空心传动轴的优化设计
一、问题描述
设计一重量最轻的空心传动轴。空心传动轴的D 、d 分别为轴的外径和内径。轴的长度不得小于5m 。轴的材料为45钢，密度为7.8×10-6㎏/㎜，弹性模量E=2×105MPa ，许用切应力[τ]=60MPa 。轴所受扭矩为M=2×106N·mm 。
二、分析
设计变量：外径D 、内径d 、长度l
设计要求：满足强度，稳定性和结构尺寸要求外，还应达到重量最轻目的。
三、数学建模
所设计的空心传动轴应满足以下条件：
（1） 扭转强度 空心传动轴的扭转切应力不得超过许用值，即
τ≤[]τ
空心传动轴的扭转切应力: ()
4
416d
D MD
-=
πτ 经整理得 0107.1544≤?+-D D d
（2） 抗皱稳定性扭转切应力不得超过扭转稳定得临界切应力:
ττ'≤
2
327.0??
?
??-='D d D E τ 整理得：
028.722
3
44≤??
?
??---D d D d D D
（3）结构尺寸
min l l ≥
0≥d 0≥-d D
??????
????=??????????=l d D x x x X 321 则目标函数为：()()[]()
32
22166221012.61012.6min x x x d D l x f -?=?-=-- 约束条件为：0107.1107.1)(15
4
14
25441≤?+-=?+-=x x x D D d X g
08.728.72)(2
/312142
4
112
/3442≤???
?
??---=
?
?
?
??---=
X x
x x x x x D d D d D D g
055)(33≤-=-=x l X g
0)(24≤-==x d X g 0)(215<+-=-=x x d D X g
四、优化方法、编程及结果分析
1优化方法
综合上述分析可得优化数学模型为：()T
x x x X 321,,=；)(min x f ；
()0..≤x g t s i 。考察该模型，它是一个具有3个设计变量，5个约束条件的有约束
非线性的单目标最优化问题，属于小型优化设计，故采用SUMT 惩罚函数内点法求解。
2方法原理
内点惩罚函数法简称内点法，这种方法将新目标函数定义于可行域内，序列迭代点在可行域内逐步逼近约束边界上的最优点。内点法只能用来求解具有不等式约束的优化问题。
对于只具有不等式约束的优化问题
)(min x f
),,2,1(0)(..m j x j
g t s =≤
转化后的惩罚函数形式为
?∑
=-=m
j j x g r x f r x 1
)
(1
)(),(φ 或[]
∑=--=m
j j x g r x f r x 1
)(ln )()
,(φ
式中r ——惩罚因子，它是由大到小且趋近于0的数列，即
0210→>>> r r r 。
[]
∑∑==-m
j m
j j j x g x g 11)(ln )(1
—障碍项—或。 由于内点法的迭代过程在可行域内进行，障碍项的作用是阻止迭代点越出可行域。由障碍项的函数形式可知，当迭代靠近某一约束边界时，其值趋近于0，而障碍项的值陡然增加，并趋近于无穷大，好像在可行域的边界上筑起了一道“围墙”，使迭代点始终不能越出可行域。显然，只有当惩罚因子0→r 时，才能求得在约束边界上的最优解。
3编程
首先编制两个函数文件，分别保存为目标函数和约束函数。 function f=objfun(x)
f=pi*rou*((x(1)^2-d^2)*x(4)+(x(2)^2-d^2)*x(3)/4 再编写非线性约束函数文件M 文件ax.m; Function [c,ceq]=g(x); pi=3.14;
d=40; %主轴内径mm F=20000; %切削力N P=1.5; %主轴输入功率KW n=960; %主轴转速r/min E=2.1*10^5;
%主轴材料弹性模量N/mm^2
y=0.05; %许用挠度mm fa=1/12;
%许用扭转刚度/m ?
sita=0.0025; %许用偏转角
G=0.081; %轴材料的剪切弹性模量GPa
c(1)=64*F*x(4)^2*(4*x(4)/(x(1)^4-d^4)+3*x(3)/(x(2)^4-d^4))/(3*pi*E)-y;
c(2)=180*9549*P/(pi^2*n*G*(x(2)^4-d^4)/32)-fa;
c(3)=F*x(3)*x(4)/(3*E*(x(2)^4-d^4))-sita;
ceq=[];
在MATLAB命令窗口给出搜索值和线性约束，并调用优化程序：
x0=[120;110;450;120];
a=[1 0 0 0;-1 0 0 0;0 1 0 0;0 -1 0 0;0 0 1 0;0 0 -1 0;0 0 0 1;0 0 0 -1];
b=[160;-80;150;-70;600;-350;160;-80];
1b=[80;70;350;80];
ub=[160;150;600;160];
[x,fval]=fmincon(@axis_m,x0,a,b,[],[],1b,ub,@ax)
4结果分析
优化程序经过12次迭代计算收敛，得到结果如下：
x=107.6547 102.7428 350.0000 80.0000
fval=24.0857
圆整后得到X=(109,104,350,80)T，fval=24.9897，显然机床主轴结构比较合理。
图1
图2
参照以上图1、图2通过查阅机械设计手册发现优化结果没有超过材料的屈
服极限，轴的应变分布比较均匀，有利于材料的充分利用。
五、参考文献
[1]孙靖民，机械优化设计[M].3版. 北京：机械工业出版社，2003：124-172.
[2]韩晓明，铁占续，机械优化设计及其MA TLAB实现[J].焦作工学院学报，2004，(6)：467-470.
[3]储开宇，杜比强，段松屏，机床主轴参数的优化设计[J].水利电力机械，2000，(1)：2-4.
[4]周建平.基于MA TLAB的机械优化设计[J].黄石理工学院学报，2005，(3)：43-45.
[5]苏金明，阮沈勇.MA TLAB实用教程[M].北京：电子工业出版社，2002：100-146.
科技职业学院 毕业设计（论文）题目传动轴的工艺设计 院系名称机电工程系 班级 07机电1班 学生久辉 学号 070201104 指导教师丛伟 答辩教师贾其燕慧丽 时间 2010年5月10号
摘要 传动轴是组成机器零件的主要零件之，一切做回转运动的传动零件（例如：齿轮，蜗轮等）都必须安装在传动轴上才能进行运动及动力的传动，传动轴常用于变速箱与驱动桥之间的连接。这种轴一般较长，且转速高，只能承受扭矩而不承受弯矩。应该使传动轴具有足够的刚度和高临界转速，传动轴的设计方法是以材料力学为基础，根据轴的强度计算初定其外径，根据其所承受的载荷确定热处理工艺，然后校核临界转速和扭转稳定性。在强度计算中，由于所取的安全系数较大，从而使轴的尺寸过大，本文讨论的传动轴工艺设计方法，并根据现行规增添了些表面处理的方式比如表面发兰。 关键词：传动轴，零件，刚度，强度，表面发兰
ABSTRACT Shaft is composed of the main parts of the machine parts, all made rotary motion transmission parts (such as: gears, worm, etc.) must be installed on the transmission shaft to carry out the movement and force transmission, drive shaft commonly used in the transmission and drive axle the connection between. This axis generally longer, and high speed, can not bear to withstand torque moment. Should be sufficient to drive shaft stiffness and high critical speed, the drive shaft of the design method is based on mechanics of materials, according to the intensity calculated initially for the shaft diameter, determined according to the load they bear the heat treatment process, and then check the critical speed and torsion stability. In the strength calculation, Given the large safety factor taken, so that shaft size is too large, the paper discusses the shaft design process, and in accordance with existing norms of surface treatment to add some way of example, the surface of flange. Keywords：Shaft, parts, stiffness, strength, surface flange
气缸盖设计流程图
二、 设计规范 1主要功能描述 密封气缸，并与活塞共同形成燃烧空间，并承受高温高压燃气的作用。合理的气道布置为发动机工作过程提供所需要的新鲜空气和适合的旋流强度，并排出废气并为废气涡轮增压器提供驱动能量。 2设计原则 气缸盖应具有足够的强度和刚度，工作时缸盖变形最小并保证与其缸的结合面和气门的结合面有良好的密封。根据混合气形成方式使气门和气道布置合理，力求使内燃机性能良好。结构力求简单、铸造工艺良好；冷却合适，缸盖温度场分部均匀尽可能减小热应力，避免产生裂纹。缸盖鼻梁区是热负荷和机械符合最大的部位，应该从设计上确保该部位的强度、刚度和冷却效果。 3设计的边界条件 发动机最大功率、最大扭矩、压缩比、气缸直径、缸心距、缸盖螺栓位置、缸盖厚度、宽度、长度、冷却水孔位置。 4重要结构及性能参数 缸盖底板厚度、缸盖高度、气门个数及位置、喷油器（火花塞）位置、气道喉口直径、进排气道的位置；进气道流量系数旋流数、排气道流量系数。 5重要结构及参数的确定 1）底板厚度：缸盖底板厚度对气缸盖的可靠性有很大影响，底板同时承受机械负荷和热负荷。对于承受机械负荷要求底板有足够的厚 度，为了减小热应力底板应当减薄，因此气缸盖的可靠性就取决于对热负荷和机械负荷二者的协调。下列原则可以用来确定缸盖底面的最大厚度： 缸盖底板内部热传导的公式为： t wi （oC ）是缸盖底板燃烧室一侧的温度，t wa （oC ）是缸盖底板冷却水一侧的温度，q/F （千卡/米小时）是缸盖底板局部地区的热负荷， λ δF q t t t wa wi = ?=-
λ（千克/米小时度）是缸盖材料的导热系数， δ(米)是缸盖底板的局部厚度，将上式改写后便得出求底板局部厚度的公式： 用此公式便可大致确定缸盖底板的最大厚度。 2） 缸盖高度在某种意义上决定了缸盖的刚度，但是缸盖高度受到整机总布置的限制。 3） 进排气道的设计对内燃机性能有很大的影响， 进气道影响进气阻力和充气效率，排气道影响排气阻力和废气能量的利用。进气道 直段要尽可能直顺光滑，减小进气阻力，螺旋段要根据发动机的性能和燃烧系统的要求开发出合适的旋流强度。排气道的布置要尽量平顺，减小进气阻力。对于增压机，排气道的截面应设计成圆形，以减少向冷却系统的传热，减小能量损失。在柴油机中，为了减少排气道对进气的加热以提高充气系数，将进排气道部置在气缸两侧。 4）气门位置的确定：进气门与气缸壁的间隙为0.01D-0.02D ，排气门与气缸壁的间隙为0.01D-0.015D 。 FEV 公司认为喷油器与排气门 座间的壁厚≥5mm 。与进气门座间的壁厚≥4mm ，是可以满足可靠性要求的。气门间距不能太小，否则鼻梁区的型芯强度不够，容易造成烧结、夹渣等铸造缺陷。鼻梁区水套最小厚度应≥5mm 。 5）喷油器的位置对发动机性能，排放有很大影响。对于四气门发动机，喷油器位于气缸中心线上，是最佳布置。对于两气门发动机喷嘴要尽量靠近气缸中心。通常情况下对于两气门柴油机，欧I 排放的发动机喷嘴与气缸中心直线距离要小于10mm ，欧II 排放发动机该直线距离小于7mm 。 6）进排气门大小的确定：根据经验和Benchmarking 可以确定气门的大小，对于卡车发动机进排气门的取值范围是：进气门， 0.41
目录 （一）万向传动轴设计 1.1 概述 (02) 1.1 结构方案选择 (03) 1.2 计算传动轴载荷 (04) 1.3 十字轴万向节设计 (05) 1.4 传动轴强度校核 (07) 1.5 传动轴转速校核及安全系数 (07) 1.6 参考文献 (09)
概述 万向传动轴一般是由万向节、传动轴和中间支承组成。主要用于在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。 万向传动轴设计应满足如下基本要求： 1.保证所连接的两根轴相对位置在预计范围内变动时，能可靠地 传递动力。 2.保证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。 4.传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。 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，采用万向传动轴。
1.传动轴与十字轴万向节设计要求 1.1 结构方案选择 十字轴万向节结构简单，强度高，耐久性好，传动效率高，生产成本低，但所连接的两轴夹角不宜太大。当夹角增加时，万向节中的滚针轴承寿命将下降。 普通的十字轴式万向节主要由主动叉，从动叉，十字轴，滚针轴承及轴向定位件和橡胶封件等组成。 1. 组成：由主动叉、从动叉、十字轴、滚针轴承、轴向定位件和橡胶密封件组成 2. 特点：结构简单、强度高、耐久性好、传动效率高、成本低，但夹角不宜过大。 3.轴向定位方式： 盖板式卡环式瓦盖固定式塑料环定位式 4. 润滑与密封：双刃口复合油封多刃口油封
1.2 计算传动轴载荷 由于发动机前置后驱，根据表4-1，位置采用：用于转向驱动桥中 ①按发动机最大转矩和一档传动比来确定 T se1=k d T emax ki1i f i0η/n T ss1= G1 m’1υr r/ 2i mηm 发动机最大转矩T emax=186Nm 驱动桥数n=1， 发动机到万向传动轴之间的传动效率η=0.89， 液力变矩器变矩系数k={(k0 -1）/2}+1=1, 满载状态下一个转向驱动桥上的静载荷G1=50%m a g=0.5*1747*9.8=8530.9N，满载状态下一个驱动桥上的静载荷G2=65%m a g=0.65*1747*9.8=11128.39N， 发动机最大加速度的前轴转移系数m’1=0.8 发动机最大加速度的后轴转移系数m’2=1.3， 轮胎与路面间的附着系数υ=0.85， 车轮滚动半径r r=0.35, i=3.6 变速器一挡传动比 1 i=1 分动器传动比 f 主减速器从动齿轮到车轮之间传动比i m=0.55, 主减速器主动齿轮到车轮之间传动效率ηm=η发动机η离合器=0.98x0.96=0.94 因为0.195 m a g/T emax>16,f j=0，所以猛接离合器所产生的动载系数k d=1，主减速
汽车传动轴的可靠性优化设计 摘要：运用可靠性优化设计方法，建立了传动轴的可靠性分配模型及可靠性优化设计的数学模型，并进行了实例计算。 关键词：传动轴；可靠性；优化设计 前言 传动轴是汽车传动系中传递力矩的关键零件之一，其工作性能直接影响汽车是否能正常工作。传动轴的传统设计方法是以材料力学为基础，根据轴的强度计算初定其内、外径!然后校核临界转速和稳定性"。这种强度计算的特点是将传动轴的应力、强度都视作常量"。但由于各种因素的影响，轴的应力、强度是随机变量，因而按这种方法设计出的传动轴很难达到最优的结果。 可靠性优化设计是可靠性技术与优化技术相结合的一种设计方法，它的基本思想是在使结构或零部件达到最佳的性能指标时，要求不安全元件的工作可靠度不低于某一规定的水平；或在保证元件的主要性能条件下，使其可靠度达到最大。这样的设计方法不仅可保证零件的可靠度，而且使零件最优。本文运用这一方法对某汽车传动轴进行了设计，达到了比较满意的效果。 一传动轴的可靠度分配模型 两端连接万向节的传动轴，其主要失效形式有轴管折断、扭断，花键的齿面磨损、点蚀等。考虑到传动轴中任何一种失效都将
导致传动轴功能的丧失。故传动轴可看作是由各种性能组成的串联系统。对于这一串联系统，其可靠度模型可视为： 一般传动轴的预定可靠度指标考虑到工作中轴管折断、 扭断造成的危害最大，故取；同样花键齿根折断所造成的危害也较大，故取；由于花键齿面即使产生一些磨损，也并不影响传动轴正常工作，故，这样传动轴的可靠度可大于0.94. 二传动轴的可靠性优化设计 2.1 传动轴可靠性优化设计的方法 一般来说，传动轴设计所涉及的参数有：轴管的内外径D、d，花键轴的底径D2和外径D1 。为了减少设计参量的个数，使问题得到简化，一般先对传动轴管进行可靠性优化设计，确定其内外径，在此基础上再对花键进行可靠性校核计算。本文主要进行前部分工作。
编号： 传动轴设计计算书 编制：日期： 校对：日期： 审核：日期： 批准：日期：
一．计算目的 我们初步选定了传动轴，轴径选取Φ27（详见《传动轴设计方案书》），动力端选用球面滚轮万向节，车轮端选用球笼万向节。左、右前轮分别由1根等速万向节传动轴驱动。通过计算，校核选型是否合适。 二．计算方法 本车传动轴设计不是传统载货车上从变速器到后驱动桥之间长轴传动设计，而是半轴传动设计。而且传动轴材料采用高级优质合金钢，且热处理工艺性好，使传动轴的静强度和疲劳强度大为提高，因此计算中许用应力按照半轴设计采用含铬合金钢，如40Cr、42CrMo、40MnB,其扭转屈服极限可达到784 N/mm2左右，轴端花键挤压应力可达到196 N/mm2。 传动轴校核计算流程：
1.1 轴管直径的校核 校核： 两端自由支撑、壁厚均匀的等截面传动轴的临界转速 22 2 8 1.2x10 n e l d D+ =(r/min) 式中L传动轴长，取两万向节之中心距：mm D为传动轴轴管外直径：mm d为传动轴轴管直径：mm 各参数取值如下：D＝φ27mm，d＝0mm 取安全系数K=n e/n max，其中n max为最高车速时的传动轴转速，取安全系数K＝n e/n max=1.2～2.0。 实际上传动轴的最大转速n max＝n c/（i g×i0），r/min 其中：n c－发动机的额定最大转速，r/min； i g－变速器传动比； i0－主减速器传动比。
1.2 轴管的扭转应力的校核 校核扭转应力： τ＝ ][164 4τπ≤) -(d D DT J （N/mm 2） ][τ……许用应力，取][τ＝539N/mm 2[高合金钢（40Cr 、40MnB 等）、中频淬火抗拉 应力≥980 N/mm 2，工程应用中扭转应力为抗拉应力的0.5～0.6，取该系数为0.55，由此可取扭转应力为539 N/mm 2，参考GB 3077-88] 式中： T j ……传动系计算转矩，N ·mm ，2/k i i T T d g0g1x ema j η= N ·m T emax －发动机最大转矩N ·mm ； i g1－变速器一档传动比或倒档传动比； i g0－主减速器传动比 k d －动载系数 η-传动效率 1.3 传动轴花键齿侧挤压应力的校核 传动轴花键齿侧挤压应力的校核 ][)2 )(4(2121j j ZL D D D D T σσ≤-+= （N/mm 2 ） 式中：T j －计算转矩，N ·mm ； D 1,D 2－花键的外径和径，mm ； Z ………花键齿数 L ………花键有效长度
更多资料请访问.(.....) ...../ 4、毕业设计说明书的上边距:30mm；下边距:25mm；左边距:3Omm；右边距:2Omm；行间距1.5倍行距。 5、页眉的文字为“中北大学XXXX届毕业设计说明书”，用小四号黑体字，页眉线的上边距为25mm；页脚的下边距为18mm。 6参考文献 以上三项我也不会弄，你再弄一下。其他的自己再检查一下。
毕业设计说明书 传动轴的数控加工工艺及编程设计 学生姓名：贾伟学号：0821210509 学院：软件学院 专业：数控技术 指导教师：马军 2010年 5 月 27日 摘要 轴类零件在整个制造工业中发挥着重要作用。在汽车领域起着连接动力装置和运动装置的部位，在重型机械领域，起着传动动力，吊卸重物的重要组成部分等。细长轴是传动轴类零件的特点，在整个
轴类零件中也扮演着重要角色。现根据其零件特性，对其加工过程作详细分析，确定其加工过程中所 选刀具的种类、型号及其注意事项，并总结出该轴类零件的加工过程。 关键词：工艺分析，刀具，工艺卡片，编程 summary The summary axis parts throughout the manufacturing industry can play an important role. In the automotive industry plays a connection to the power plant and exercise equipment parts, in heavy machinery industry, plays a transmission power, lifting heavy objects, such as an important component of unloading. Slender shafts are driven shaft parts features throughout the axles in also play an important role. On the basis of their characteristics, on the part of its process for detailed analysis, to determine which process the selected type, model number and its considerations, and summarize the axles of the machining process. Tags: technology analysis tool process card programming 3。 目录 1 引言 ................................ ..... ................................ 2 1、零件图 ............................... ................................ 1.1、零件图的工艺分析 (3)
汽车设计课程设计说明书 设计题目：上海大众-桑塔纳志俊万向传动 轴设计 2014年11月28日
目录 1前言 2设计说明书 2.1原始数据 2.2设计要求 3万向传动轴设计 3.1万向节结构方案的分析与选择3.1.1十字轴式万向节 3.1.2准等速万向节 3.2万向节传动的运动和受力分析3.2.1单十字轴万向节传动 3.2.2双十字轴万向节传动 3.2.3多十字轴万向节传动 4 万向节的设计与计算 4.1 万向传动轴的计算载荷 4.2传动轴载荷计算
4.3计算过程 5 万向传动轴的结构分析与设计计算 5.1 传动轴设计 6 法兰盘设计
前言 万向传动轴在汽车上应用比较广泛。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。本设计注重实际应用，考虑整车的总体布置，改进了设计方法，力求整车结构及性能更为合理。传动轴是由轴管、万向节、伸缩花键等组成。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发生变化时实现两轴的动力传输；万向节由十字轴、十字轴承和凸缘叉等组成。传动轴的布置直接影响十字轴万向节、主减速器的使用寿命，对汽车的振动噪声也有很大影响。在传动轴的设计中，主要考虑传动轴的临界转速，计算传动轴的花键轴和轴管的尺寸，并校核其扭转强度和临界转速，确定出合适的安全系数，合理优化轴与轴之间的角度。
2 设计说明书 2.1 原始数据 最大总质量：1210kg 发动机的最大输出扭矩：Tmax=140N·m（n=3800r/min）； 轴距：2656mm； 前轮胎选取：195/60 R14 、后轮胎规格：195/60 R14 长*宽*高（mm）：4687*1700*1450 前轮距（mm)；1414 后轮距(mm):1422 最大马力(pa):95 2.2 设计要求 1．查阅资料、调查研究、制定设计原则 2．根据给定的设计参数(发动机最大力矩和使用工况)及总布置图，选择万向传动轴的结构型式及主要特性参数，设计出一套完整的万向传动轴，设计过程中要进行必要的计算与校核。 3．万向传动轴设计和主要技术参数的确定 （1）万向节设计计算 （2）传动轴设计计算 （3）完成空载和满载情况下，传动轴长度与传动夹角变化的校核 4．绘制万向传动轴装配图及主要零部件的零件图 3 万向传动轴设计 3.1 万向节结构方案的分析与选择 3.1.1 十字轴式万向节 普通的十字轴式万向节主要由主动叉、从动叉、十字轴、滚针轴承及其轴向定位件和橡胶密封件等组成。
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 function 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
机械制造工艺学课程设计 --传动轴加工工艺设计 班级： 指导老师： 组员：
传动轴机械加工工艺 轴类零件是常见的典型零件之一。按轴类零件结构形式不同，一般可分为光轴、阶梯轴和异形轴三类；或分为实心轴、空心轴等。它们在机器中用来支承齿轮、带轮等传动零件，以传递转矩或运动。 台阶轴的加工工艺较为典型，反映了轴类零件加工的大部分内容与基本规律。下面就以减速箱中的传动轴为例，介绍一般台阶轴的加工工艺。 1．零件图样分析
图A-1 图A-1所示零件是减速器中的传动轴。它属于台阶轴类零件，由圆柱面、轴肩、螺纹、螺尾退刀槽、砂轮越程槽和键槽等组成。轴肩一般用来确定安装在轴上零件的轴向位置，各环槽的作用是使零件装配时有
一个正确的位置，并使加工中磨削外圆或车螺纹时退刀方便；键槽用于安装键，以传递转矩；螺纹用于安装各种锁紧螺母和调整螺母。 根据工作性能与条件，该传动轴图样(图A-1)规定了主要轴颈M，N，外圆P、Q以及轴肩G、H、I有较高的尺寸、位置精度和较小的表面粗糙度值，并有热处理要求。这些技术要求必须在加工中给予保证。因此，该传动轴的关键工序是轴颈M、N和外圆P、Q的加工。 毛坯图 2．确定毛坯 该传动轴材料为45钢，因其属于一般传动轴，故选45钢可满足其要求。
本例传动轴属于中、小传动轴，并且各外圆直径尺寸相差不大，故选择￠60mm的热轧圆钢作毛坯。 3．确定主要表面的加工方法 传动轴大都是回转表面，主要采用车削与外圆磨削成形。由于该传动轴的主要表面M、N、P、Q的公差等级(IT6)较高，表面粗糙度Ra值(Ra=0.8 um)较小，故车削后还需磨削。外圆表面的加工方案(参考表A-3)可为： 粗车→半精车→磨削。
空心传动轴的优化设计 一、问题描述 设计一重量最轻的空心传动轴。空心传动轴的D 、d 分别为轴的外径和内径。轴的长度不得小于5m 。轴的材料为45钢，密度为7.8×10-6㎏/㎜，弹性模量E=2×105MPa ，许用切应力[τ]=60MPa 。轴所受扭矩为M=2×106N·mm 。 二、分析 设计变量：外径D 、内径d 、长度l 设计要求：满足强度，稳定性和结构尺寸要求外，还应达到重量最轻目的。 三、数学建模 所设计的空心传动轴应满足以下条件： （1） 扭转强度 空心传动轴的扭转切应力不得超过许用值，即 τ≤[]τ 空心传动轴的扭转切应力: () 4 416d D MD -= πτ 经整理得 0107.1544≤?+-D D d （2） 抗皱稳定性扭转切应力不得超过扭转稳定得临界切应力: ττ'≤ 2 327.0?? ? ??-='D d D E τ 整理得： 028.722 3 44≤?? ? ??---D d D d D D （3）结构尺寸 min l l ≥ 0≥d 0≥-d D
?????? ????=??????????=l d D x x x X 321 则目标函数为：()()[]() 32 22166221012.61012.6min x x x d D l x f -?=?-=-- 约束条件为：0107.1107.1)(15 4 14 25441≤?+-=?+-=x x x D D d X g 08.728.72)(2 /312142 4 112 /3442≤??? ? ??---= ? ? ? ??---= X x x x x x x D d D d D D g 055)(33≤-=-=x l X g 0)(24≤-==x d X g 0)(215<+-=-=x x d D X g 四、优化方法、编程及结果分析 1优化方法 综合上述分析可得优化数学模型为：()T x x x X 321,,=；)(min x f ； ()0..≤x g t s i 。考察该模型，它是一个具有3个设计变量，5个约束条件的有约束 非线性的单目标最优化问题，属于小型优化设计，故采用SUMT 惩罚函数内点法求解。 2方法原理 内点惩罚函数法简称内点法，这种方法将新目标函数定义于可行域内，序列迭代点在可行域内逐步逼近约束边界上的最优点。内点法只能用来求解具有不等式约束的优化问题。 对于只具有不等式约束的优化问题 )(min x f ),,2,1(0)(..m j x j g t s =≤
本科毕业设计（论文）通过答辩 课程设计 题目：转向轴的设计 学生： 学号： 院（系）： 专业： 指导教师： 2006年 12月 10日
转向轴的设计 陕西科技大学 机械制造技术基础课程设计任务书题目：设计“转向轴”（年产10000件） 内容：⑴零件图 1张 ⑵毛坯图 1张 ⑶工序图 1张 ⑷机械加工工艺卡片 1套 ⑸工艺规程 1套 ⑹课程设计说明书 1份
陕西科技大学课程设计说明书 目录 第1章………………………………………设计说明 第2章………………………………………零件分析 第3章………………………………………工艺分析 第4章………………………………………制定工艺路线 第5章………………………………………机械加工余量的确定第6章………………………………………确定切削用量 第7章………………………………………加工的几点说明 第8章………………………………………总结 第9章………………………………………参考文献
转向轴的设计 设计说明 本次课程设计是在我们学完了大学的全部基础课、技术基础课之后进行的。这是我们在进行毕业设计之前所学各课程的一次深入的综合性的总复习，也是一次理论联系实际的训练。因此，它在我们四年的大学生活中占有重要的地位。 就我个人而言，我希望能通过这次课程设计对自己未来将从事的工作进行一次适应性训练，从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力，为今后参加祖国的现代化建设打下一个良好的基础。 由于能力所限设计尚有许多不足之处，恳请各位老师给予指教。 1 .2.1 零件的分析 1.2.1.1 生产类型 本题目所要加工的为一阶梯轴，要求批，量为10000件，可确定其生产类型为大批量生产。 1.2.1.2 零件分析 题目所给定的零件是一主要支撑传动件和传递扭矩的阶梯轴，轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由圆柱面、圆锥面、螺纹、花键、沟槽等。考虑到加工工艺，在车外圆时在两端车刀无法顺利退出所以零件在两端应加退刀槽，详见零件图。 1.2.1.3 零件的工艺分析 阶梯轴零件图样的视图正确、完整、尺寸、公差及技术要求齐全。本零件各表面的加工并不困难，但零件左边的键槽与其左端面距离只有3mm，有点小加工时估要精确的保证上述要求则比较困难。分析该零件是作传动齿轮转矩所用，故可以将其键槽长度做的稍微小一点，也保证了阶梯轴的强度。又零件图中的直线度精度要求较高，加工时比较困难，即定位基准要保证。 1.2.2 工艺规程的设计 1.2.2.1 确定毛坯的制造形式
现代设计技术 2016-06-20
目录 1 问题描述 (2) 1.1 CAD模型简述 (2) 1.2 模型受力情况分析 (2) 2 有限元模型的建立 (3) 2.1 单元类型的选择及依据 (3) 2.2 模型材料属性 (4) 2.3 模型前处理 (5) 2.4 模型网格划分 (6) 2.5 建立刚性区域 (7) 3 有限元模型的加载 (9) 3.1 模拟轴承约束的施加 (9) 3.2 模型施加径向载荷 (9) 4 传动轴的优化设计 (11) 5课程总结 (16)
复杂载荷作用下的传动轴结构强度分析与优化设计1 问题描述 1.1 CAD模型简述 作为机械传动中的常见部件，传动轴通过连接键连接左右传动齿轮。由于齿轮啮合作用力效果，传动轴往往受到弯扭组合变形作用，受力情况复杂。传统的材料力学知识对于上述复杂载荷作用下的传动轴结构强度分析很困难，相对于轴上的键槽、轴肩等辅助定位和安装的微细结构都无法考虑，这就需要借助有限元软件对上述结构及相关细节进行进一步的强度分析。传动轴模型CAD示意图如图1所示，相关尺寸如图2所示。 图1传动轴三维模型 传动轴总体长度427mm，各细节尺寸如图2所示。 图2传动轴尺寸示意图 1.2 模型受力情况分析 传动轴两端键槽通过连接键与传动齿轮连接，这里大键槽受径向力作用，作用力大小2KN，小键槽受径向力作用，作用力大小3KN，作用在两端的转矩大小为为2KN/m。
2 有限元模型的建立 通过import命令导入上述传动轴模型文件，导入模型如图3所示。 图3导入模型示意图 2.1 单元类型的选择及依据 由于这里的传动轴属于三维实体模型，故需要采用三维单元类型对模型进行定义。SOLID 186单元是一个高阶3维20节点固体结构单元，SOLID 186具有二次位移模式可以更好的模拟不规则模型，尤其针对传动轴的键槽、轴肩等特征。该单元通过20个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz三个方向平移的自由度，并具有任意的空间各向异性，支撑塑性，超弹性，蠕变，应力钢化，大变形，大应变能力。
第五节传动轴结构分析与设计 传动轴总成主要由传动轴及其两端焊接的花键轴和万向节叉组成。传动轴中一般设有由滑动叉和花键轴组成的滑动花键，以实现传动长度的变化。为了减小滑动花键的轴向滑动阻力和磨损，有时对花键齿进行磷化处理或喷涂尼龙层；有的则在花键槽中放入滚针、滚柱或滚珠等滚动元件，以滚动摩擦代替滑动摩擦，提高传动效率。但这种结构较复杂，成本较高。有时对于有严重冲击载荷的传动，还采用具有弹性的传动轴。传动轴上的花键应有润滑及防尘措施，花键齿与键槽间隙不宜过大，且应按对应标记装配，以免装错破坏传动轴总成的动平衡。 传动轴的长度和夹角及它们的变化范围由汽车总布置设计决定。设计时应保证在传动轴长度处在最大值时，花键套与轴有足够的配合长度；而在长度处在最小时不顶死。传动轴夹角的大小直接影响到万向节十字轴和滚针轴承的寿命、万向传动的效率和十字轴旋转的不均匀性。 在长度一定时，传动轴断面尺寸的选择应保证传动轴有足够的强度和足够高的临界转速。所谓临界转速，就是当传动轴的工作转速接近于其弯曲固有振动频率时，即出现共振现象，以致振幅急剧增加而引起传动轴折断时的转速。传动轴的临界转速为 22 2 8 10 2.1 C c C k L d D n + ? = (4—13) 式中，n k为传动轴的临界转速(r／min)；L C为传动轴长度(mm)，即两万向节中心之间的距离；d c和D c分别为传动轴轴管的内、外径(mm)。 在设计传动轴时，取安全系数K=n k／n max=1.2～2.0，K=1．2用于精确动平衡、高精度的伸缩花键及万向节间隙比较小时，n max为传动轴的最高转速(r／min)。 由式(4—13)可知，在D c和L c相同时，实心轴比空心轴的临界转速低，且费材料。另外，当传动轴长度超过1．5m时，为了提高n k以及总布置上的考虑，常将传动轴断开成两根或三根，万向节用三个或四个，而在中间传动轴上加设中间支承。 传动轴轴管断面尺寸除满足临界转速的要求外，还应保证有足够的扭转强度。轴管的扭转切应力τc应满足
目录 1.1 汽车万向传动轴的发展与现状 (2) 1.2 万向传动轴设计技术综述 (2) 2 万向传动轴结构方案确定 (4) 2.1 设计已知参数 (4) 2.2 万向传动轴设计思路 (6) 2.3 结构方案的确定 (6) 3 万向传动轴运动分析 (9) 4 万向传动轴设计 (10) 4.1 传动载荷计算 (10) 4.2 十字轴万向节设计 (12) 4.3滚针轴承设计 (13) 4.4传动轴初步设计 (14) 4.5 花键轴设计 (15) 4.6 万向节凸缘叉连接螺栓设计 (16) 4.7 万向节凸缘叉叉处断面校核 (17) 5基于UG的万向传动轴三维模型构建 (18) 5.1万向节凸缘叉作图方法及三维图 (18) 5.2万向节十字轴总成作图方法及三维图 (21) 5.3 内花键轴管与万向节叉总成作图方法及三维图 (25) 5.4 花键、轴管与万向节叉总成作图方法及三维图 (2624) 5.5万向传动轴总装装配方法及三维图 (27) 6 万向传动装置总成的技术要求、材料及使用保养 (29) 6.1普通万向传动轴总成的主要技术要求 (29) 6.2万向传动轴的使用材料 (29) 6.3 传动轴的使用与保养 (30) 7 结论 (31) 总结体会 (32) 谢辞 (33) 附录1外文文献翻译 (34) 附录2模拟申请万向传动轴专利书 (48) 【参考文献】 (52)
1引言 1.1 汽车万向传动轴的发展与现状 万向传动装置的出现要追溯到1352年，用于教堂时钟中的万向节传动轴。1663年英国物理学家虎克制造了一个铰接传动装置，后来被人们叫做虎克万向节，也就是十字轴式万向节，但这种万向节在单个传递动力时有不等速性。1683年双联式虎克万向节诞生，消除了单个虎克万向节传递的不等速性，并于1901年用于汽车转向轮。上世纪初，虎克万向节和传动轴已在机械工程和汽车工业中起到了极其重要的作用。1908年第一个球式万向节诞生，1926年凸块式等速万向节出现，开始用于独立悬架的前轮驱动轿车和四轮驱动的军用车的前轮转向节。1949年由双联式虎克万向节演变而来的三销式万向节开始被使用在低速的商用车辆上。 直到现在，根据在扭转方向是是否有明显的弹性，万向节可分为刚性万向节和挠性万向节。刚性万向节是靠零件的铰链式传递动力，又分成不等速万向节（常用的为十字轴式）、准等速万向节（双联式、二销轴式等）和等速万向节（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。万向传动装置已经可以满足飞速发展的汽车科技[]1。 1.2 万向传动轴设计技术综述 汽车万向传动装置一般由万向节和传动轴以及中间支撑等组成，它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。以内燃机在作为动力的机械传动汽车中，万向传动装置是其传动系中必不可少的部分。万向传动装置设计的合理与否直接影响传动系的传动性能。选用与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运转和早期损坏。只有合理的设计，才能保证汽车在各种工况和路面条件下可靠地传递动力。 在汽车高速行驶的时候，万向传动装置也在伴随着高速旋转，并且源源不断的将动力从变速器的输出端输送到主减速器上。因此，万向传动装置的设计就显得十分重要，设计必须保证所连接的两轴的夹角及相对位置在一定范围内变化时，能可靠而稳定地传
1.设计参数 1．所设计的汽车的载重量为32吨，驱动形式为发动机前置、6轮驱动，汽车的最高时速为max 85Km/h a V =。斯达—斯太尔1491.280/038/66? ，其发动机的型号为WD 615.67。 2 .WD 615.67发动机的参数如表2—1： max P e ?最大功率，KW ； r η?传动系效率，取0.95r η=； g ?重力加速度，210m/s g =； r f ?滚动阻力系数，货车取0.02f =； D C ?空气阻力系数，0.9D C =； A ?汽车正面投影面积，2m 1A B H =，1B ?前轮距，对于重型汽车：12m B ≈； H ?汽车总高，3m H ≈。 所以：21236m A B H ==?= max a V ?最高车速，max 85Km/h a V =； a m ?汽车总质量，Κg a m =32000。 emax T ?发动机的最大输出转矩，emax T N m =1070 静态滚动半径 Rstat=0.376m 动态滚动半径 Rdyn=0.401m (N m/r/min)1070/1400
2.传动轴 驱动形式的汽车的传动轴有主传动轴，中、后桥传动轴和前桥驱动轴。 66 2.1 传动轴概述 传动轴是由轴管、伸缩套和万向节组成。伸缩套能自动调 节变速器与驱动桥之间的距离的变化。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、十字轴承和凸缘叉等组成，重型 汽车中，为了达到传递较大转矩的目的，十字轴承采用滚柱十 字轴轴承，并配合以短而粗的十字轴。在轴承端面设蝶形弹簧， 以压紧滚柱。十字轴的端面增加具有螺旋槽的强化尼龙垫片以 防止大角或大转矩传递动力时烧结。 传统结构的传动轴伸缩套是将花键套与凸缘叉焊接在一 起，将花键轴焊接在传动轴管上。我们决定采用的是GWB公 司所生产的传动轴，它是将花键轴与传动轴关焊接成一体，将花键轴与凸缘叉制成一体以便于挤压成型。在伸缩套管和花键轴的牙齿表面，整体涂浸一层尼龙材料以增加耐磨性和自润滑性，而且减少冲击负荷对传动轴的损害，提高缓冲能力。 该型传动轴在凸缘花键轴外增加了一个管形密封保护套，在该保护套端设置了两道聚氨酯橡胶油封，使伸缩套内形成了一个完全密封的空间，使伸缩花键轴不受外界沙尘的浸蚀，不仅防尘而且防锈。因此在装配时，在花键轴与套内一次性涂抹润滑脂，就完全可以满足使用要求，不需要油嘴润滑，减少了保养内容。 传动轴是一个高转速、少支撑的旋转体，因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。
分类号：U463 单位代码：10452 本科专业职业生涯设计规划人生方向实现人生梦想 汽车万向传动轴设计 姓名 学号 年级 2007级 专业车辆工程 系（院）工学院 指导教师 2011年 4 月 1 日
目录 第一部分 (4) 规划人生方向实现人生梦想 (4) 前言 (4) 1 自我分析 (4) 1.1个性特征分析 (4) 1.1.1 性格特征分析 (5) 1.1.2 兴趣爱好分析 (5) 1.2 个人能力分析 (5) 1.2.1 能力优势 (5) 1.2.2 能力弱势 (5) 1.3 价值观分析 (5) 1.3.1 人生价值观分析 (6) 1.3.2 职业价值观分析 (6) 2 环境分析 (6) 2.1 家庭环境分析 (6) 2.2 学校环境分析 (6) 2.3 社会环境分析 (7) 2.4 临沂环境分析 (7) 3 毕业打算及具体计划 (7) 3.1 做一公务人员 (7) 3.2 考研 (7) 3.3 自主创业 (7)
4 具体各阶段规划 (8) 4.1 2010年—2013年（短期目标） (8) 4.2 2014年—2019年（中期目标） (8) 4.3 2019年—退休 (9) 5 最后总结 (9) 第二部分 (9) 汽车万向传动轴设计 (9) 中文摘要 (9) ABSTRAT (10) 1概论 (11) 2华利微型客车TJ6350汽车原始数据及设计要求 (12) 3 万向传动轴的结构特点及基本要求 (13) 4 万向传动轴结构方案的分析 (15) 4.1 基本组成的选择 (15) 4.2 万向传动轴的计算载荷 (17) 5 万向传动的运动和受力分析 (18) 5.1 单十字万向节传动 (19) 5.1.1运动分析 (19) 5.1.2 附加弯曲力偶矩的分析 (20) 5.2 双十字轴万向节传动 (21) 6 万向传动轴的选择 (23) 6.1 传动轴管的选择 (23) 6.2 伸缩花键的选择 (23)