设计与计算┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄7 （1）传动载荷计算┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 7 （2）十字轴万向节设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 10 （3）设计结论┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 11三、基于UG的十字轴设计┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄13四、结论┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄26一、背景介绍万向节即万向接头，英文名称universal joint，是实现变角度动力传递的机件，用于需要改变传动轴线方向的位置，它是汽车驱动系统的万向传动装置的“关节”部件。

万向节与传动轴组合，称为万向节传动装置。

在前置发动机后轮驱动的车辆上，万向节传动装置安装在变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间；而前置发动机前轮驱动的车辆省略了传动轴，万向节安装在既负责驱动又负责转向的前桥半轴与车轮之间。

万向节的结构和作用有点像人体四肢上的关节，它允许被连接的零件之间的夹角在一定范围内变化。

为满足动力传递、适应转向和汽车运行时所产生的上下跳动所造成的角度变化，前驱动汽车的驱动桥，半轴与轮轴之间常用万向节相连。

但由于受轴向尺寸的限制，要求偏角又比较大，单个的万向节不能使输出轴与轴入轴的瞬时角速度相等，容易造成振动，加剧部件的损坏，并产生很大的噪音，所以广泛采用各式各样的等速万向节。