万向节传动轴设计

第七章万向传动轴设计

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6/29/2023

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。万向传动轴设计应满足如下基本要求：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。

保证所连接两轴尽可能等速运转。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。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。6/29/2023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）。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6/29/2023一、十字轴万向节典型的十字轴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。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。二、准等速万向节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。6/29/2023三、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32°～33°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4-1b），两个球叉上的直槽与轴的中心线倾斜相同的角度，彼此对称。在两球叉间的槽中装有四个钢球。由于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中心处于两轴夹角的平分面上。这种万向节加工比较容易，允许的轴间夹角不超过20°，在两叉间允许有一定量的轴间滑动。6/29/20232．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35°～37°的情况下工作。图4-2Rzeppaz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

6/29/2023Birfield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1.03～1.05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4-3Birfield型球笼式万向节

6/29/2023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Birfield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用到断开式驱动桥中。6/29/2023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

（4-2）如不计万向节的摩擦损失，主动轴转矩T1和从动轴转矩T2与各自相应的角速度有关系式，这样有

（4-3）显然，当最小时，从动轴上的转矩为最大；当最大时，从动轴上的转矩为最小。T1与一定时，T2在其最大值与最小值之间每一转变化两次。

6/29/2023附加架弯曲荣力偶叛矩的陷分析具有音夹角善的飞十字战轴万真向节哲，仅链在主扫动轴荒驱动张转矩丸和从铃动轴收反转匀矩的洪作用障下是两不能联平衡贷的。李从万笔向节炼叉与滤十字球轴之盾间的芽约束兵关系络分析就可知迎，主圣动叉适对十运字轴障的作内用力躬偶矩胞，除形主动醋轴驱纪动转纲矩T1之外艺，还荣有作口用在轮主动扮叉平品面的钞弯曲鸽力偶稳矩谁。同炒理，村从动掠叉对扇十字谁轴也灯作用坛有从座动轴架反转归矩T2和作行用在鼠从动弟叉平才面的烧弯曲胆力偶删矩。在披这四阁个力浇矩作毙用下宅，使园十字谋轴万含向节平得以睡平衡茶。图4-刑5十字俭轴万姻向节报的力滴偶矩a)=0，b)/2，=3/2当主嫩动叉处于0和时位巾置时苦（图4必存在喊，且妥矢量掠垂福直于顶矢量T2；处于/2位置青时-5织a），值由于T1作用勤在十极字轴躬平面蹄，为零斯；而T2的作职用平著面与尸十字住轴不晋共平岗面，必有合矢难量+T2指向叫十字细轴平天面的贫法线渐方向变，与T1大小硬相等葱、方资向相葬反。举这样完，从买动叉上的评附加酬弯矩=T1si恐nα。当主述动叉（图4-乏5b），心同理急可知=0，主动叉痕上的纯附加寨弯矩=T1ta姥nα。分析阶可知锹，附辈加弯增矩的雅大小宋是在旧零与膊上述进两最赛大值焦之间凳变化绒，其旺变化跑周期挪为，即谣每一涛转变写化两虑次。骆附加恰弯矩硬可引博起与旁万向童节相乖连零旋部件叛的弯江曲振己动，散可在原万向怎节主巷、从朱动轴馋支承仆上引床起周柳期性引变化衡的径屠向载渣荷，荐从而脖激起已支承掉处的翠振动总。因托此，钩为了厘控制粗附加饥弯矩抚，应擦避免异两轴希之间授的夹牵角过冶大。6/织26妇/2素02床3二、等双十肆字轴块万向娇节传络动当输响入轴匙与输赠出轴汪之间柜存在件夹角α时，刻单个虚十字钱轴万巴向节括的输星出轴慕相对攀于输毛入轴愁是不钞等速姥旋转粒的。编为使核处于耍同一且平面码的输走出轴夜与输展入轴者等速软旋转鼠，可匙采用润双万固向节听传动裙，但元必须喘保证级同传狠动轴玩相连妨的两岛万向验节叉亩应布笛置在箱同一班平面吃内，敬且使姜两万乌向节牵夹角α1与α2相等秩（图4-疑6）。当输周入轴目与输锁出轴糕平行巾时（异图4-乱6a），贷直接冬连接患传动脑轴的底两万迁向节昌叉所物受的喜附加翁弯矩万，使婆传动右轴发笨生如刻图4-叠6b中双下点划配线所都示的般弹性拉弯曲府，从摆而引新起传倍动轴堵的弯复曲振帝动。当输并入轴陪与输竭出轴割相交宴时（飘图4-猫6c），锐传动曲轴两婶端万似向节钓叉上畜所受鄙的附滥加弯性矩方浴向相蜓同，不能爪彼此分平衡，传动副轴发麻生如氏图4-偶6d中双豆点划纳线所兰示的破弹性孟弯曲会。图4-必6附加页弯矩搞对传怜动轴建的作礼用6/他26匆/2戴02并3第四禾节觉传宫动轴得结构薄分析悟与设角计传动床轴总陡成主磨要由修传动裹轴及沫其两豆端焊蛙接的决花键窄和万付向节吉叉组持成。圈传动从轴中敏一般始设有族由滑朱动叉继和花响键轴毫组成躬的滑盖动花框键，尾以实严现传腾动长彻度的耀变化垒。传动摸轴在旗工作帜时，图其长圾度和逗夹角国是在辜一定所范围怜变化堡的。毯设计任时应罪保证玩在传仿动轴笑长度脸处在草最大宽值时扬，花害键套众与轴秧有足薪够的禽配合稿长度向；而否在长毛度处闹在最菌小时舱不顶悼死。身传动纳轴夹窜角的嘴大小半直接瞎影响捆到万柳向节洋的寿坑命、忠万向洞传动质的效阿率和雅十字骄轴旋昼转的蛋不均邻匀性晶。在长碑度一塌定时例，传堂动轴昂断面躲尺寸屋的选面择应芳保证予传动舒轴有似足够眼的强寇度和膊足够剪高的云临界乎转速品。所嘴谓临校界转挂速，恭就是勉当传烧动轴动的工霉作转蠢速接售近于党其弯颂曲固樱有振帖动频耕率时公，即画出现湿共振炮现象糟，以且致振达幅急垃剧增门加而隙引起纷传动牺轴折与断时稀的转至速。归传动盼轴的蓬临界例转速nk（r/马mi贤n）为式中非，Lc为传材动轴塞长度（mm），即两红万向马节中牢心之助间的设距离唉；dc和Dc分别周为传道动轴