双十字轴万向节转向传动系统的优化设计_潘宇(1)

十字轴式万向联轴器的结构优化和疲劳分析在计算机技术高速发展的今天,有限元法和虚拟样机法得到了巨大的发展。

近年来,基于有限元、多体动力学和疲劳理论的零部件的疲劳与强度分析也成为了产品设计的研究热点之一。

万向联轴器是机械传动系统中的关键组成部分,其中十字轴式万向联轴器结构简单、可靠性强,在汽车传动轴及轧制领域应用广泛。

万向节联轴器在使用过程中承受不断变化的交变载荷的作用,容易发生疲劳破坏,因此疲劳强度设计对万向节联轴器必不可少。

早期对构件强度与疲劳分析采用的是建立物理样机实验的方法,这种方法实验成本高并且周期长,不利于提高企业生产率,而本文利用有限元技术和虚拟样机技术对某型号十字轴式万向联轴器的关键零部件进行有限元分析和疲劳寿命预测可以有效的缩短其研发周期。

首先,本文建立了某型号卡车的万向节联轴器的有限元模型,对其关键部件十字轴和万向节叉头进行了静态强度分析,在其强度分析结果的基础上对十字轴和万向节叉头进行拓扑优化分析并对其结构进行修正。

其次,建立传动轴有限元模型并对其进行模态分析,依据其固有频率对传动轴的临界转速进行校核。

基于模态应力恢复方法对十字轴万向节联轴器中的十字轴与万向节叉头进行了疲劳分析。

利用ANSYS获得了拓扑优化前后十字轴的柔性体即模态中性文件用于替换Adams中万向联轴器多刚体模型的对应零件,形成传动轴试验台的刚柔耦合仿真模型;对模型进行刚柔耦合仿真得到其关键零部件疲劳分析所需的载荷谱文件,将载荷谱文件导入到Ncode design life中,对优化前后十字轴与万向节叉头进行疲劳分析,获得了优化前后十字轴与万向节叉头在特定工况下的疲劳寿命的分布和最小疲劳寿命的分布点。

最后,对优化前后的十字轴与万向节叉头零件的疲劳寿命、质量和强度进行分析对比并做出评价。

发现优化后十字轴零件质量减少了5.56%,在满足十字轴强度要求条件的下其疲劳寿命有着明显提高;万向节叉头零件质量减少了8.96%且仍可满足其强度要求,其疲劳寿命有虽轻微下降,但仍满足使用要求。

十字轴式万向节传动轴总成设计规范十字轴式万向节传动轴总成设计规范1 范围本标准规定了十字轴式万向节传动轴总成技术规范。

本标准适用于发动机、变速器纵置后轮及四轮驱动传动轴的设计。

2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。

凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。

凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单）适用于本文件.QC/T 523 《汽车传动轴总成台架试验方法》QC/T 29082《汽车传动轴总成技术条件》3术语和定义3。

1 传动轴：由一根或多根实心轴或空心轴管将二个或多个十字轴式万向节连接起来,用来将变速器的输出扭矩和旋转运动传递给驱动桥的装置。

3.2 传动轴临界转速:传动轴失去稳定性的最低转速.传动轴在该转速下工作易发生共振，造成轴的严重弯曲变形，甚至折断.3.3 当量夹角:多万向节传动轴的各个万向节输入、输出轴夹角等效转换成单万向节的夹角。

4目标性能4.2传动轴带万向节总成所连接的两轴相对位置在设计范围内变动时，能可靠地传递动力;4。

2所连接两轴接近等速运转，由万向节夹角产生的附加载荷、振动和噪声应在允许范围内；4。

3传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。

5 设计方法5.1 设计计算涉及的参数具体参数见表（一）、表（二）表（一)计算参数轴的抗扭截面系数（mm3) W T轴的转速（r/min）n轴传递的功率（kW）P计算截面处轴的直径（mm） d许用扭转切应力（MPa) ［τT］传动轴管的外径（mm）D c传动轴管的内径（mm）d c传动轴的长度（mm）L c传动轴实际最高转速（r/min）n max变速器最高档变速比i5轴管的许用扭转切应力（MPa) [τc]花键轴的花键内径d h花键处转矩分布不均匀系数K′花键外径D h花键的有效工作长L h花键齿数n0齿侧许用挤压应力（MPa）[σy］表(二)需校核的参数序号名称符号目标值1 传动轴临界转速（r/min）n k2 轴管扭转强度τc［τc]3 花键轴扭转强度τh[τ0]4 花键齿侧挤压应力σy[σy］5.2 传动轴的布置5.2.1 传动轴总成在整车上的布置，见图1图 1 传动轴在整车上的布置图如图1所示，万向传动轴用于在不同轴心的两轴间甚至在工作过程中相对位置不断变化的两轴间传递动力。

机电一体化毕业设计（论文）_十字轴式万向联轴器的分析和改进河南质量工程职业学院毕业设计（论文）题目：十字轴式万向联轴器的分析和改进系别：机电工程系专业：机电一体化班级： 09机电（3）班学生姓名：指导老师：完成日期： 2012年02月08日河南质量工程职业学院毕业设计（论文）任务书摘要我毕业设计的零件为十字轴式万向联轴器。

联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。

一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的联接部件。

万向联轴器用于两轴有较大偏斜角或在工作中有较大角位移的地方，它有多种结构型式，例如：十字轴式、球笼式、球叉式、凸块式、球销式、球铰式、球铰柱塞式、三销式等。

其中，十字轴式万向联轴器是应用量较大的万向联轴器。

十字轴式万向联轴器是一类容许两轴间具有较大的角位移的联轴器，适用于有较大角位移的两轴之间的连接，一般两轴的轴间角最大可达35°～45°，而且在运转过程可以随时改变两轴的轴间角，其最大特点是：具有较大的角向补偿能力，结构紧凑，传动效率高。

但在生产和应用的过程中，十字轴式万向联轴器存在着一系列的的问题，如轴承座螺栓断裂、十字轴断裂等。

此次设计的目的是为了对这些问题进行深入的分析，并进行合理的改进，以避免其再次出现。

关键词：联轴器，十字轴，传动效率，常规失效形式，改进方法AbstractI graduated designed components for the crossshaft universal coupling. Common areas ofmechanical coupling components used toconnect two different agencies in the shaft(driving shaft and driven shaft) to make it to transfer torque common rotating mechanical parts. Most of the general power machine with the help of coupling links the machine work; mechanical products most commonly used drive shaft connection parts.Universal coupling for the two-axis deflection angle or greater have a greater angular displacement of the work place, it has a variety of structural types, such as: cross-axis, ball cage, ball fork, bump-type, -ball type, ball and socket type, plunger type balljoints, three pin type and so on.Among them, the cross-axis is the application of universalcoupling universal coupling a large amount.Cross-axis is a type of universal coupling between the two axes to allow a larger angular displacement of the coupling for a larger angular displacement of the connection between the two axes, the general two-axis angle between the axis up to35 ° ~ 45 °,but also in the running process can be changed at any time between the two axes of the shaft angle, and its most important feature:a large angle to compensate for capacity, compact, high transmission efficiency.But in the process of production and application, cross shaft universal coupling there is a series of problems, such as bearing bolt fracture, cross shaft fracture.The design goal is to these issues in-depth analysis, and makes a reasonable improvement, in order to avoid its recurrence.Keywords: coupling, cross shaft, drive efficiency, conventional failure modes, improved methods目录1 零件介绍......................................................... - 5 -1.1 零件介绍........................................................ - 5 -2 十字轴式万向联轴器问题分析................................. - 7 -3 十字轴式万向联轴器的应用.................................... - 9 -4 零件的材料及尺寸精度.........................................- 11 - 4.1 零件的材料......................................................- 11 -4.2 尺寸精度........................................................- 12 -5 联轴器的选用程序 ..............................................- 13 -6 万向联轴器的使用与保养 ......................................- 15 -7 零件各部分运动分析............................................- 16 - 7.1 十字轴式万向联轴器的单侧运动分析.................................- 16 - 7.2 十字轴式万向联轴器的双侧运动分析.................................- 17 - 7.3 十字轴式万向联轴器的传动效率 ....................................- 20 - 7.4 十字轴式万向联轴器的受力分析 ....................................- 20 -7.5 十字轴式万向联轴器的主要元件 ....................................- 22 -8 对十字轴式万向联轴器问题的改进............................- 26 - 致谢.............................................................- 27 - 参考文献 ...........................................................- 28 -1 零件介绍1.1 零件介绍工件名称：十字轴式万向联轴器工件简图：如图1.1所示1、3——半联轴器 2——叉形接头 4——十字轴5——销钉 6——套筒 7——圆柱销图1.1 十字轴式万向联轴器2 十字轴式万向联轴器问题分析联轴器属于机械通用零部件范畴，用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。

双十字轴万向节汽车传动轴硬点布置优化设计杨明;何云峰;尹帮奇;舒中强【摘要】In order to improve the Double universal joint cross shaft automobile transmission shaft layout accuracy and rationality, considering the motion characteristic of the suspension in optimization design, establish an equivalent angle mathematical model of the curbdesignfull load, determine the optimization goal, and use NLPQL algorithm to optimize the target, and use for example calculation, this method can get ideal layout of three states at a time, improve the efficiency of the drive shaft arrangement, provide theoretical guidance for the layout of the transmission shaft.%为了提高双十字轴万向节汽车传动轴布置的准确性和合理性，优化设计中考虑了悬架的运动特性，然后建立空载、设计、满载状态下的当量夹角数学模型，并确定优化目标，然后通过insight优化软件中NLPQL算法对目标进行优化，然后通过实例计算分析。

该方法可一次性获得传动轴三种状态的理想布置，提高了传动轴布置效率，为传动轴的布置提供理论指导作用。

【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2016(000)012【总页数】3页(P95-97)【关键词】传动轴;悬架;运动特性;当量夹角;Insight 优化【作者】杨明;何云峰;尹帮奇;舒中强【作者单位】上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西柳州 545000;上汽通用五菱汽车股份有限公司技术中心，广西柳州 545000;广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林 537000;广西玉柴机器股份有限公司，广西玉林 537000【正文语种】中文【中图分类】U463.216CLC NO.: U463.216 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)12-95-03万向传动轴是汽车传动系统中一个重用的部件[1]。

传动轴的优化设计
王静;高健
【期刊名称】《军民两用技术与产品》
【年(卷),期】2017(000)002
【摘要】本文主要介绍了空心传动轴的结构及空心轴与空心套配合形式.
【总页数】1页(P153)
【作者】王静;高健
【作者单位】北方重工集团有限公司汽车转向系统分公司,沈阳 110000;北方重工集团有限公司汽车转向系统分公司,沈阳 110000
【正文语种】中文
【相关文献】
1.重载车辆传动轴优化设计 [J], 王恺
2.汽车等速万向节传动轴总成结构主参数的优化设计 [J], 石宝枢;蔡星原;张荣校;张方贵;毛阳鑫;张献刚
3.某起重机传动轴匹配及优化设计 [J], 汪鹏鹏;康婷;骆文平
4.仓储轨道穿梭车传动轴机械结构优化设计 [J], 高治理
5.矿磨选粉器传动轴架的改进及优化设计 [J], 裴永胜
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十字轴万向节的传动比分析研究曾松来;刘庚寅;邓英奇【摘要】通过对单十字轴万向节进行运动分析,推导出传动比关系式并绘制出传动比波动量曲线图.结合汽车转向系统中下转向轴的结构——双十字万向节传动结构,分析中间轴向位角对传动的影响,从而可以找到万向节最优向位角,以减少力矩波动,提高传动效率.【期刊名称】《汽车零部件》【年(卷),期】2017(000)004【总页数】3页(P36-38)【关键词】十字轴万向节;传动比;波动量;优化设计【作者】曾松来;刘庚寅;邓英奇【作者单位】株洲易力达机电有限公司,湖南株洲412002;株洲易力达机电有限公司,湖南株洲412002;株洲易力达机电有限公司,湖南株洲412002【正文语种】中文【中图分类】U463.216+1目前顾客对整车转向系统操作要求越来越高，而实际影响顾客对整车主观评价的是转向力矩的手感差异。

而实际十字轴万向节的传动比波动会影响转向系统力矩波动，从而导致顾客对整车方向盘手感产生较差评价。

通过对十字轴万向节传动比波动的研究，找出合适的相位角减少转向系统力矩波动，提高传动效率，也能提高顾客对整车舒适性评价。

单十字轴万向节的结构如图1所示。

它由两个端部为叉形的输入轴1和输出轴3及十字轴2组成。

输入轴和输出轴的轴心线相交于十字轴的中心，但两轴线存在夹角β。

由图1可知，当输入轴旋转一周时，输出轴随之旋转一周，也就是说输入轴和输出轴的平均转速是相等的。

但因夹角β的存在，使两轴的瞬时传动比随角向位置的不同而时时波动。

即假设主动轴等角速度回转，从动轴的转速却循环变化，最终会使整个传动系统产生冲击和附加载荷。

单十字轴万向节运动分析的详细分解如图2所示：主动轴线与从动轴线所夹锐角为β，平面Ⅰ为主动轴线方向的投影，平面Ⅱ为从动轴线方向的投影；φ1为主动轴节叉上一点从A0转动到A1划过的角度，φ2为从动轴节叉上另一点从B0转动到B1划过的角度，但点B在投影平面Ⅰ中划过角度与点A划过的角度都为φ1。

汽车转向系统双十字轴式万向节传动优化设计
潘金坤;罗绍新
【期刊名称】《机械传动》
【年(卷),期】2011(35)12
【摘要】分别对单、双十字轴式万向节进行了运动分析,确定了转向系统输出轴产生转矩波动的影响因素。

针对某车型转向系统的双万向节传动,利用RecurDyn软件建立了双十字轴式万向节的参数化模型,将各个可以变动的变量和坐标参数化并设定为设计变量,结合空间双万向节传动的等速条件,以输出轴的转矩波动达到最小为目标进行优化设计。

最终获得了最佳的转向系统硬点布置方案,使转向系统输出轴的转矩平稳无波动。

【总页数】4页(P49-52)
【关键词】转向系统;双十字轴式万向节;优化设计
【作者】潘金坤;罗绍新
【作者单位】南京工程学院机械工程学院;南京工程学院车辆工程系
【正文语种】中文
【中图分类】TH133.4
【相关文献】
1.双十字轴万向节汽车传动轴硬点布置优化设计 [J], 杨明;何云峰;尹帮奇;舒中强
2.双十字轴万向节转向传动系统的优化设计与试验评价 [J], 徐劲
3.汽车双十字轴万向节传动系统优化设计 [J], 许亚军
4.汽车转向系统十字轴万向节传动优化设计 [J], 胡国强;岳红旭
5.汽车转向系统双十字轴万向节式中间轴受力分析 [J], 潘乙山; 李晗
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双十字轴万向节运动原理
双十字轴万向节是一种用于传递动力的机械装置，也称为万向联
轴器或万向传动装置。

它可将沿不同轴线运动的两个物体连接起来，
并允许它们在不同的角度下相对运动，同时仍能传递扭矩和转动力。

双十字轴万向节由两个十字相交的轴套组成，每个轴套都有两个
对称的“球窝”。

一对对称的钢球被装在轴套上，使得两个轴套可以
协调地旋转，且能在任意角度下联接起来。

另外，两个十字轴套通过
一根轴相互连接，形成双十字形状，使得整个装置可以承载扭矩和力量。

当两个轴线之间有角度偏差时，钢球得以在球窝内滚动，从而实
现转动。

此时在转动过程中机械装置保持稳定，不会出现振动、摆动、偏移等不稳定现象，保证了传动的精度和可靠性。

双十字轴万向节的优点在于它具有以下特点：
1. 传递高扭矩能力：由于其结构紧凑，双十字轴万向节不受扭
矩影响，能够传递大扭矩和高动力，可以应用于高负载情况。

2. 结构简单、可靠：与其他类型的万向节相比，双十字轴万向
节的结构简单易于制造，且寿命长，不容易出现故障。

3. 可调节：这种万向节可以调节转角范围，适用于多种应用场合。

总之，双十字轴万向节是一种在工业制造、汽车制造、航空航天
等领域广泛应用的传动装置，其结构紧凑，传递高扭矩，具备可靠性
和精度，是许多应用领域的理想选择。

汽车传动系万向传动装置的多目标优化设计
吴汀;杨万福
【期刊名称】《武汉理工大学学报（信息与管理工程版）》
【年(卷),期】1999(000)001
【摘要】提出了汽车传动系万向传动装置的多目标优化设计的数学模型,选用合适的优化算法,编制了计算程序.实例计算表明,多目标优化设计比单目标优化设计更全面、更合理.
【总页数】5页(P31-35)
【作者】吴汀;杨万福
【作者单位】华中理工大学;武汉汽车工业大学
【正文语种】中文
【中图分类】U270.2
【相关文献】
1.画法几何学在汽车传动系统中的应用--普通万向节的速度特性分析 [J], 孟凡洁
2.综合传动装置换挡开关电磁阀多目标优化设计 [J], 熊庆辉;顾宏弢;李娟;王敏
3.汽车传动系中的万向节传动轴 [J], 吴修义
4.低噪声机械传动装置多目标优化设计方法 [J], 张森森;王新海;丁继才;陈祖瑞;胡军华
5.低噪声机械传动装置多目标优化设计方法 [J], 张森森;王新海;丁继才;陈祖瑞;胡军华
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