万向传动轴设计

1、第四章万向传动轴设计第四章 万向传动轴设计 第一节 概述 第二节 万向节结构方案分析 第三节 万向传动的运动和受力分析 第四节 传动轴结构分析与设计 第五节 传动轴结构分析与设计 第六节 中间支承结构分析与设计万向传动系统第一节 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，应用有：1. 变速器与驱动桥之间2. 多轴驱动的汽车的分动器与驱动桥之间或驱动桥与驱动桥之间 3. 发动机与变速器之间（由于车架的变形造成轴线间相互位置变化的两传动部件）4. 采用独立悬架的汽车差速器之间5. 转向驱动车桥的差速器与车轮之间6. 汽车

2、的动力输出装置和转向操纵机构中万向传动装置在汽车上的应用：第一节 概述 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。 万向节结构第二节 万向节结构方案分析 第二节 万向节结构方案分析 万向节分为刚性万向节和挠性万向节。刚性万向节可分为不

3、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）见。不等速万向节是指万向节连接的两轴夹角大于零时，输出轴和输入轴之间以变化的瞬时角速度比传递运动的万向节。准等速万向节是指在设计角度下工作时以等于1的瞬时角速度比传递运动，而在其它角度下工作时瞬时角速度比近似等于1的万向节。输出轴和输入轴以等于1的瞬时角速度比传递运动的万向节，称之为等速万向节。 挠性万向节是靠弹性零件传递动力的，具有缓冲减振作用。万向节动画演示一、结构方案分析第二节 万向节结构方案分析 一、结构方案分析第二节 万向节结构方案分析 一、十字轴万向节 典型的十字轴万向节主要由主

4、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 见图。 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过大，当夹角由4增至16时，十字轴万向节滚针轴承寿命约下降至原来的1/4。 目前常见的滚针轴承轴向定位方式有盖板式(图4-l a、b)、卡环式(图4-lc、d)、固定式(图4-le)和塑料环定位式(图4-lf)等。1.盖板式（普通盖板、弹性盖板）2.卡环式（外卡、内卡）3.瓦盖固定式（类似于轴瓦）4.塑料环固定式一、十字轴万向节滚针轴承的轴向定位方式3、滚针轴承的润滑密封方式1. 毛毡油封2. 双刃口油封3. 多刃口油封二、准等速万向节

5、Near Constant Velocity Universal Joint 1. 双联式万向节是由两个十字轴万向节组合而成。为了保证两万向节连接的轴工作转速趋于相等，可设有分度机构。偏心十字轴双联式万向节取消了分度机构，也可确保输出轴与输入轴接近等速。 双联式万向节的主要优点是允许两轴间的夹角较大（一般可达50，偏心十字轴双联式万向节可达60），轴承密封性好，效率高，工作可靠，制造方便。缺点是结构较复杂，外形尺寸较大，零件数目较多。2. 凸块式万向节：凸块式万向节：它主要由两个万向节叉它主要由两个万向节叉l和和4以及两个特殊以及两个特殊形状的凸块形状的凸块2和和3组成。组成。 优点：可以暴露

6、在外，不需外加球壳和密封装置； 允许连接的两轴夹角较大，可达45；缺点：尺寸大、零件形状复杂、受附加婉拒和轴向力（需装轴向推力轴承）3. 三销轴式万向节：三销轴式万向节：是由双联式万向节演变而来。它主要由是由双联式万向节演变而来。它主要由两个偏心轴叉、两个三销轴和六个滚针轴承组成。两个偏心轴叉、两个三销轴和六个滚针轴承组成。 3. 三销轴式万向节三销轴式万向节 三销轴式万向节的最大特点是允许三销轴式万向节的最大特点是允许相邻两轴有较大的交相邻两轴有较大的交角角，最大可达，最大可达45450 0。 三个球面滚轮的轴线始终位于或近似位于万向节两轴夹角的等分面上。工作夹角可达43。4. 球面滚轮式万

7、向节：应用广泛。 5. 准等速万向节小结 1.双联式 (越野车转向驱动桥）2.凸块式（中重型汽车转向驱动桥）3.三销轴式（中重型越野车转向驱动桥）4球面滚轮式万向节 凸块式和三销式都是由双联式演变而来。 十字轴可认为是四销轴，三销轴实际上 是将十字轴中的一个轴去掉后的结构。三、等速万向节 1球叉式万向节 球叉式万向节按其钢球滚道形状不同可分为圆弧槽和直槽两种形式。 圆弧槽滚道型的球叉式万向节（图4-1a）由两个万向节叉、四个传力钢球和一个定心钢球组成。两球叉上的圆弧槽中心线是以O1和O2为圆心而半径相等的圆，O1和O2到万向节中心O的距离相等。当万向节两轴绕定心钢球中心O转动任何角度时，传力钢

8、球中心始终在滚道中心两圆的交点上，从而保证输出轴与输入轴等速转动。 球叉式万向节结构较简单，可以在夹角不大于3233的条件下正常工作。图4-1 球叉式万向节a)圆弧槽滚道型 b)直槽滚道型 直槽滚道型球叉式万向节（图直槽滚道型球叉式万向节（图4-1b），），两个球叉上的两个球叉上的直槽与轴直槽与轴的中心线倾斜相同的角度的中心线倾斜相同的角度，彼此对，彼此对称。在两球叉间的槽中装有四个钢称。在两球叉间的槽中装有四个钢球。由于球。由于两球叉中的槽所处的位置两球叉中的槽所处的位置是对称的，这便保证了四个钢球的是对称的，这便保证了四个钢球的中心处于两轴夹角的平分面上中心处于两轴夹角的平分面上。这。这种

9、万向节加工比较容易，允许的种万向节加工比较容易，允许的轴轴间夹角不超过间夹角不超过20，在两叉间允许在两叉间允许有一定量的轴间滑动。有一定量的轴间滑动。 2球笼式万向节 球笼式万向节是目前应用最为广泛的等速万向节。Rzeppa 型球笼式万向节（图4-2）是带分度杆的，六个传力钢球2由球笼4保持在同一平面内。当万向节两轴之间的夹角变化时，靠比例合适的分度杆6拨动导向盘5，并带动球笼4使六个钢球2处于轴间夹角的平分面上。 经验表明，当轴间夹角较小时，分度杆是必要的；当轴间夹角大于11时，仅靠球形壳和星形套上的子午滚道的交叉也可将钢球定在正确位置。这种等速万向节可在两轴之间的夹角达到3537的情况下

10、工作。 图4-2 Rzeppaz型球笼式万向节1球形壳 2钢球 3星形套 4球笼 5导向盘 6分度杆 Birfield型球笼式万向节 Birfield型球笼式万向节（图4-3）取消了分度杆，球形壳和星形套的滚道做得不同心，使其圆心对称地偏离万向节中心。这样，即使轴间夹角为0，靠内、外子午滚道的交叉也能将钢球定在正确位置。当轴间夹角为0时，内、外滚道的横断面为椭圆形，接触点和球心的连线与过球心的径向线成45角，椭圆在接触点处的曲率半径选为钢球半径的1.031.05倍。当受载时，钢球与滚道的接触点实际上为椭圆形接触区。这种万向节允许的工作角可达42。由于传递转矩时六个钢球均同时参加工作，其承载能力

11、和耐冲击能力强，效率高，结构紧凑，安装方便，应用较为广泛。但是滚道的制造精度高，成本较高。图4-3 Birfield型球笼式万向节 伸缩型球笼式万向节 伸缩型球笼式万向节（图4-4）结构与一般球笼式相近，仅仅外滚道为直槽。在传递转矩时，星形套与筒形壳可以沿轴向相对移动，故可省去其它万向传动装置的滑动花键。这不仅结构简单，而且由于轴向相对移动是通过钢球沿内、外滚道滚动实现的，所以与滑动花键相比，其滚动阻力小，传动效率高。这种万向节允许的工作最大夹角为20。 图4-4伸缩型球笼式万向节 Rzeppa型球笼式万向节主要应用于转向驱动桥中，目前应用较少。Birfield型球笼式万向节和伸缩型球笼式万向

12、节被广泛地应用在具有独型球笼式万向节和伸缩型球笼式万向节被广泛地应用在具有独立悬架的转向驱动桥中，在靠近转向轮一侧采用立悬架的转向驱动桥中，在靠近转向轮一侧采用Birfield型万向节，靠型万向节，靠近差速器一侧则采用伸缩型球笼式万向节。伸缩型万向节还被广泛地应近差速器一侧则采用伸缩型球笼式万向节。伸缩型万向节还被广泛地应用到断开式驱动桥中。用到断开式驱动桥中。 四、挠性万向节 Flexible Universal Jointv组成： 橡胶件 主、被动轴v弹性变形： 35度的小角度和微轴向位移v吸振、无需润滑1螺丝 2橡胶 3中心钢球 4黄油嘴 5传动凸缘 6球座 （等速万向接头原理） 四、挠

13、性万向节 Flexible Universal Joint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时， 主动轴的角速度 与从动轴的角速度 之间存在如下的关系 （4-1） 由于cos 是周期为2 的周期函数，所以 也为同周期的周期函数。当 为0、 时， 达最大值 且为 ；当 为 /2、3 /2时， 有最小值 且为 。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 12212cossin-1cos12112/12max2cos/112min2co

14、s1tansin1min2max2k（4-2）如不计万向节的摩擦损失，主动轴转矩如不计万向节的摩擦损失，主动轴转矩T1和从动轴转矩和从动轴转矩T2与各自相应的与各自相应的角速度有关系式角速度有关系式2211TT（功率相等），这样有 11222coscossin1TT（4-3）显然，当显然，当12/最小时，从动轴上的转矩为最大cos/1max2TT；当12/最大时，从动轴上的转矩为最小cos1min2TT。T1与一定时，T2在其最大值与最小值之间每一转变化两次。 图表示两轴转角差 随主动轴转角 的变化关系。必须注意的是，所谓的“传动的不等速性”，是指从动轴在一周中角速度不均而言。而主、从动轴的平

15、均转速是相等的，即主动轴转过一周从动轴也转过一周。21121单万向节转动的不等速性，将使从动轴及与其相连的传动部件产生扭转振动，从而产生附加的交变载荷，影响部件寿命。两轴交角 越大，转角差越大，即万向节转动的不等速性越严重。 一、单十字轴万向节传动 一、单十字轴万向节传动 十字轴式刚性万向节传动的不等速性，单个十十字轴式刚性万向节传动的不等速性，单个十字轴式刚性万向节在输入轴和输出轴字轴式刚性万向节在输入轴和输出轴之间有夹角的情之间有夹角的情况下，其两轴的角速度是不相等的况下，其两轴的角速度是不相等的。 主动叉在垂直位置，并且十字轴平面与主动主动叉在垂直位置，并且十字轴平面与主动轴垂直的情况轴

16、垂直的情况 一、单十字轴万向节传动 当万向节传动时，十字轴是绕o点转动的，其上a、b两点于十字轴平面内的线速度在数值上应相等，即vb=va。因此，vbva。由此可知，当主、从动叉转到这位置时，从从动轴的转速大于主动轴的动轴的转速大于主动轴的转速转速。 主动叉在水平位置，并且十字轴平面与从动轴垂主动叉在水平位置，并且十字轴平面与从动轴垂直时的情况直时的情况 。当主、从动叉转到所述位置时，从。当主、从动叉转到所述位置时，从动轴转速小于主动轴转速。动轴转速小于主动轴转速。 此时主动叉与十字轴连接点a的线速度va在平行于从动叉的平面内，并且垂直于主动轴。 va va，而va=vb。因此，va vb，即

17、当主、从动叉转到所述位置时，从动轴转速小于从动轴转速小于主动轴转速主动轴转速。 一、单十字轴万向节传动 十字轴万向节的附加弯矩分析1222coscossin1TTcos1max2TTcos1min2TT l = 0 和 T2= Tl sinal =/2和3/2 Tl= Tl tana附加弯矩使主、从动叉轴支承承受周期性变化的径向载荷:从动叉径向载荷：F2jT2/L2 = Tl sina/ L2 从动轴支撑和和万向节：F2cT1/L2cosa = Tl tana/ L2 cosa为限制附加弯矩，应避免两轴间的夹角过大。二、双十字轴万向节传动 v组成：两个十字轴、一根传动轴v第一万向节主动叉由初始

18、位置转过 1，第一万向节从动叉即传动轴或第二万向节主动叉转过2；v第二万向节被动叉即驱动桥输入轴转过4： tg 1=tg 2cos1 tg 4=tg 2cos 2v若1 2，则4 1双十字轴式万向节等速传动条件：1）传动轴两端万向节叉处于同一平面内；2）第一万向节两轴间夹角1与第二万向节两轴间夹角2相等。附加弯矩对传动轴的作用cos1max2TTcos1min2TT附加弯矩的画法：附加弯矩的画法：1）平行于主动轴画出）平行于主动轴画出主动轴传递的主动轴传递的T1；2）平行于被动轴接着）平行于被动轴接着T的尾部画出被动轴的尾部画出被动轴的阻力转矩的阻力转矩T2；3）根据主被动叉的位）根据主被动叉

19、的位置，判断出附加弯置，判断出附加弯矩的方向和大小；矩的方向和大小；4）形成封闭的矢量三）形成封闭的矢量三角形。角形。附加弯矩对传动轴的作用cos1max2TTcos1min2TT 三、准等速万向节传动摆动中心间的距离保持不变，AB A B =a+b根据正弦定理实现等角速传动，应使1 2 ,即 对于结构已确定的双联式万向节，a和b值是确定的值，则1, 2只在某一转角下才能相等，因此双联式万向节在不同转角下只能实现近似等角速传动。四、等速万向节传动球笼式万向节等速原理外滚道中心点A与内滚道中心点B分别位于万向节中心O的两边，且与O等距。AC=BC,AO=BO,CO=CO 当主动轴与从动轴处于任意

20、夹角时，C点都处于主动轴与被动轴夹角的平分线上。球叉式万向节等速原理第四节 万向节设计nikiTkTfedse1max1niikiTkTofedse21max2mmorssiirmGT221mmrssirmGT2112niirFTmmortsf1nirFTmmrtsf22按日常平均使用转矩来确定按驱动轮打滑来确定按发动机最大转矩和一挡传动比来确定 用于转向驱动桥中 用于变速器与驱动桥之间 位 置计算方法一、万向传动的计算载荷T1 万向传动轴因布置位置不同，计算载荷是不同的有三种计算方法： 静强度计算，计算载荷 T1 取 Tsel 和 Tssl 的最小值或取Tse2和 Tss2 的最小值，即 T

21、1 =minTsel，Tssl或 T1 = minTse2，Tss2 ；疲劳寿命计算，计算载荷 T1 取Tsfl或Tsf2。车 型高挡传动比ifg与低挡传动比ifd的关系ifn4 X 4ifg ifd/2ifg1ifg ifd/3ifg2ifg/2 ifd/3ifd3驱动桥数n 与 分动器传动比if 选取 )195. 0161001maxeaTgm（16195. 0maxeaTgm16195. 0maxeaTgm 性能系数fj的选取0动载系数kd与传动形式及性能系数有关 fj = 二、十字轴式万向节设计 1. 保证十字轴轴颈处有足够的弯曲强度： cos2rTFs WswddFd)(324241

22、1 设各滚针对十字轴轴颈作用力的合力为F 2.十字轴轴颈根部的弯曲、剪切应力应满足： )(42221ddF =250350MPa= 80120MPa3.应保证滚针轴承有足够的接触强度 0(0.15 1.00)bLLd当滚针和十字轴轴颈表面硬度在当滚针和十字轴轴颈表面硬度在58 HRC以上时，以上时，许用接触应力许用接触应力j=30003200MPa4.万向节叉强度计算万向节叉在与十字轴联接处，产生支承反力；与十字轴轴孔中心线成45B-B截面处为危险截面；弯曲应力 = 5080MPa扭转应力 = 80160MPa.wwF eW .tF aW16/,10/,62222hbWbhWkhbWbhWtt

23、椭圆形截面：矩形截面：抗弯系数和抗扭系数：5.万向节的传动效率 通常约为97%99。 102 tan1dfr)25(时)25(时三、球笼式万向节设计1.Rzeppa型球笼式万向节设计 假定带分度机构的Rzeppa型球笼万向节在传递转矩时六个传力钢球均匀受载，则钢球的直径可按下列经验公式确定： 式中d为传力钢球直径（mm），T1计算转矩（N.mm）； 计算钢球直径应圆整并取最接近国家标准的直径。 1.Rzeppa型球笼式万向节设计 假定带分度机构的Rzeppa型球笼万向节在传递转矩时六个传力钢球均匀受载，则钢球的直径可按下列经验公式确定： 式中d为传力钢球直径（mm），T1计算转矩（N.mm）；

24、 计算钢球直径应圆整并取最接近国家标准的直径。341101 .2Td三、球笼式万向节设计2.Birfield型球笼式万向节设计以与星形套连接轴的直径ds作为万向节的基本尺寸 式中T1为计算转矩，SF为使用因素，对于无振动的理想传动取0，有轻微振动的取1.2-1.5，有中等振动的取1.7-2.0，振动十分严重的取2.7-3.6。 Birfield型球笼万向节系列数据（表4-4）312 .87FsSTd 3.挠性万向节设计 盘式挠性万向节橡胶盘的拉应力和挤压应力应满足式中Tmax为万向节静强度计算转矩，i为一个万向节叉上的螺栓数，R为橡胶盘平均半径，R1、R2为橡胶盘外、内半径，b为橡胶盘厚度，d

25、0为螺栓孔直径许用拉应力12-15MPa，许用挤压应力8MPa。jjLLiRbdTdRRiRbT0max021max)(第五节 传动轴结构分析与设计一、传动轴与驱动轴二、传动轴设计1、传动轴的结构形式 实心用于转向驱动桥的半轴 空心用于FR传动系的万向传动轴2、传动轴的参数 长度、夹角：由总布置确定 （不脱落，不顶死） 临界转速：由传动轴尺寸确定传动轴的临界转速问题n:临界转速；d1，d2：传动轴内外径；L：传动轴长度提高临界转速的办法：提高临界转速的办法：1）缩短传动轴长度；2）总长度不变的情况下，将传动轴分成几段；3）将传动轴做成空心的。（无缝钢管或1.53mm厚的薄钢板卷焊） 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。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。的转速。传动轴的临