萬向傳動軸設計

1、第四章萬向傳動軸設計第四章 萬向傳動軸設計 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 萬向節(jié)結構方案分析 第三節(jié) 萬向傳動的運動和受力分析 第四節(jié) 傳動軸結構分析與設計 第五節(jié) 傳動軸結構分析與設計 第六節(jié) 中間支承結構分析與設計萬向傳動系統(tǒng)第一節(jié) 概述 萬向傳動軸一般是由萬向節(jié)、傳動軸和中間支承組成。主要用于在工作過程中相對位置不斷改變的兩根軸間傳遞轉矩和旋轉運動，應用有：變速器與驅動橋之間多軸驅動的汽車的分動器與驅動橋之間或驅動橋與驅動橋之間 發(fā)動機與變速器之間（由于車架的變形造成軸線間相互位置變化的兩傳動部件）采用獨立懸架的汽車差速器之間轉向驅動車橋的差速器與車輪之間汽車的動力輸出裝置和轉向操縱機構中萬向傳

2、動裝置在汽車上的應用：第一節(jié) 概述 萬向傳動軸設計應滿足如下基本要求： 保證所連接的兩根軸相對位置在預計范圍內變動時，能可靠地傳遞動力。 保證所連接兩軸盡可能等速運轉。由于萬向節(jié)夾角而產生的附加載荷、振動和噪聲應在允許范圍內。 傳動效率高，使用壽命長，結構簡單，制造方便，維修容易等。 變速器或分動器輸出軸與驅動橋輸入軸之間普遍采用十字軸萬向傳動軸。在轉向驅動橋中，多采用等速萬向傳動軸。當后驅動橋為獨立的彈性，采用萬向傳動軸。 萬向節(jié)結構第二節(jié) 萬向節(jié)結構方案分析 第二節(jié) 萬向節(jié)結構方案分析 萬向節(jié)分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié)。剛性萬向節(jié)可分為不等速萬向節(jié)（如十字軸式）、準等速萬向節(jié)（如雙聯(lián)式、凸

3、塊式、三銷軸式等）和等速萬向節(jié)（如球叉式、球籠式等）見。不等速萬向節(jié)是指萬向節(jié)連接的兩軸夾角大于零時，輸出軸和輸入軸之間以變化的瞬時角速度比傳遞運動的萬向節(jié)。準等速萬向節(jié)是指在設計角度下工作時以等于1的瞬時角速度比傳遞運動，而在其它角度下工作時瞬時角速度比近似等于1的萬向節(jié)。輸出軸和輸入軸以等于1的瞬時角速度比傳遞運動的萬向節(jié)，稱之為等速萬向節(jié)。 撓性萬向節(jié)是靠彈性零件傳遞動力的，具有緩沖減振作用。萬向節(jié)動畫演示一、結構方案分析第二節(jié) 萬向節(jié)結構方案分析 一、結構方案分析第二節(jié) 萬向節(jié)結構方案分析 一、十字軸萬向節(jié) 典型的十字軸萬向節(jié)主要由主動叉、從動叉、十字軸、滾針軸承及其軸向定位件和橡膠密

4、封件等組成 見圖。 十字軸萬向節(jié)結構簡單，強度高，耐久性好，傳動效率高，生產成本低。但所連接的兩軸夾角不宜過大，當夾角由4增至16時，十字軸萬向節(jié)滾針軸承壽命約下降至原來的1/4。 目前常見的滾針軸承軸向定位方式有蓋板式(圖4-l a、b)、卡環(huán)式(圖4-lc、d)、固定式(圖4-le)和塑料環(huán)定位式(圖4-lf)等。1.蓋板式（普通蓋板、彈性蓋板）2.卡環(huán)式（外卡、內卡）3.瓦蓋固定式（類似于軸瓦）4.塑料環(huán)固定式一、十字軸萬向節(jié)滾針軸承的軸向定位方式3、滾針軸承的潤滑密封方式1. 毛氈油封2. 雙刃口油封3. 多刃口油封二、準等速萬向節(jié) Near Constant Velocity Uni

5、versal Joint 1. 雙聯(lián)式萬向節(jié)是由兩個十字軸萬向節(jié)組合而成。為了保證兩萬向節(jié)連接的軸工作轉速趨于相等，可設有分度機構。偏心十字軸雙聯(lián)式萬向節(jié)取消了分度機構，也可確保輸出軸與輸入軸接近等速。 雙聯(lián)式萬向節(jié)的主要優(yōu)點是允許兩軸間的夾角較大（一般可達50，偏心十字軸雙聯(lián)式萬向節(jié)可達60），軸承密封性好，效率高，工作可靠，制造方便。缺點是結構較復雜，外形尺寸較大，零件數(shù)目較多。2. 凸塊式萬向節(jié)：凸塊式萬向節(jié)：它主要由兩個萬向節(jié)叉它主要由兩個萬向節(jié)叉l和和4以及兩個特殊以及兩個特殊形狀的凸塊形狀的凸塊2和和3組成。組成。 優(yōu)點：可以暴露在外，不需外加球殼和密封裝置； 允許連接的兩軸夾角較

6、大，可達45；缺點：尺寸大、零件形狀復雜、受附加婉拒和軸向力（需裝軸向推力軸承）3. 三銷軸式萬向節(jié)：三銷軸式萬向節(jié)：是由雙聯(lián)式萬向節(jié)演變而來。它主要由是由雙聯(lián)式萬向節(jié)演變而來。它主要由兩個偏心軸叉、兩個三銷軸和六個滾針軸承組成。兩個偏心軸叉、兩個三銷軸和六個滾針軸承組成。 3. 三銷軸式萬向節(jié)三銷軸式萬向節(jié) 三銷軸式萬向節(jié)的最大特點是允許三銷軸式萬向節(jié)的最大特點是允許相鄰兩軸有較大的交相鄰兩軸有較大的交角角，最大可達，最大可達45450 0。 三個球面滾輪的軸線始終位于或近似位于萬向節(jié)兩軸夾角的等分面上。工作夾角可達43。4. 球面滾輪式萬向節(jié)：應用廣泛。 5. 準等速萬向節(jié)小結 1.雙聯(lián)式

7、 (越野車轉向驅動橋）2.凸塊式（中重型汽車轉向驅動橋）3.三銷軸式（中重型越野車轉向驅動橋）4球面滾輪式萬向節(jié) 凸塊式和三銷式都是由雙聯(lián)式演變而來。 十字軸可認為是四銷軸，三銷軸實際上 是將十字軸中的一個軸去掉后的結構。三、等速萬向節(jié) 1球叉式萬向節(jié) 球叉式萬向節(jié)按其鋼球滾道形狀不同可分為圓弧槽和直槽兩種形式。 圓弧槽滾道型的球叉式萬向節(jié)（圖4-1a）由兩個萬向節(jié)叉、四個傳力鋼球和一個定心鋼球組成。兩球叉上的圓弧槽中心線是以O1和O2為圓心而半徑相等的圓，O1和O2到萬向節(jié)中心O的距離相等。當萬向節(jié)兩軸繞定心鋼球中心O轉動任何角度時，傳力鋼球中心始終在滾道中心兩圓的交點上，從而保證輸出軸與輸

8、入軸等速轉動。 球叉式萬向節(jié)結構較簡單，可以在夾角不大于3233的條件下正常工作。圖4-1 球叉式萬向節(jié)a)圓弧槽滾道型 b)直槽滾道型 直槽滾道型球叉式萬向節(jié)（圖直槽滾道型球叉式萬向節(jié)（圖4-1b），），兩個球叉上的兩個球叉上的直槽與軸直槽與軸的中心線傾斜相同的角度的中心線傾斜相同的角度，彼此對，彼此對稱。在兩球叉間的槽中裝有四個鋼稱。在兩球叉間的槽中裝有四個鋼球。由于球。由于兩球叉中的槽所處的位置兩球叉中的槽所處的位置是對稱的，這便保證了四個鋼球的是對稱的，這便保證了四個鋼球的中心處于兩軸夾角的平分面上中心處于兩軸夾角的平分面上。這。這種萬向節(jié)加工比較容易，允許的種萬向節(jié)加工比較容易，允許

9、的軸軸間夾角不超過間夾角不超過20，在兩叉間允許在兩叉間允許有一定量的軸間滑動。有一定量的軸間滑動。 2球籠式萬向節(jié) 球籠式萬向節(jié)是目前應用最為廣泛的等速萬向節(jié)。Rzeppa 型球籠式萬向節(jié)（圖4-2）是帶分度桿的，六個傳力鋼球2由球籠4保持在同一平面內。當萬向節(jié)兩軸之間的夾角變化時，靠比例合適的分度桿6撥動導向盤5，并帶動球籠4使六個鋼球2處于軸間夾角的平分面上。 經驗表明，當軸間夾角較小時，分度桿是必要的；當軸間夾角大于11時，僅靠球形殼和星形套上的子午滾道的交叉也可將鋼球定在正確位置。這種等速萬向節(jié)可在兩軸之間的夾角達到3537的情況下工作。 圖4-2 Rzeppaz型球籠式萬向節(jié)1球形

10、殼 2鋼球 3星形套 4球籠 5導向盤 6分度桿 Birfield型球籠式萬向節(jié) Birfield型球籠式萬向節(jié)（圖4-3）取消了分度桿，球形殼和星形套的滾道做得不同心，使其圓心對稱地偏離萬向節(jié)中心。這樣，即使軸間夾角為0，靠內、外子午滾道的交叉也能將鋼球定在正確位置。當軸間夾角為0時，內、外滾道的橫斷面為橢圓形，接觸點和球心的連線與過球心的徑向線成45角，橢圓在接觸點處的曲率半徑選為鋼球半徑的1.031.05倍。當受載時，鋼球與滾道的接觸點實際上為橢圓形接觸區(qū)。這種萬向節(jié)允許的工作角可達42。由于傳遞轉矩時六個鋼球均同時參加工作，其承載能力和耐沖擊能力強，效率高，結構緊湊，安裝方便，應用較為

11、廣泛。但是滾道的制造精度高，成本較高。圖4-3 Birfield型球籠式萬向節(jié) 伸縮型球籠式萬向節(jié) 伸縮型球籠式萬向節(jié)（圖4-4）結構與一般球籠式相近，僅僅外滾道為直槽。在傳遞轉矩時，星形套與筒形殼可以沿軸向相對移動，故可省去其它萬向傳動裝置的滑動花鍵。這不僅結構簡單，而且由于軸向相對移動是通過鋼球沿內、外滾道滾動實現(xiàn)的，所以與滑動花鍵相比，其滾動阻力小，傳動效率高。這種萬向節(jié)允許的工作最大夾角為20。 圖4-4伸縮型球籠式萬向節(jié) Rzeppa型球籠式萬向節(jié)主要應用于轉向驅動橋中，目前應用較少。Birfield型球籠式萬向節(jié)和伸縮型球籠式萬向節(jié)被廣泛地應用在具有獨型球籠式萬向節(jié)和伸縮型球籠式萬

12、向節(jié)被廣泛地應用在具有獨立懸架的轉向驅動橋中，在靠近轉向輪一側采用立懸架的轉向驅動橋中，在靠近轉向輪一側采用Birfield型萬向節(jié)，靠型萬向節(jié)，靠近差速器一側則采用伸縮型球籠式萬向節(jié)。伸縮型萬向節(jié)還被廣泛地應近差速器一側則采用伸縮型球籠式萬向節(jié)。伸縮型萬向節(jié)還被廣泛地應用到斷開式驅動橋中。用到斷開式驅動橋中。 四、撓性萬向節(jié) Flexible Universal Jointv組成： 橡膠件 主、被動軸v彈性變形： 35度的小角度和微軸向位移v吸振、無需潤滑1螺絲 2橡膠 3中心鋼球 4黃油嘴 5傳動凸緣 6球座 （等速萬向接頭原理） 四、撓性萬向節(jié) Flexible Universal Jo

13、int第三節(jié) 萬向傳動的運動和受力分析 一、單十字軸萬向節(jié)傳動 當十字軸萬向節(jié)的主動軸與從動軸存在一定夾角時， 主動軸的角速度 與從動軸的角速度 之間存在如下的關系 （4-1） 由于cos 是周期為2 的周期函數(shù)，所以 也為同周期的周期函數(shù)。當 為0、 時， 達最大值 且為 ；當 為 /2、3 /2時， 有最小值 且為 。因此，當主動軸以等角速度轉動時，從動軸時快時慢，此即為普通十字軸萬向節(jié)傳動的不等速性。 十字軸萬向節(jié)傳動的不等速性可用轉速不均勻系數(shù)k來表示 12212cossin-1cos12112/12max2cos/112min2cos1tansin1min2max2k（4-2）如不計

14、萬向節(jié)的摩擦損失，主動軸轉矩如不計萬向節(jié)的摩擦損失，主動軸轉矩T1和從動軸轉矩和從動軸轉矩T2與各自相應的與各自相應的角速度有關系式角速度有關系式2211TT（功率相等），這樣有 11222coscossin1TT（4-3）顯然，當顯然，當12/最小時，從動軸上的轉矩為最大cos/1max2TT；當12/最大時，從動軸上的轉矩為最小cos1min2TT。T1與一定時，T2在其最大值與最小值之間每一轉變化兩次。 圖表示兩軸轉角差 隨主動軸轉角 的變化關系。必須注意的是，所謂的“傳動的不等速性”，是指從動軸在一周中角速度不均而言。而主、從動軸的平均轉速是相等的，即主動軸轉過一周從動軸也轉過一周。2

15、1121單萬向節(jié)轉動的不等速性，將使從動軸及與其相連的傳動部件產生扭轉振動，從而產生附加的交變載荷，影響部件壽命。兩軸交角 越大，轉角差越大，即萬向節(jié)轉動的不等速性越嚴重。 一、單十字軸萬向節(jié)傳動 一、單十字軸萬向節(jié)傳動 十字軸式剛性萬向節(jié)傳動的不等速性，單個十十字軸式剛性萬向節(jié)傳動的不等速性，單個十字軸式剛性萬向節(jié)在輸入軸和輸出軸字軸式剛性萬向節(jié)在輸入軸和輸出軸之間有夾角的情之間有夾角的情況下，其兩軸的角速度是不相等的況下，其兩軸的角速度是不相等的。 主動叉在垂直位置，并且十字軸平面與主動主動叉在垂直位置，并且十字軸平面與主動軸垂直的情況軸垂直的情況 一、單十字軸萬向節(jié)傳動 當萬向節(jié)傳動時，

16、十字軸是繞o點轉動的，其上a、b兩點于十字軸平面內的線速度在數(shù)值上應相等，即vb=va。因此，vbva。由此可知，當主、從動叉轉到這位置時，從從動軸的轉速大于主動軸的動軸的轉速大于主動軸的轉速轉速。 主動叉在水平位置，并且十字軸平面與從動軸垂主動叉在水平位置，并且十字軸平面與從動軸垂直時的情況直時的情況 。當主、從動叉轉到所述位置時，從。當主、從動叉轉到所述位置時，從動軸轉速小于主動軸轉速。動軸轉速小于主動軸轉速。 此時主動叉與十字軸連接點a的線速度va在平行于從動叉的平面內，并且垂直于主動軸。 va va，而va=vb。因此，va vb，即當主、從動叉轉到所述位置時，從動軸轉速小于從動軸轉速

17、小于主動軸轉速主動軸轉速。 一、單十字軸萬向節(jié)傳動 十字軸萬向節(jié)的附加彎矩分析1222coscossin1TTcos1max2TTcos1min2TT l = 0 和 T2= Tl sinal =/2和3/2 Tl= Tl tana附加彎矩使主、從動叉軸支承承受周期性變化的徑向載荷:從動叉徑向載荷：F2jT2/L2 = Tl sina/ L2 從動軸支撐和和萬向節(jié)：F2cT1/L2cosa = Tl tana/ L2 cosa為限制附加彎矩，應避免兩軸間的夾角過大。二、雙十字軸萬向節(jié)傳動 v組成：兩個十字軸、一根傳動軸v第一萬向節(jié)主動叉由初始位置轉過 1，第一萬向節(jié)從動叉即傳動軸或第二萬向節(jié)主

18、動叉轉過2；v第二萬向節(jié)被動叉即驅動橋輸入軸轉過4： tg 1=tg 2cos1 tg 4=tg 2cos 2v若1 2，則4 1雙十字軸式萬向節(jié)等速傳動條件：1）傳動軸兩端萬向節(jié)叉處于同一平面內；2）第一萬向節(jié)兩軸間夾角1與第二萬向節(jié)兩軸間夾角2相等。附加彎矩對傳動軸的作用cos1max2TTcos1min2TT附加彎矩的畫法：附加彎矩的畫法：1）平行于主動軸畫出）平行于主動軸畫出主動軸傳遞的主動軸傳遞的T1；2）平行于被動軸接著）平行于被動軸接著T的尾部畫出被動軸的尾部畫出被動軸的阻力轉矩的阻力轉矩T2；3）根據(jù)主被動叉的位）根據(jù)主被動叉的位置，判斷出附加彎置，判斷出附加彎矩的方向和大小；

19、矩的方向和大??；4）形成封閉的矢量三）形成封閉的矢量三角形。角形。附加彎矩對傳動軸的作用cos1max2TTcos1min2TT 三、準等速萬向節(jié)傳動擺動中心間的距離保持不變，AB A B =a+b根據(jù)正弦定理實現(xiàn)等角速傳動，應使1 2 ,即 對于結構已確定的雙聯(lián)式萬向節(jié)，a和b值是確定的值，則1, 2只在某一轉角下才能相等，因此雙聯(lián)式萬向節(jié)在不同轉角下只能實現(xiàn)近似等角速傳動。四、等速萬向節(jié)傳動球籠式萬向節(jié)等速原理外滾道中心點A與內滾道中心點B分別位于萬向節(jié)中心O的兩邊，且與O等距。AC=BC,AO=BO,CO=CO 當主動軸與從動軸處于任意夾角時，C點都處于主動軸與被動軸夾角的平分線上。球叉

20、式萬向節(jié)等速原理第四節(jié) 萬向節(jié)設計nikiTkTfedse1max1niikiTkTofedse21max2mmorssiirmGT221mmrssirmGT2112niirFTmmortsf1nirFTmmrtsf22按日常平均使用轉矩來確定按驅動輪打滑來確定按發(fā)動機最大轉矩和一擋傳動比來確定 用于轉向驅動橋中 用于變速器與驅動橋之間 位 置計算方法一、萬向傳動的計算載荷T1 萬向傳動軸因布置位置不同，計算載荷是不同的有三種計算方法： 靜強度計算，計算載荷 T1 取 Tsel 和 Tssl 的最小值或取Tse2和 Tss2 的最小值，即 T1 =minTsel，Tssl或 T1 = minT

21、se2，Tss2 ；疲勞壽命計算，計算載荷 T1 取Tsfl或Tsf2。車 型高擋傳動比ifg與低擋傳動比ifd的關系ifn4 X 4ifg ifd/2ifg1ifg ifd/3ifg2ifg/2 ifd/3ifd3驅動橋數(shù)n 與 分動器傳動比if 選取 )195. 0161001maxeaTgm（16195. 0maxeaTgm16195. 0maxeaTgm 性能系數(shù)fj的選取0動載系數(shù)kd與傳動形式及性能系數(shù)有關 fj = 二、十字軸式萬向節(jié)設計 1. 保證十字軸軸頸處有足夠的彎曲強度： cos2rTFs WswddFd)(3242411 設各滾針對十字軸軸頸作用力的合力為F 2.十字軸

22、軸頸根部的彎曲、剪切應力應滿足： )(42221ddF =250350MPa= 80120MPa3.應保證滾針軸承有足夠的接觸強度 0(0.15 1.00)bLLd當滾針和十字軸軸頸表面硬度在當滾針和十字軸軸頸表面硬度在58 HRC以上時，以上時，許用接觸應力許用接觸應力j=30003200MPa4.萬向節(jié)叉強度計算萬向節(jié)叉在與十字軸聯(lián)接處，產生支承反力；與十字軸軸孔中心線成45B-B截面處為危險截面；彎曲應力 = 5080MPa扭轉應力 = 80160MPa.wwF eW .tF aW16/,10/,62222hbWbhWkhbWbhWtt橢圓形截面：矩形截面：抗彎系數(shù)和抗扭系數(shù)：5.萬向節(jié)

23、的傳動效率 通常約為97%99。 102 tan1dfr)25(時)25(時三、球籠式萬向節(jié)設計1.Rzeppa型球籠式萬向節(jié)設計 假定帶分度機構的Rzeppa型球籠萬向節(jié)在傳遞轉矩時六個傳力鋼球均勻受載，則鋼球的直徑可按下列經驗公式確定： 式中d為傳力鋼球直徑（mm），T1計算轉矩（N.mm）； 計算鋼球直徑應圓整并取最接近國家標準的直徑。 1.Rzeppa型球籠式萬向節(jié)設計 假定帶分度機構的Rzeppa型球籠萬向節(jié)在傳遞轉矩時六個傳力鋼球均勻受載，則鋼球的直徑可按下列經驗公式確定： 式中d為傳力鋼球直徑（mm），T1計算轉矩（N.mm）； 計算鋼球直徑應圓整并取最接近國家標準的直徑。341

24、101 .2Td三、球籠式萬向節(jié)設計2.Birfield型球籠式萬向節(jié)設計以與星形套連接軸的直徑ds作為萬向節(jié)的基本尺寸 式中T1為計算轉矩，SF為使用因素，對于無振動的理想傳動取0，有輕微振動的取1.2-1.5，有中等振動的取1.7-2.0，振動十分嚴重的取2.7-3.6。 Birfield型球籠萬向節(jié)系列數(shù)據(jù)（表4-4）312 .87FsSTd 3.撓性萬向節(jié)設計 盤式撓性萬向節(jié)橡膠盤的拉應力和擠壓應力應滿足式中Tmax為萬向節(jié)靜強度計算轉矩，i為一個萬向節(jié)叉上的螺栓數(shù)，R為橡膠盤平均半徑，R1、R2為橡膠盤外、內半徑，b為橡膠盤厚度，d0為螺栓孔直徑許用拉應力12-15MPa，許用擠壓應

25、力8MPa。jjLLiRbdTdRRiRbT0max021max)(第五節(jié) 傳動軸結構分析與設計一、傳動軸與驅動軸二、傳動軸設計1、傳動軸的結構形式 實心用于轉向驅動橋的半軸 空心用于FR傳動系的萬向傳動軸2、傳動軸的參數(shù) 長度、夾角：由總布置確定 （不脫落，不頂死） 臨界轉速：由傳動軸尺寸確定傳動軸的臨界轉速問題n:臨界轉速；d1，d2：傳動軸內外徑；L：傳動軸長度提高臨界轉速的辦法：提高臨界轉速的辦法：1）縮短傳動軸長度；2）總長度不變的情況下，將傳動軸分成幾段；3）將傳動軸做成空心的。（無縫鋼管或1.53mm厚的薄鋼板卷焊） 在長度一定時，傳動軸斷面尺寸的選擇應保證傳動軸有足夠的強度和在長度一定時，傳動軸斷面尺寸的選擇應保證傳動軸有足夠的強度和足夠高的臨界轉速。足夠高的臨界轉速。所謂臨界轉速，就是當傳動軸的工作轉速接近于其彎曲就是當傳動軸的工作轉速接近于其彎曲固有振動頻率時，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以致振幅急劇增加而引起傳動軸折斷時固有振動頻率時，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以致振幅急劇增加而引起傳動軸折斷時的轉速。的轉速。傳動軸的臨界轉