汽车设计 课件 第4章 万向节和传动轴设计

汽

车

设

计汽车设计第四章万向节和传动轴设计4.1本章概述4.2普通十字轴万向节4.3挠性万向节4.4准等速万向节4.5等速万向节4.6传动轴结构分析与设计4.7中间支承结构分析与设计汽车设计4.1本章概述万向传动装置组成：万向节、传动轴及其伸缩花键等功用：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作用场景：(1)两根轴不在同一轴线的传动，如变速箱输出轴和驱动桥输入轴(2)保证位于同一轴线两轴的同轴性，如动力总成输出轴和变速箱输入轴(3)多轴驱动的汽车上，分动器与各驱动桥之间或驱动器与另一驱动桥之间(4)连接在工作中相对位置变化的两根传递动力的轴，如转向驱动桥中内、外两半轴(5)汽车的转向系统中也采用万向传动装置来传递动力汽车设计4.1本章概述万向传动装置传动轴设计要求：汽车设计4.1本章概述万向节分类万向节刚性万向节挠性万向节不等速万向节（十字轴式）准等速万向节（双联式、凸块式、三销轴式、球面滚轮式）等速万向节（球叉式（圆弧槽滚道型、直槽滚道型）、球笼式（固定型、伸缩型））汽车设计4.2普通十字轴向万向节4.2.1普通十字轴向万向节结构：汽车设计4.2普通十字轴向万向节4.2.2单个十字轴向万向节的运动特性：

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

由上式可以看出：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：

主动叉转角十字轴刚性万向节的不等速特性曲线汽车设计4.2普通十字轴向万向节4.2.2单个十字轴向万向节的运动特性：

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可得显然，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(传递的功率相等)T1与一定时，T2在其最大值与最小值之间，每一转变化两次，见右图汽车设计4.2普通十字轴向万向节4.2.2单个十字轴向万向节的运动特性：——主动轴与从动轴之间的夹角；

T1——主动轴驱动转矩；

T2——从动轴反转矩

——作用在主动叉平面的弯曲力偶矩；

——作用在从动叉平面的弯曲力偶矩。当主动叉的处于0和时位置时(下图a)，T‘1必为零；从动叉上有附加弯矩=T1sinα在这四个力矩作用下，十字轴万向节得以平衡。

处于/2和3/2位置时(右图b)，当主动叉同理可知=0，主动叉上有附加弯矩=T1

tanα

汽车设计4.2普通十字轴向万向节4.2.3双十字轴向万向节的运动特性双万向节等速转动的条件：(1)三轴在同一平面内(2)第一万向节连接的两轴间夹角和第二万向节连接的两轴间夹角相等，即。(3)第一万向节从动叉和第二万向节主动叉在同一平面内单十字轴万向节传动的不等速性使从动轴及其相连的传动件产生扭转振动，形成附加的动载荷，影响零部件使用寿命。为了克服这一缺点，常采用两个十字轴万向节组成的双万向节传动。如右图。汽车设计4.2普通十字轴向万向节4.2.3双十字轴向万向节的运动特性附加弯矩对传动轴的作用输入轴与输出轴的轴线平行输入轴与输出轴的轴线相交汽车设计4.2普通十字轴向万向节4.2.4多十字轴向万向节的运动特性多万向节传动的从动叉相对主动叉的转角差计算公式——多万向节传动的当量夹角

θ——主动轴转角——主动叉的初相位角

多万向节传动的各轴轴线在同一平面各传动轴两端万向节叉平面之间的夹角为零或注：空载和满载两种工况下的不大于3°，对多万向节传动输出轴的角加速度幅值应加以限制。对于乘用车，；对于商车，。汽车设计损坏形式：钢球与接触滚道表面的疲劳点蚀，或因热处理不当、润滑不良或温度过高等造成磨损4.2普通十字轴向万向节4.2.5十字轴向万向节的设计——万向传动轴的计算转矩r——为合力F作用线到十字轴中心之间的距离——主、从动叉轴的最大夹角——十字轴轴颈直径——十字轴油道孔直径——十字轴轴颈根部的弯曲应力——十字轴轴颈根部的切应力——滚针直径——滚针工作长度汽车设计4.2普通十字轴向万向节4.2.5十字轴向万向节的设计矩形截面圆形截面万向节叉弯曲应力和扭应力十字轴万向节传动效率

f——轴颈与万向节叉的摩擦因数滑动轴承：滚针轴承：汽车设计4.3挠性万向节4.3.1挠性万向节结构：汽车设计4.3挠性万向节4.3.2挠性万向节设计盘式挠性万向节中橡胶盘的拉应力和挤压应力应满足——万向节静强度计算用转矩

、——橡胶盘的外半径和内半径

i——一个万向节叉上的螺栓数 b——橡胶盘的厚度R——橡胶盘的平均半径 ——橡胶盘的平均半径许用拉应力许用挤压应力汽车设计4.4准等速万向节准等速万向节——根据两个普通万向节实现等速传动的原理设计而成，只能近似地实现等速传动的万向节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，双联叉相当于两个在同一平面上的万向节叉，使主动轴与从动轴的角速度相等，应保证，双联式万向节的结构中装有分度机构，以保证双联叉的对称线平分所连两轴的夹角。汽车设计4.4准等速万向节凸块式万向节凸块式万向节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。两凸块相当于双联万向节装置中两端带有位于同一平面上的两万向节叉的中间轴及两十字销，因此可以保证输入轴与输出轴近似等速。这种结构工作可靠，加工简单，允许万向节夹角可达50°；但是由于工作面全为滑动摩擦，摩擦表面易磨损，所以传动效率低，并对密封和润滑要求较高。它主要用于传递转矩较大的越野车转向驱动桥。汽车设计4.4准等速万向节三销轴式万向节三销轴式万向节主要由两个偏心轴叉、两个三销轴和六个滚针轴承及其密封件等组成。三销轴式万向节可直接暴露在外面，并不需要加外球壳和密封装置；对万向节与转向节的同心度要求不太严。允许所连接的两轴最大夹角可达45°。这种结构主要用于总质量较大的越野车转向驱动桥。汽车设计4.4准等速万向节球面滚轮式万向节球面滚轮式万向节是应用较为广泛的准等速万向节，装在万向节轴5端部的三个销轴3上的球面滚轮4，可沿着与万向节轴1相连的圆管并在圆管上开有三个起伸缩花键作用的轴向槽2内移动，同时通过三个球面滚轮与轴向槽壁之间传递转矩。其结构应保证沿圆周等分的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。这种结构允许两轴间的工作夹角可达43°，加工也比较容易。汽车设计4.4准等速万向节准等速万向节的运动特性对于结构已确定的双联式万向节，a和b值是确定的值，则与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。计算公式汽车设计4.5等速万向节原理：从结构上保证万向节在工作过程中的传力点永远位于主、从动轴交点的平分面上分类：球叉式万向节和球笼式万向节4.5.1球叉式万向节球叉式万向节按钢球滚道形状可分为圆弧槽滚道型和直槽滚道型圆弧槽滚道型球叉式万向节由两个万向节叉、四个传力钢球和一个定心钢球组成。在主、从动叉上各有四个侧向的圆弧槽滚道，装合后两叉的滚道分别相对，中间各装一个传力钢球。定心钢球装在两叉中心的球心凹臼内，用于确定两叉之间相互摆动的中心。圆弧槽型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，这种万向节主要应用于总质量不大的越野车转向驱动桥。汽车设计4.5等速万向节直槽滚道型球叉式万向节如右图所示，两个球叉上的直槽与轴的中心线倾斜相同的角度且彼此对称。两球叉之间的滚道内装有4个传动钢球。由于两球叉中的滚道所处的位置是对称的，这就保证了4个钢球的中心处于两轴夹角的等分平面上。这种万向节加工比较容易，允许的两轴夹角不超过20°，在两叉间允许有一定量的轴间滑动。直槽滚道型球叉式万向节主要应用于断开式驱动桥中，当半轴摆动时，用它可补偿半轴的长度变化而省去滑动花键。4.5.1球叉式万向节汽车设计4.5等速万向节4.5.2球笼式万向节球笼式万向节根据万向节轴向能否运动，分为固定型球笼式万向节和伸缩型球笼式万向节固定形球笼式万向节主要由星形套，球笼、球形壳及钢球等组成。这种万向节允许的工作角可达42°。这种万向节需要重视润滑部分，润滑剂的使用主要取决于传动的转速和角度，比较好的方法是采用油浴和循环油润滑。在传递转矩时，由于六个钢球同时参加工作，其承载能力和耐冲击能力强，传动效率高，结构紧凑，安装方便；但是滚道的制造精度高，成本较高。汽车设计4.5等速万向节4.5.2球笼式万向节伸缩型球笼式万向节的结构如右图所示。该结构形式的内、外滚道是圆筒形的，在传递转矩过程中，星形套与筒形壳可以沿轴向相对移动，由于星形套与筒形壳之间的轴向相对移动是通过传力钢球沿内、外滚道滚动来实现的，其滑动阻力小，最适用于断开式驱动桥。这种万向节保持架的内球面中心B与外球面中心A位于万向节中心O的两边，且与O等距离。钢球中心C到A、B距离相等，以保证万向节的主、从动轴作等角速转动。汽车设计4.5等速万向节4.5.2球笼式万向节球笼式万向节的等速传动原理如右图所示。外滚道8的中心A与内滚道7的中心B分别位于万向节中心O的两边，且与O等距离。传力钢球6的中心C到A、B两点的距离也相等。保持架4的内外球面、星形套7的外球面和球形壳8的内球面均以万向节中心O为球心。因此，当两轴夹角变化时，保持架可沿内、外球面滑动，以保持传力钢球在一定位置。由此可见，由于OA=OB，CA=CB，则三角形△COA与△COB全等，因此，∠COA=∠COB，即两轴相交任意角α时，其传力钢球6的中心C都位于夹角的平分面上。此时，传力钢球到主动轴1和从动轴的距离a和b相等，从而保证了主、从动轴以相等的角速度转动。汽车设计4.5等速万向节4.5.3球笼式万向节的设计失效形式：钢球与接触滚道表面的疲劳点蚀，或因热处理不当、润滑不良或温度过高等造成磨损

Rzeppa型球笼式万向节设计由经验公式计算得到钢球直径d——传力钢球直径——万向节的计算转矩钢球的直径d确定后，其中的球笼、星形套等零件及有关结构尺寸可由右表确定汽车设计4.5等速万向节Birfield型球笼式万向节设计由经验公式计算得到星形套连接轴的直径，有关结构尺寸可由下表确定汽车设计4.6传动轴结构分析与设计传动轴管由壁厚均匀易平衡、壁薄(1.5~3.0m)、管径较大、扭转强度高、弯曲刚度大、适于高速旋转的低碳钢板卷制的电焊钢管制成，常用在变速箱与驱动桥之间的动力传递。(1)传动轴的结构1)广泛采用空心传动轴，在传递相同转矩情况下，空心轴具有更大的刚度和强度，而且质量轻，能传递较大的转矩，比实心传动轴具有更高的临界转速。2)传动轴的质量沿圆周均匀分布，用钢板卷制对焊成管形圆轴。

3)传动轴上有花键连接部分，传动轴一端焊有花键接头轴，与万向节滑动叉的花键套结合，传动轴允许伸缩(2)传动轴的结构特点汽车设计4.6传动轴结构分析与设计(3)传动轴的设计①传动轴的临界转速nk表达式

式中，Lc为传动轴长度（mm），即两万向节中心之间的距离；

dc和

Dc分别为传动轴轴管的内、外径（mm）。

安全系数K=nk/nmax=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。

nmax为传动轴的最高转速(r/min)。传动轴太长怎么办？当传动轴长度超过1.5m时，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。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。汽车设计③花键轴扭转强度②传动轴轴管断面的扭转强度式中，[]为许用扭转切应力，为300MPa；其余符号同前。

要求满足扭转切应力:Ts为传动轴的计算转矩(N·mm)

要求满足扭转切应力:式中，T's

为每一个花键齿承受的转矩；dh为花键轴的内直径④传动轴花键齿侧挤压强度式中，K‘为花键转矩分布不均匀系数，K‘

=1.3~1.4;n0为花键齿数；

dh、

Dh

为花键轴的内、外直径;Lh为花键的有效长度。(力除以面积乘以系数)汽车设计●传动轴总成不平衡是传动系弯曲振动的激励源，将产生明显的振动和噪声。●万向节中十字轴