汽车设计课件：万向传动轴设计-

1万向传动轴设计2本章

重点万向传动轴的分类和工作原理

万向传动的运动和受力分析

万向节设计

传动轴结构分析和设计34.1概述

汽车上的万向传动轴，由万向节、轴管及其伸缩花键等组成。在工作过程中，在汽车上有些轴之间的相对位置不断发生变化。万向节按其在扭转方向是否有明显的弹性变形，可以分为刚性万向节和柔性万向节。对万向节传动的要求如下：

(1)当两轴的相对位置在预计的范围内变动时，能可靠而稳定地传递动力。

(2)保证所连接的两轴尽可能等速旋转。

(3)由万向节传动引起的振动、噪音以及附加载荷在允许范围内。44.1概述(4)传动效率高，使用寿命长。

(5)结构简单、制造方便、维修容易。万向节传动在汽车传动系中的应用54.2万向节结构方案分析1.十字轴式万向节由两个万向节叉及与它们相连的十字轴、滚针轴承及其轴向定位件和油封等组成。64.2万向节结构方案分析1.十字轴式万向节十字轴轴颈通过滚针轴承装在万向节叉的孔中，由于滚针轴承不能承受轴向力，所以在结构上要采取轴向定位措施。为延长寿命，要进行润滑。塑料环定位结构具有弹性盖板的定位结构复合油封一次润滑的多刃油封74.2万向节结构方案分析2.准等速万向节(1)双联式万向节双联式万向节实际上是由两个十字轴万向节组合而成。轴承密封性能好，效率高，工作可靠；不需特殊的工艺设备，但外形尺寸较大，零件数目多。由于双联式万向节滚针轴承的挤压应力受到限制，因此它传递的转矩也有一定的局限性。

84.2万向节结构方案分析2.准等速万向节(2)凸块式万向节

凸块式万向节是一种双联式万向节。它主要由两个万向节叉1和4以及两个不同形状的特殊凸块2和3组成。94.2万向节结构方案分析2.准等速万向节(3)三销轴式万向节

三销轴式万向节由2个偏心轴叉、2个三销轴和6个滚针轴承组成。三销轴式万向节所允许的最大夹角为45°，在转向驱动桥中采用这种万向节可使汽车获得较小的转弯直径，提高汽车的机动性。104.2万向节结构方案分析2.准等速万向节(3)球面滚轮式万向节114.2万向节结构方案分析3.等速万向节(1)球叉式万向节根据其钢球滚道的形状可分为圆弧槽式和直槽式两种。

圆弧槽球叉式直槽球叉式124.2万向节结构方案分析3.等速万向节(2)球笼式万向节球笼式万向节是目前应用最为广泛的一种等速万向节，可分为带分度机构和不带分度机构两种。主要有Rzeppa型、Birtleld型和伸缩型等三种球笼式万向节。

A、Rzeppa型等速万向节134.2万向节结构方案分析3.等速万向节

B、Birfield型球笼等速万向节

C、伸缩型球笼万向节

Birfield型球笼式万向节伸缩型球笼式万向节

144.2万向节结构方案分析4.挠性万向节挠性万向节依靠橡胶盘、橡胶金属套筒、铰接块、六角环形橡胶圈等多种形状和类型橡胶弹性元件的弹性变形，来保证在相交两轴(两轴夹角不大或有一定轴向位移)间传动时不发生干涉。具有球面对中机构的挠性万向节具有轴向变形的挠性万向节

154.3万向节传动的运动分析4.3.1单万向节传动(普通十字轴式万向节)

普通十字轴万向节的主动轴与从动轴转角间的关系式为

设万向节夹角保持不变，将式上式对时间求导，并且把用表示，则得主动轴转矩和从动轴转矩之间的关系。如果不计万向节里的摩擦损失，应该保持功率平衡，即：164.3万向节传动的运动分析4.3.1单万向节传动(普通十字轴式万向节)

由力偶矩平衡原理可知，在工作时，万向节的力偶矩是平衡的。因此，除和外，万向节十字轴上必然还作用有另外的力偶矩－附加弯矩。附加弯矩(又称为二阶弯矩)是周期性变化的，它可激起与万向节相连机件的弯曲振动。从动叉轴的角加速度：可见，当输入轴转速很高，且输入、输出轴之间夹角较大时，由于从动叉轴旋转的不均匀加剧所产生的惯性力矩可能会超过结构许用值，应采取有效方法降低惯性力矩。174.3万向节传动的运动分析4.3.2双万向节传动(普通十字轴式万向节)

为克服单万向节传动代来的缺点，出现了双万向节传动，使得处于同一个平面内的输出轴与输入轴等速旋转。要满足如下条件：

(1)与传动轴相连的两个万向节叉布置在同一平面内。

(2)两万向节与传动轴的夹角相等184.3万向节传动的运动分析4.3.2双万向节传动(普通十字轴式万向节)

在双万向节传动中，直接与输入轴和输出轴相连的万向节叉所受的附加弯矩分别由相应轴的支承反力平衡。194.3万向节传动的运动分析4.3.3多万向节传动（普通十字轴式万向节）多万向节传动的运动分析，是建立在单万向节运动分析的基础上的。204.3万向节传动的运动分析4.3.3多万向节传动（普通十字轴式万向节）多万向节传动的从动叉相对主动叉的转角差(rad)的计算公式与单万向节相似，可写成假如多万向节传动的各轴轴线均在同一平面，且各传动轴两端万向节叉平面之间的夹角为0或/2，则当量夹角为

式中的正负号的确定：当第一万向节的主动叉处在各轴轴线所在的平面内，在其余的万向节中，如果其主动叉平面与此平面重合定义为正，与此平面垂直定义为负。214.4万向节的设计计算

十字轴的主要失效形式是轴颈根部断裂，所以在设计十字轴万向节时，应保证十字轴颈有足够的抗弯强度。设滚针对十字轴轴颈的作用力合力为224.4万向节的设计计算

十字轴轴颈根部的弯曲应力和剪切应力为十字轴滚针轴承的接触应力为力作用下一个滚针所受的最大载荷(N)。万向节叉承受弯曲和扭转载荷，弯曲应力和扭应力应满足234.5传动轴的设计

传动轴设计的主要内容是选择传动轴长度和断面尺寸。在选择传动轴长度和断面尺寸时，要着重考虑使传动轴有足够高的临界转速、扭转强度。所谓传动轴的临界转速是指旋转轴失去稳定性的最低转速。假设传动轴为断面均匀一致，两端自由支承的弹性梁(简支弹性梁)，则离心力为：244.5传动轴的设计

与离心力相平衡的弹性力为又因为故有认为在达到临界转速的角速度时传动轴将破坏，即，则有对于传动轴管，有254.5传动轴的设计

最终得传动轴的临界转速(r/min)为

传动轴轴管的断面尺寸除应满足临界转速的要求外，还应保证有足够的扭转强度。轴管的扭转应力(MPa)应满足对于传动轴上的花键轴，通常以底径计算其扭转应力(MPa)。传动轴花键的齿侧挤压应力(MPa)应满足264.6中间支撑

为了提高传动系的弯曲刚度、改善传动系弯曲振动特性，减少噪音常常将传动轴分段，分段后需加中间支撑。中间支承一般安装在车架横梁上或车身底架上，以补偿传动轴轴向和角度方向的安装误差以及由于动力总成(发动机+离合器+变速器)弹性悬置和车架等变形