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摘要
汽车的万向传动轴是由传动轴、万向节两个主要部件联接⽽成，在长轴距的车辆中还要加装中间⽀承。万向传动轴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和旋转运动。在本世纪初万向节与传动轴的发明与使⽤，在汽车⼯业的发展中起到了极其重要的作⽤。随着汽车⼯业的发展，现代汽车对万向节与传动轴的效率、强度、耐久性和噪声等性能⽅⾯的设计及计算校核要求也越来越严格。本毕业设计将依据现有⽣产企业在⽣产车型(CA1041)的万向传动装置作为设计原型。在给定整车主要技术参数以及发动机、变速器等主要总成安装位置确定的条件下，对整车结构进⾏了分析，确定了传动轴布置⽅案，采⽤两轴三万向节带中间⽀承的布置形式。在确定了传动⽅案后，对传动轴、万向节总成、中间⽀承总成进⾏设计，使该总成能够在正常使⽤的情况及规定的使⽤寿命内不发⽣失效。
关键字：传动轴；万向节；中间⽀承；设计；校核
ABSTRACT
The universal drive shaft of automotive is composed of transmission shaft and cardin joint. The main fu
nction of the universal drive shaft is to transmitting torque and rotation movement between two shafts whose relative position is variation in the working process. At the beginning of this century the transmission shaft and cardin joint play an important role in the development of automobile industry. As the development of automobile industry, the automobile demand that the design and verification of transmission shaft and cardin join stricter in the efficiency, intension, durability and noise performance. This graduation design chooses existing production business enterprise of basis is producing the car type(CA1041) of ten thousand to spread to move to equip the conduct and actions design prototype. Under the conditions of the main technical parameters of the given vehicle, installation location of engine, transmission and other major assembly are determined , the structure of the vehicle is analysised, the transmission shaft layout program is determined. Two shaft-three cardin joints is adapted.After determining the transmission options, the right drive shaft and universal joint assembly, intermediate bearing assembly is designed, so that the assembly can be used in normal situations and the life within no failure.
Keywords：Transmission shaft；Cardin joint；Middle supporting；Design ；Verification
⽬录
`摘要 .................................................................................................................... I ABSTRACT .............................................................................................................. II 第⼀章绪论.. (1)
1.1选题的⽬的和意义 (1)
1.2国内外研究现状、发展趋势 (1)
第2章⽅案选择 (3)
2.1解放CA1041轻型货车原始数据 (3)
2.2万向传动轴的结构特点和基本要求 (3)
2.3万向节总成主要参数及其选择 (5)
2.4中间⽀承的选择 (6)
2.5 本章⼩结 (6)
第三章传动轴总成的设计 (7)
3.1万向传动轴结构⽅案分析 (7)
3.1.1 基本组成的选择 (7)
3.2 万向传动轴的计算载荷 (9)
3.3传动轴钢管尺⼨的选择 (12)
3.4传动轴的计算与强度校核 (13)
3.4.1传动轴的临界速度校核 (13)
3.4.2传动轴扭转强度计算与校核 (14)
3.5传动轴花键设计 (15)
3.5.1主传动轴花键设计 (15)
3.5.2中间传动轴花键的设计 (19)
3.6本章⼩结 (20)
第四章万向节总成的设计 (21)
4.1万向节类型的选择 (21)
4.2⼗字轴式万向节的结构分析 (22)
4.3万向节的受⼒分析 (23)
4.3.1单⼗字轴万向节的受⼒分析 (23)
4.3.2双⼗字轴万向节传动 (25)
4.3.3多⼗字轴万向节传动 (26)
4.4万向节总成主要参数的确定与校核 (27)
4.4.1⼗字轴 (27)
4.4.2滚针轴承 (29)
4.5联连接元件的设计 (32)
4.5.1联接螺栓 (32)
4.5.2万向节叉 (34)
4.6本章⼩结 (35)
第五章中间⽀承的设计 (36)
5.1中间⽀承的结构分析与选择 (36)
5.2轴承的选取 (37)
5.3本章⼩结 (39)
结论 (40)
参考⽂献 (41)
致谢 (42)
附录 (43)
附录A 英⽂⽂献 (43)
附录B中⽂翻译 (45)
第⼀章绪论
1.1选题的⽬的和意义
随着汽车⼯业的迅猛发展，车型的多样化、个性化已经成为发展趋势，对汽车节能、舒适与轻量化的要求越来越⾼。⽽传动轴及万向节的设计装配不良将产⽣振动和噪声，增添未能估算在内的符加动载荷，还可能导致传动系不能正常运转和早期破坏，万向传动轴是汽车传动系的重要组成部件之⼀[1]。传动轴选⽤与设计的合理与否直接影响传动系的传动性能。选⽤、设计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负荷，可能导致传动系不能正常运转，因此该总成设计是汽车设计中重要的环节之⼀。
1.2国内外研究现状、发展趋势
传动轴普遍采⽤具有较⾼的强度的薄钢板卷焊⽽成的空⼼轴，超重型货车的传动轴则直接采⽤⽆缝钢管制成。近年来由于对汽车低能耗，低成本的要求越来越⾼，汽车必须轻量化，汽车变得更易产⽣振动和噪声。因此对传动系重要组成部分万向节振动特性必须进⾏分析[2]。⽬前国内外都将以NVH(噪⾳，振动，啸声)为设计⽬标，为了满⾜这类要求，汽车制造⼚对该总成的设计要求越来越严格。随着
Matlabl软件的开发，国内对传动轴的设计⼰从传统设计向模糊可靠性设计发展。基本⽅法是把传统设计公式中的参量看作随机变量，进⾏概率计算，从中出规律，得出合理的校核强度和截⾯参数。汽车和⼯程机械⽤传动轴在⾼速转动时要产⽣弯曲振动。因此导致共振现象使传动轴断裂.尤其是⾼速轴。为避免共振产⽣应进⾏振动计算。确定其临界转速.常规优化设计是为了使传动轴在⼯作时不出现共振现象.使传动轴的临界转速尽量避开其实际最⾼转速。因载荷的随机性及切削加下时下件表⽽凹凸不平及材料软硬不均。临界转速具有离散性。它不是⼀个点，⽽是⼀个区域。⽽模糊可靠性设计理论应⽤于具有振动的传动轴的优化设计中，提出传动轴的模糊可靠性优化设计⽅法，建⽴了在满⾜给定模糊可靠要求设计条件下优化设计数学模型。传动轴模糊可靠性优化设计在设计中，既考虑设计参数的随机性和模糊性，⼜能进⾏多参数设计，使设计⽅案最优，且在设计后能预测新产品的可靠度[3]。这是可靠性和最优化设计的有机结合。
万向节是实现万向传动的关键，万向节性能的优劣直接影响到整车的⾏驶性能、动⼒性、舒适性。从19世纪初虎克式万向节在汽车上应⽤以来，经过100
多年的发展⼰经有⼗⼏种形式。可分为铡性万向节和挠性万向节。刚性万向节⼜可分为不等速万向节、准等速万向节和等速万向节。等速万向节因其加⼯制造精度⾼、难度⼤，需成套引进国外专⽤加⼯⽣产设备，且投资费⽤⼤、价格⾼，已成为实现国产化的关键问题之⼀。由于等速万向节传动轴应是⽤橡胶护套来密封的，橡胶护套的寿命从很⼤程度上决定了传动轴总成的使⽤寿命，因此橡胶护套
设计和考核试验也成了等速万向节设计的重要环节之⼀。由于近年来Pro/E、CATIA、Matlab等软件的开发与应⽤，国内的企业、科研单位也致⼒于基于CATIA、Matlab等的模糊、仿真设计，从⽽⼤⼤提⾼了我国对万向节的设计、制造⽔平。
综合以上国内外⽂献和相关书籍可以看出：随着计算机的发展、各种计算机辅助软件的设计开发，如:Pro/E、CAD、CATIA等以及有限元分析等设计理论的发展，必然会给万向节的设计、研发带来⽇新⽉异的进展，万向节及传动轴的设计⼰逐步实现⾃动化，集成化，智能化。
第2章⽅案选择
2.1解放CA1041轻型货车原始数据
解放CA1041轻型货车的⼀些初定基本参数：
汽车轴距2.85m
发动机最⼤功率时的转速n=3400r/min
最⾼档传动⽐0.745
发动机最⼤转矩
发动机万向传动轴间的传动效率0.96
满载质量4160KG
2.2万向传动轴的结构特点和基本要求
万向传动轴⼀般是由万向节、传动轴和中间⽀撑组成。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和旋转运动。伸缩套能⾃动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输⼊轴两轴线夹⾓的变化，并实现两轴的等⾓速传动。⼀般万向节由⼗字轴、⼗字轴承、凸缘叉及轴向定位件和橡胶密封件等组成。
传动轴是⼀个⾼转速、少⽀承的旋转体，因断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。重型载货汽车根据驱动形式的不同选择不同型式的传动轴。⼀般来讲4×2驱动形式的汽车仅有⼀根主传动轴。6×4驱动形式的汽车有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴。6×6驱动形式的汽车不仅有中间传动轴、主传动轴和中、后桥传动轴，⽽且还有前桥驱动传动轴。在长轴距车辆的中间传动轴⼀般设有传动轴中间⽀承．它是由⽀承架、轴承和橡胶⽀承组成。其⼴泛应⽤在汽车上，如下图
传动轴是由轴管、伸缩套和万向此它的动平衡是⾄关重要的。⼀般传动轴在出⼚前都要进⾏动平衡试验，并在平衡机上进⾏了调整。因此，⼀组传动轴是配套出⼚的，在使⽤中就应特别注意。其基本结构如下图：
图2-1 万向传动装置的⼯作原理及功⽤
图2-2 变速器与驱动桥之间的万向传动装置
基本要求：
1.保证所连接的两根轴的夹⾓及相对位置在⼀定范围内变动时，能可靠⽽稳定地传递动⼒。
2.保证传动尽可能同步，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，在使⽤车速范围内不应产⽣共振现象。
4.传动效率⾼，使⽤寿命长，结构简单，制造⽅便，维修容易等。
另，万向传动装置有极其⼴泛的应⽤，发动机前置后轮或全轮驱动汽车⾏驶时，由于悬架不断变形，变速器或分动器的输出轴与驱动桥输⼊轴轴线之间的相对位置经常变化，因⽽普遍采⽤可伸缩的⼗字
轴万向传动轴；某些汽车根据总布置要求需将离合器与变速器、变速器与分动器之间拉开⼀端距离，考虑到它们之间很难保证轴与轴同⼼及车架的变形，所以常采⽤⼗字轴万向传动轴或挠性万向传动轴；对于转向驱动桥，左、右驱动轮需要随汽车⾏驶轨迹变化⽽改变⽅向，这时多采⽤等速万向传动轴。如下图
图2-3 万向节在汽车上的各种应⽤
2.3万向节总成主要参数及其选择
1、对万向节类型及其结构进⾏分析，并结合（CA1041）技术要求选择合适的万向节类型。考虑到本毕业设计所针对的车型为轻型货车，对其万向传动轴的设计应满⾜：制造加⼯容易、成本低，⼯作可靠承载能⼒强，使⽤寿命长，结构简单，调整维修⽅便等要求，本设计选⽤⼗字轴式万向节，带中间⽀承的两段式传动轴。
2、⼗字轴
⼗字轴万向节的损坏形式主要是⼗字轴轴颈和滚针轴承的磨损，⼗字轴轴颈的滚针轴承帽⼯作表⾯出现压痕和剥落。⼀般情况下，当磨损或压痕超过0.15mm 时便应报废。⼗字轴主要失效形式是轴颈根
部断裂，所以设计时应保证该处有⾜够的抗弯强度。
3、⼗字轴滚针轴承
滚针轴承的结构分析：汽车万向节⽤滚针轴承的结构型式较多，但就滚针来说、主要有三种型式：锥头滚针、平头滚针及圆头滚针。为了防⽌在运输及安装过程中掉针，国内的协作配套⼚家⼤多都采⽤锥头滚针[5]。这种结构的轴承除滚针端头为圆锥形外，还多了⼀个挡针圈并且在外圈滚道与底道之间加⼯出基底凹槽，滚针圆锥头靠挡针圈及外圈基底凹槽挡住，从⽽避免了径向掉针。
4、联接螺栓
在发动机前置后驱动的汽车中，连接变速器与驱动桥之间的传动轴是靠万向
节叉与驱动桥或变速器的法兰盘组成的联轴器来传递转矩的，由于螺栓联接⼯作
时即承受剪切⼒⼜承受轴向⼒，所以需校核抗拉强度，抗剪强度和抗挤压强度
2.4中间⽀承的选择
在长轴距汽车上，为了提⾼传动轴临界转速，避免共振以及考虑整车总体布
置上的需要，常将传动轴分段。在乘⽤车中，有时为了提⾼传动系的弯曲刚度，
改善传动系弯曲振动看特性，减⼩噪声，也将传动轴分成两段。当传动轴分段时，
需加设中间⽀承。在设计中间⽀承时，应合理选择橡胶弹性元件的径向刚度R C ，
固有频率0f 对应的临界转速060f n r/min 尽可能低于传动轴的常⽤转速范围，
以免共振，保证隔振效果好。许⽤临界转速为1000~2000r/min ，对于乘⽤车，
取下限。当中间⽀承的固有频率依此数据确定时，由于传动轴不平衡引起的共振
转速1000~2000r/mim ，⽽由于万向节上的附加弯矩引起的共振转速为
500~1000r/min ，这样就避免了中间⽀承与传动轴的谐振[6]。
2.5 本章⼩结
本章完成了对中间传动轴、主传动轴的设计。在给定了发动机转矩、变速器
低挡传动⽐的情况下确定了中间传动轴与主传动轴的内、外径，保证发动机在各
⼯况⼯作时传动轴不发⽣共振⾏成传动轴的折断。在确定了传动轴尺⼨后对其扭
解放汽车转应⼒进⾏了校核，使传动轴在各种⼯况以及冲载荷情况下不会产⽣扭转变形。
两段传动轴间转矩是靠主传动轴花键与中间传动轴花键传递的，这两处花键的设
计也是这⼀章的重中这重。本设计中选⽤了相对渐开线花键定⼼精度更⾼、加⼯
更容易的矩型花键，这种形式提⾼了传动轴⾼速转动时的稳定性，也减少了花键
的磨擦从⽽提⾼了传动轴整体的使⽤寿命。由于花键配合间隙⼩，减⼩了车辆⾏
驶时的振动的噪声，提⾼了驾驶舒适性。
第三章传动轴总成的设计
3.1万向传动轴结构⽅案分析
3.1.1 基本组成的选择
通过参考我国微型货车的基本设计参数，选定CA1041微型货车为前置后驱的布置形式，平头驾驶室。
因其⽤途⼀般，则轴数根据其特点确定为两轴，驱动形式：4х2，后轮驱动。此种布置的优点有：1.容易发现发动机的故障，维修⽅便；离合器、变速器等操作机构简单，容易布置；货厢地板低平；2.汽车总长和轴距尺⼨短；最⼩转弯直径⼩；机动性能良好；不需要发动机罩和翼⼦板，加上总长缩短等因素的影响，汽车整备质量减⼩；驾驶员的视野得到明显改善；采⽤翻转式驾驶室是能改善发动机及其附件的接近性；汽车⾯积利⽤率⾼。
由于本设计适⽤车型CA1041载重⼩，⾏驶时传动轴承受冲击载荷⼩，⽽摆动式中间⽀承具有结构简单、质量轻、制造容易、维修保养⽅便等优点，故本设计选⽤摆动式中间⽀承
在普通汽车传动装置中，因⼗字轴式刚性万向节结构简单、传动可靠等优点⽽得到了⼴泛应⽤。⼗字轴式刚性万向节结构简单、强度⾼、耐久性好，⽣产性⾼，⽣产成本较低，且传动可靠，效率较⾼，⽬前允许两传动轴之间的交⾓⼀般为
15°~20°，在连接⾓较⼩时⼤都使⽤这种万向节。
⼗字轴式刚性万向节结构如图
图3-1 ⼗字轴式刚性万向节
在TJ1010微型货车设计中，选定为⼗字轴式万向传动装置，即采⽤单节式
万向传动轴，其两端⽤普通万向节分别与变速器和驱动桥连接。装配时，要满⾜：传动轴两端的万向节叉在同⼀平⾯内；
输⼊轴、输出轴与传动轴的夹⾓相等，即错误！未到引⽤源。=错误！未到引⽤源。。
如下图
图3-2 输⼊轴与输出轴的夹⾓
车辆的万向节传动，主要应⽤于⾮同⼼轴间和⼯作中相对位置不断改变的两轴之间的动⼒传递。装在变速器输出轴与前后驱动桥之间。变速器的动⼒输出轴和驱动桥的动⼒输⼊轴不在⼀个平⾯内。有的装载机在车桥与车架间装有稳定油缸、铰接式装载机在转向时均会使变速箱与驱动桥之间的相对位置和它们的输出、输出⼊轴之间的夹⾓不断发⽣变化。这时常采⽤⼀根或多根传动轴、两个或多个⼗字轴万向节的传动[7]。图3-3为⽤于汽车变速箱与驱动桥之间的不同万向传动⽅案。
（a）单轴双万向节式
（b）两轴三万向节式
图3-3传动轴形式布置
如图a 为常⽤的单轴双万向节传动，如图b 为连接距离较长且不宜于采⽤单
轴双万向节传动的连接。由于参考车型轴距为2.85⽶，故选取如图b 的传动⽅
案。
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