萬向傳動軸設(shè)計

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1、 第 一 節(jié) 概 述 第 二 節(jié) 萬 向 節(jié) 結(jié) 構(gòu) 方 案 分 析 第 三 節(jié) 萬 向 傳 動 的 運 動 和 受 力 分 析 第 四 節(jié) 萬 向 節(jié) 的 設(shè) 計 計 算 第 五 節(jié) 傳 動 軸 結(jié) 構(gòu) 分 析 與 設(shè) 計 第 六 節(jié) 中 間 支 承 結(jié) 構(gòu) 分 析 與 設(shè) 計 萬向傳動軸一般是由萬向節(jié)、傳動軸（軸管）及其伸縮花鍵和中間支承組成。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(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運動。 萬向傳動軸設(shè)計應(yīng)滿足如下基本要求： 1、保證所連接的兩軸夾角和相對位置在預(yù)計范圍內(nèi)變動時，能可靠而穩(wěn)定地傳遞動力。 2、保證所連接兩軸盡可能等速運轉(zhuǎn)。3、由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載

2、荷、振動和噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi)， 在使用車速范圍內(nèi)不出現(xiàn)共振現(xiàn)象。 4、傳動效率高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易等。 變速器或分動器輸出軸與驅(qū)動橋輸入軸之間普遍采用十字軸萬向傳動軸。在轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，多采用等速萬向傳動軸。當(dāng)后驅(qū)動橋為獨立的彈性，采用萬向傳動軸。 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(zhǔn)等速萬向節(jié)（如雙聯(lián)式、凸塊式、三銷軸式等）和等速萬向節(jié)（如球叉式、球籠式等）。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(zhǔn)等速萬向節(jié)是指在設(shè)計角度下工作時以等于1的瞬時角速度比傳遞運動，而

3、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 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封件等組成。 軸向定位方式：蓋板式、卡環(huán)式、瓦蓋固定式、塑料環(huán)定位式。 潤滑與密封：雙刃口復(fù)合油封、多刃口油封。 十字軸萬向節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，強(qiáng)度高，耐久性好，傳動效率高，生產(chǎn)成本低。但所連接的兩軸夾角不宜過大，當(dāng)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。十字軸潤滑油道油封油封擋盤注油嘴采用橡膠油封，當(dāng)十字軸內(nèi)

4、腔油壓過大時，多余的潤滑油會從橡膠油封內(nèi)圓表面與軸頸接觸處溢出。滾針軸承為了潤滑軸承，十字軸上一般安有注油嘴并有油路通向軸頸。潤滑油可從注油嘴注到十字軸軸頸的滾針軸承處。二、準(zhǔn)等速萬向節(jié)1、雙聯(lián)式萬向節(jié) 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(zhuǎn)速趨于相等，可設(shè)有分度機(jī)構(gòu)。偏心十字軸雙聯(lián)式萬向節(jié)取消了分度機(jī)構(gòu)，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(dá)50，偏心十字軸雙聯(lián)式萬向節(jié)可達(dá)60），軸承密封性好，效率高，工作可靠，制造方便。缺點是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，外形尺寸較大，零件數(shù)目較多。當(dāng)應(yīng)用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋時，由于雙聯(lián)式萬向節(jié)軸向

5、尺寸較大，為使主銷軸線的延長線與地面交點到輪胎的印跡中心偏離不大，就必須使用較大的注銷內(nèi)傾角。 用途：多用于軍用越野轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋雙連叉雙萬向節(jié)等速傳動 （雙聯(lián)式萬向節(jié)） 兩個在同一平面內(nèi)的萬向節(jié)叉當(dāng)a1 = a2 時，軸1和軸2的角速度相等 2.凸塊式萬向節(jié)（圖4-4） 結(jié)構(gòu)：主要由兩個萬向節(jié)叉以及兩個不同形狀的特殊凸 塊組成，兩個凸塊相當(dāng)于雙聯(lián)萬向節(jié)裝置中兩 端帶有位于同一平面上的兩萬向節(jié)叉的中間軸 及兩十字銷，因此可以保證輸入軸與輸出軸近 似等速。 特點：相當(dāng)于雙聯(lián)式萬向節(jié)，工作可靠，加工 簡單，允許的夾角較大（50），工作 面為全滑動摩 擦，效率低，易磨損，對 密封和潤滑要求高。 用途：多

6、用于中型以上越野車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋。 3.三銷軸式萬向節(jié)（圖4-5） 結(jié)構(gòu)：由雙聯(lián)式萬向節(jié)演變而來，主要由兩個偏心軸叉、兩 個三銷軸和六個滾針軸承及其密封件等組成。特點：可直接暴露在外面，并不需要加外球殼和密封裝置，對 萬向節(jié)與轉(zhuǎn)向節(jié)的同心度要求不太嚴(yán)，中心不一致可以由 萬向節(jié)內(nèi)三銷的軸向滑動來補充，允許的最大夾角 45，易于密封，外形尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，毛坯需精鍛用途：個別中、重型越野車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋4、球面滾輪式萬向節(jié)（圖4-6） 球面滾輪式萬向節(jié)是應(yīng)用較為廣泛的準(zhǔn)等速萬向節(jié)。裝在萬向節(jié)軸端部的三個銷軸上的球面滾輪，可以沿與萬向節(jié)節(jié)軸相連的圓管并在圓管上開有三個伸縮花鍵作用的軸向槽內(nèi)移動，同時通過三個

7、球面滾輪與軸向槽壁之間傳遞轉(zhuǎn)矩，其結(jié)構(gòu)應(yīng)保證沿圓周等分的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，這種結(jié)構(gòu)可使兩軸間的工作夾角達(dá)43，加工也比較容易。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（1）圓弧槽滾道型圓弧槽滾道型的球叉式萬向節(jié)（圖4-7a）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O(shè)1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(dāng)萬向節(jié)兩軸繞定心鋼球中心O轉(zhuǎn)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入軸等速轉(zhuǎn)動。 球叉式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)較簡單，可以在夾角不

8、大于3233的條件下正常工作。磨損快，用于輕中型越野車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋；圖4-7 球叉式萬向節(jié)a)圓弧槽滾道型 b)直槽滾道型 （2）直槽滾道型 直槽滾道型球叉式萬向節(jié)（圖4-7b），兩個球叉上的直槽與軸的中心線傾斜相同的角度，彼此對稱。在兩球叉間的槽中裝有四個鋼球。由于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中心處于兩軸夾角的平分面上。這種萬向節(jié)加工比較容易，允許的軸間夾角不超過20，在兩叉間允許有一定量的軸間滑動。主要用于斷開式驅(qū)動橋，當(dāng)半軸擺動時，用它可以補償半軸的長度變化而省去滑動花鍵。（1） Rzeppa 型球籠式萬向節(jié) 球籠式萬向節(jié)是目前應(yīng)用最為廣泛的等速萬向節(jié)。Rzeppa

9、 型球籠式萬向節(jié)（圖4-8a）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(nèi)。當(dāng)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(dǎo)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(jīng)驗表明，當(dāng)軸間夾角較小時，分度桿是必要的；當(dāng)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(dá)到3537的情況下工作。 以前主要用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋上，目前應(yīng)用較少。圖4-8(a) Rzeppaz型球籠式萬向節(jié)1球形殼 2鋼球 3星形套 4球籠 5導(dǎo)向盤 6分度桿 Birfield型球籠式萬向節(jié)（圖4-8b）取消了分度桿，球形殼和星形套的滾

10、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(nèi)、外子午滾道的交叉也能將鋼球定在正確位置。當(dāng)軸間夾角為0時，內(nèi)、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(dāng)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(dá)42。由于傳遞轉(zhuǎn)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(qiáng)，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，應(yīng)用較為廣泛。但是滾道的制造精度高，成本較高。圖4-8（b） Birfield型球籠式萬向節(jié) 伸縮型球籠式萬向節(jié)（圖4-8c）結(jié)構(gòu)與一般球籠式相近，僅僅外滾道為直槽

11、。在傳遞轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單，而且由于軸向相對移動是通過鋼球沿內(nèi)、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。 Rzeppa型球籠式萬向節(jié)主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，目前應(yīng)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(yīng)用在具有獨立懸架的轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，在靠近轉(zhuǎn)向輪一側(cè)采用Birfield型萬向節(jié)，靠近差速器一側(cè)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(yīng)用到斷開式驅(qū)動橋中。 圖4-8(c)伸縮型球籠式萬向節(jié) O-萬向節(jié)中心；A-保持架（球籠）B-

12、保持架內(nèi)球面中心球籠式等速萬向節(jié) 球 籠 式 萬 向 節(jié) 原 理 圖 如 右 圖 ：1-主 動 軸 2-保 持 架 （ 球 籠 ）3-鋼 球 4-星 形 套 （ 內(nèi) 滾 道 ）5-球 形 殼 （ 外 滾 道 ）O： 萬 向 節(jié) 中 心A： 外 滾 道 中 心B： 內(nèi) 滾 道 中 心C： 鋼 球 中 心a:兩 軸 夾 角 （ 指 鈍 角 ）球籠式萬向節(jié)的等速性(Birfield型)外滾道中心A與內(nèi)滾道中心B分別位于萬向節(jié)中心O的兩側(cè)，且到O點的距離相等。星形套內(nèi)滾道球籠（保持架）球形殼（外滾道）球滾動時，同時以A、B為球心滾動，所以CA=CB主、從動軸夾角平分面球籠式萬向節(jié)特點：承載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)

13、緊湊，拆裝方便，兩軸最大交角為42 撓性萬向節(jié)依靠其彈性件的彈性變形來保證在相交兩軸間傳動時不發(fā)生機(jī)械干涉。彈性件采用橡膠盤、橡膠金屬套筒、鉸接塊、六角形橡膠圈等結(jié)構(gòu)。撓性萬向節(jié)是由橡膠件將主被動軸叉交錯連接而成，依靠橡膠件的彈性變形，因彈性件的彈性變形有限，故柔性萬向節(jié)適用于兩軸間夾角不大(3 5 )和微量軸向位移的萬向傳動裝置。如有的汽車發(fā)動機(jī)與變速器之間、變速器與分動器之間裝有柔性萬向節(jié)，以消除制造安裝誤差和車架變形對傳動的影響。撓性萬向節(jié)吸收傳動系中的沖擊載荷和衰減扭轉(zhuǎn)振動，具有結(jié)構(gòu)簡單，無需潤滑等優(yōu)點。 一、單十字軸萬向節(jié)傳動 當(dāng)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

14、角速度 與從動軸的角速度 之間存在如下的關(guān)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(dāng) 為0、 時， 達(dá)最大值 且為 ；當(dāng) 為 /2、3 /2時， 有最小值 且為 。因此，當(dāng)主動軸以等角速度轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速不均勻系數(shù)k來表示 12212 cossin cos 121 12 /1 2 max2 cos/1 1 2min2 cos1 tansin1 min2max2 k（4-2）如不計萬向節(jié)的摩擦損失，主動軸轉(zhuǎn)矩T1和從動軸轉(zhuǎn)矩T2與各自相應(yīng)的角速度有關(guān)系式2211 TT ，這樣

15、有 11222 coscossin1 TT （4-3）顯然，當(dāng)12 /最小時，從動軸上的轉(zhuǎn)矩為最大cos/1max2 TT ；當(dāng)12 /最大時，從動軸上的轉(zhuǎn)矩為最小cos1min2 TT 。T1與一定時，T2在其最大值與最小值之間每一轉(zhuǎn)變化兩次。 具有夾角 的十字軸萬向節(jié)，僅在主動軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和從動軸反轉(zhuǎn)矩的作用下是不能平衡的。從萬向節(jié)叉與十字軸之間的約束關(guān)系分析可知，主動叉對十字軸的作用力偶矩，除主動軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T1之外，還有作用在主動叉平面的彎曲力偶矩 。同理，從動叉對十字軸也作用有從動軸反轉(zhuǎn)矩T2和作用在從動叉平面的彎曲力偶矩 。在這四個力矩作用下，使十字軸萬向節(jié)得以平衡。 a) 1 =0，

16、1 = b) 1 =/2，1 =3/2 1T 2T當(dāng)主動叉1處于0和時位置時（圖41T必2T存在，且矢量垂直于矢量T2；1處于/2和3/2位置時-10a），由于T1作用在十字軸平面，為零；而T2的作用平面與十字軸不共平面，必有合矢量+T2指向十字軸平面的法線方向，2T與T1大小相等、方向相反。這樣，從動叉2T上的附加彎矩=T1sin。2T當(dāng)主動叉（圖4-10b），同理可知=0，主動叉上的附加彎矩=T1tan。 2T1T圖4-10 十字軸萬向節(jié)的力偶矩 分析可知，附加彎矩的 大小是在零與上述兩最大值之間變化，其變化周期為 ，即每一轉(zhuǎn)變化兩次。 1 2T T、 使得從動叉軸支承承受周期性變化的徑向

17、載荷為： 為萬向節(jié)中心至從動叉軸支承間的距離。 此時，萬向節(jié)也承受與上述力大小相等、方向相反的力。與此方向相反的反作用力矩則由主動叉軸的支承承受。同樣， 使主動叉軸支承承受周期性變化的徑向載荷，萬向節(jié)也承受與其大小相等、方向相反的力。在從動軸支承和萬向節(jié)上造成大小相等、方向相反的側(cè)向載荷為：附加彎矩可引起與萬向節(jié)相連接零部件的彎曲振動，在萬向節(jié)主從動軸支承上引起周期性變化的徑向載荷，從而激起支承處的振動，使轉(zhuǎn)動軸產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形2T 2 12 2 2sinj T TT L L 2L1T 12 2tancosc TF L 從而降低傳動軸的疲勞強(qiáng)度。因此，為了控制附加彎矩，應(yīng)避免兩軸之間的夾角過

18、大。 如果十字軸萬向節(jié)的主動叉軸轉(zhuǎn)速不變，則從動叉軸周期地加速、減速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的慣性力矩為： 為從動叉軸旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的轉(zhuǎn)動慣量 為從動叉軸的角加速度通過對式（4-1）求導(dǎo)得出：可見，當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)速很高，且輸入、輸出軸之間夾角較大時，由于從動叉軸旋轉(zhuǎn)的不均勻加劇所產(chǎn)生的慣性力矩，可能會超過結(jié)構(gòu)許用值，應(yīng)采取有效方法降低此慣性力矩。2 2 2GT J 2J2 2 21 12 2 2 1cos sin cos2(1 sin cos ) 當(dāng)輸入軸與輸出軸之間存在夾角時，單個十字軸萬向節(jié)的輸出軸相對于輸入軸是不等速旋轉(zhuǎn)的。為使處于同一平面的輸出軸與輸入軸等速旋轉(zhuǎn)，可采用雙萬向節(jié)傳動，但必須保證同傳動軸相連的兩

19、萬向節(jié)叉應(yīng)布置在同一平面內(nèi)，且使兩萬向節(jié)夾角1與2相等（圖4-11）。在雙向萬向節(jié)傳動中，直接與輸入軸和輸出軸相連的萬向節(jié)叉所受的附加彎矩分別由相應(yīng)軸的支承反力平衡。當(dāng)輸入軸與輸出軸平行時（圖4-11a），直接連接傳動軸的兩萬向節(jié)叉所受的附加彎矩，使傳動軸發(fā)生如圖4-11b中雙點劃線所示的彈性彎曲，從而引起傳動軸的彎曲振動。 當(dāng)輸入軸與輸出軸相交時（圖4-11c），傳動軸兩端萬向節(jié)叉上所受的附加彎矩方向相同，不能彼此平衡，傳動軸發(fā)生如圖4-11d中雙點劃線所示的彈性彎曲，因此對兩端的十字軸產(chǎn)生大小相等、方向相反的徑向力。此徑向力作用在滾針軸承碗的底部，并在輸入軸與輸出軸的支承上引起反力。bac

20、k圖4-11 附加彎矩對傳動軸的作用 多萬向節(jié)傳動的從動叉相對主動叉的轉(zhuǎn)角差 的計算公式與單萬向節(jié)相似，可寫成 式中， 為多萬向節(jié)傳動的當(dāng)量夾角； 為主動叉的相位角； 為主動軸轉(zhuǎn)角。式(47)表明，多萬向節(jié)傳動輸出軸與輸入軸的運動關(guān)系，如同具有夾角 而主動叉具有初相位 的單萬向節(jié)傳動一樣。假如多萬向節(jié)傳動的各軸軸線均在同一平面，且各傳動軸兩端萬向節(jié)叉平面之間的夾角為 0 或 2，則當(dāng)量夾角 為：2 1sin2( )4e e1 ee式中， 等為各萬向節(jié)的夾角。式中的正負(fù)號這樣確定：當(dāng)?shù)谝蝗f向節(jié)的主動叉處在各軸軸線所在的平面內(nèi)，在其余的萬向節(jié)中，如果其主動叉平面與此平面重合定義為正，與此平面垂直定

21、義為負(fù)。為使多萬向節(jié)傳動的輸出軸與輸入軸等速旋轉(zhuǎn)，應(yīng)使萬向節(jié)傳動輸出軸與輸入軸的轉(zhuǎn)角差會引起動力總成支承和懸架彈性元件的振動，還能引起與輸出軸相連齒輪的沖擊和噪聲及駕駛室內(nèi)的諧振噪聲。因此，在設(shè)計多萬向節(jié)傳動時，總是希望其當(dāng)量夾角 盡可能小，一般設(shè)計時應(yīng)使空載和滿載兩種工況下的 2 2 21 2 3e 1 2 3 、0e e e不大于3。對多萬向節(jié)傳動輸出軸的角加速度幅值 加以限制。對于乘用車， 350rad/ ；對于貨車， 600rad/2 21e 2 21e 2s2 21e 2s 以雙聯(lián)式萬向節(jié)為例分析其運動特性，雙聯(lián)式萬向節(jié)的運動簡圖如圖4-12所示。它具有兩個擺動中心A、B。當(dāng)主動軸偏

22、轉(zhuǎn) 角時，其擺動中心A移到 ，從動軸的擺動中心B移到 ，擺動中心間的距離保持不變，即 ，并等于中間架前后萬向節(jié)叉孔間的距離。 由圖4-12中的 并根據(jù)正弦定理有：將 代人式（4-9）中得 ABAB A B a b A B C 1 sinsin ba b 1 2 （4-9）為了實現(xiàn)等角速傳動，應(yīng)使 代人式（4-10），可得 對于結(jié)構(gòu)已確定的雙聯(lián)式萬向節(jié)，a和b值是確定的，則 與 只在某一轉(zhuǎn)角下才能相等，因此雙聯(lián)式萬向節(jié)在不同轉(zhuǎn)角下只能實現(xiàn)近似等角速傳動。21 2( )/ coscot sina b b 1 2 （4-10）1cos ( )/2a b b （4-11）1 2雙萬向節(jié)等速傳動 （雙聯(lián)

23、式萬向節(jié)） 兩個在同一平面內(nèi)的萬向節(jié)叉當(dāng)a1 = a2 時，軸1和軸2的角速度相等雙連叉原理： 當(dāng)萬向節(jié)主動軸與從動軸之間傳力點一直處于主動軸軸線和從動軸軸線夾角平分線上（或者說傳力點距這兩軸線的距離相等）時，必然能實現(xiàn)等角速傳動。 對于帶分度桿的型球籠式萬向節(jié)，必須合理地選擇分度桿的結(jié)構(gòu)尺寸（圖4-13），才能實現(xiàn)傳力鋼球位于主、從動軸夾角的平分面上，以滿足等角速傳動的運動學(xué)要求。 當(dāng)主、從動軸間的夾角 變化時，萬向節(jié)中心0到分度桿球頭的距離m也隨之改變，并與球籠的轉(zhuǎn)角 有關(guān)。為了實現(xiàn)等角速傳動，必須使球籠的轉(zhuǎn)角 等于主、從動軸夾角 的一半，即 。分度桿的結(jié)構(gòu)尺寸有如下關(guān)系。 0.5 / /

24、( )DE AC b a b sinAC m cos cosEO m a ( )sin sina b m 所以有 根據(jù)式（4-12）可選擇m、a及b的值，以使在足夠大的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)保持 Birfield型球籠式等速萬向節(jié)的等速傳動原理如圖48b所示，球形殼的內(nèi)表面有六條凹槽，形成外滾道；星形套外表面有相應(yīng)的六條凹槽，形成內(nèi)滾道。外滾道中心 A 與內(nèi)滾道中心 B 分別位于萬向節(jié)中心 O 的兩邊，且 OA=OB 。另外，鋼球中心 C 到 A、B 兩點的距離也相等，保持架的內(nèi)、外球面也以萬向節(jié)中心為球心，這樣 COA= COB ，即兩軸相交2 /( )sintan / sincos 1 ( )m b

25、a bDE EO mm a a b （4-12）0.5 即兩軸相交任意交角 時，傳力鋼球都位于交角平分面上。此時鋼球中心到主、從動軸的距離 相等，從而保證了從動軸與主動軸以相等的角速度旋轉(zhuǎn)。 圖4-8(a) Rzeppaz型球籠式萬向節(jié)1球形殼 2鋼球 3星形套 4球籠 5導(dǎo)向盤 6分度桿 圖4-8（b） Birfield型球籠式萬向節(jié) 圖4-8(c)伸縮型球籠式萬向節(jié) O-萬向節(jié)中心；A-保持架（球籠）B-保持架內(nèi)球面中心球籠式等速萬向節(jié) 球 籠 式 萬 向 節(jié) 原 理 圖 如 右 圖 ：1-主 動 軸 2-保 持 架 （ 球 籠 ）3-鋼 球 4-星 形 套 （ 內(nèi) 滾 道 ）5-球 形

26、殼 （ 外 滾 道 ）O： 萬 向 節(jié) 中 心A： 外 滾 道 中 心B： 內(nèi) 滾 道 中 心C： 鋼 球 中 心a:兩 軸 夾 角 （ 指 鈍 角 ）球籠式萬向節(jié)的等速性(Birfield型)外滾道中心A與內(nèi)滾道中心B分別位于萬向節(jié)中心O的兩側(cè)，且到O點的距離相等。星形套內(nèi)滾道球籠（保持架）球形殼（外滾道）球滾動時，同時以A、B為球心滾動，所以CA=CB主、從動軸夾角平分面球籠式萬向節(jié)特點：承載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便，兩軸最大交角為42一、萬向節(jié)傳動軸的計算載荷 萬向傳動軸因布置位置不同，計算載荷也不同。計算方法主要有三種。1、按發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和一擋傳動比來確定(1)用于變速器與驅(qū)動橋之

27、間(2) 用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中max 11 d e fse k T kiiT n max 1 02 2d e fse k T kii iT n 2、按驅(qū)動輪打滑來確定(1)用于變速器與驅(qū)動橋之間(2) 用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中3、按日常平均使用轉(zhuǎn)矩來確定(1)用于變速器與驅(qū)動橋之間(2) 用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中2 21 0 rss m mG m rT i i 1 12 2 rss m mG m rT i 1 0 t rsf m mFrT i i n2 2 t rsf m mFrT i nmaxeT 1i 發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（N.m）n 為計算驅(qū)動橋數(shù)，取法見表4-2為變速器一擋傳動比為發(fā)動機(jī)到萬向傳動軸之間的傳動效

28、率k 為液力變矩器變矩系數(shù)， 為最大變矩系數(shù)0( 1)/2 1k k 0k2G 為滿載狀態(tài)下一個驅(qū)動橋上的靜載荷（N）2m 為汽車最大加速度時的后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)， 乘用車： 商用車：2 1.21.4m 2 1.11.2m 為輪胎與路面間的附著系數(shù)，對于安裝一般輪胎 的公路用汽車，良好的混凝土或瀝青路上， 可 取0.85，對于安裝防側(cè)滑輪胎的乘用車， 可取 1.25，對于越野車， 值變化較大，一般取rr0imim 1G1m為車輪滾動半徑（m）為主減速器傳動比為主減速器從動齒輪到車輪之間的傳動比為主減速器主動齒輪到車輪之間的傳動效率為滿載狀態(tài)下轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋上的靜載荷（N）為汽車最大加速度時的前軸負(fù)荷

29、轉(zhuǎn)移系數(shù)，乘用 車： 商用車：1 0.800.85m 1 0.750.90mtF 為日常汽車行駛的平均牽引力（N）fi 為分動器傳動比，具體取法見表4-2dk 為猛接離合器所產(chǎn)生的動載系數(shù)，液力自動變速 器： ，具有手動操縱的機(jī)械變速器的高性 能賽車： ，性能系數(shù) 的汽車， 的汽車： 或由經(jīng)驗選定，性能1dk 3dk 0jf 1dk 0jf 2dk 系數(shù)由下式計算max1 (16 0.195 )100 0 aej m gTf 當(dāng) 時max0.195 16aem gT 當(dāng) 時max0.195 16aem gT am為汽車滿載質(zhì)量（若有掛車，則要加上掛車質(zhì)量） 對萬向傳動軸進(jìn)行靜強(qiáng)度計算時，計算載

30、荷 取 和 的最小值，或取 和 的最小值，即 或 ，安全系數(shù)一般取2.53.0當(dāng)對萬向傳動軸進(jìn)行疲勞壽命計算時，計算載荷 取 或 。1T 1seT 1ssT2seT 2ssT 1 1 1min se ssT T T，1 2 2min se ssT T T，1T 1sfT 2sfT 十字軸萬向節(jié)的損壞形式主要有十字軸軸頸和滾針軸承的磨損，十字軸軸頸和滾針軸承碗工作表面出現(xiàn)壓痕和剝落。一般情況下，當(dāng)磨損或壓痕超過015mm時，十字軸萬向節(jié)便應(yīng)報廢。十字軸的主要失效形式是軸頸根部處的斷裂，所以在設(shè)計十字軸萬向節(jié)時，應(yīng)保證十字軸軸頸有足夠的抗彎強(qiáng)度。 設(shè)各滾針對十字軸軸頸作用力的合力為F(圖414)，

31、則1TF=2rcos（4-13） 式中， 為萬向傳動的計算轉(zhuǎn)矩， ；r 為合力 F 作用線到十字軸中心之間的距離； 為萬向傳動的最大夾角。 十字軸軸頸根部的彎曲應(yīng)力 和切向力 應(yīng)滿足 1T 1 min , se ssT T Tw （4-14）（4-15） 為十字軸軸頸直徑（mm）； 為十字軸油道孔直徑（mm）；s為合力F作用線到軸頸根部的距離（mm）； 為彎曲應(yīng)力的許用值，為250350MPa; 為切應(yīng)力的許用值，為80120MPa1d 2d w 十字軸滾針軸承中的滾針直徑一般不小于1.6mm，以免壓碎，而且尺寸差別要小，否則會加重載荷在滾針間分配的不均勻性，公差帶控制在0.003mm以內(nèi)。滾

32、針軸承徑向間隙過大時，承受載荷的滾針數(shù)減少，有出現(xiàn)滾針卡住的可能性；而間隙過小時，有可能出現(xiàn)受熱卡住或因臟物阻滯卡住，合適的間隙為0.0090.095mm，滾針軸承的周向總間隙以0.080.30mm為好。滾針的長度一般不超過軸頸的長度，使其既有較高的承載能力，又不致因滾針過長發(fā)生歪斜而造成應(yīng)力集中。滾針在軸向的游隙一般不應(yīng)超過0.20.4mm。 十字軸滾針軸承的接觸應(yīng)力為 （4-16） 為滾針直徑(mm)， 為滾針工作長度(mm), , L為滾針總長度(mm) ， 為合力F作用下一個滾針?biāo)艿淖畲筝d荷，0d bL0(0.151.00)bL L d nF (4-17)i為滾針列數(shù)，z為每列中的滾

33、針數(shù) 當(dāng)滾針和十字軸軸頸表面硬度在 58HRC 以上時，許用接觸應(yīng)力為30003200MPa。萬向節(jié)叉與十字軸組成連接支承。在力F作用下產(chǎn)生支承反力，與十字軸軸孔中心線成45的BB截面處，萬向節(jié)叉承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，其彎曲應(yīng)力 和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 應(yīng)滿足wb w wFeW b btFaW （4-18）（4-19） 分別為界面B-B處的抗彎截面系數(shù)和抗扭截面系數(shù)，矩形截面： ；橢圓形截面： ；h、b分別為矩形截面的高和寬或橢圓形截面的長軸和短軸；k是與h/b有關(guān)的系數(shù)，按表4-3選?。籩、a如圖4-14所示；彎曲應(yīng)力的許用值 為5080MPa ,扭應(yīng)力的許用值 為80160MPa. 十字軸萬向節(jié)的傳動效

34、率與兩軸的軸間夾角 、十字軸支承結(jié)構(gòu)和材料、加工和裝配精度以及潤滑條件等有關(guān)。當(dāng) 25時可按下式計算 tW W、2 26, tW bh W khb 2 2/10, /16tW bh W hb w b 為十字軸萬向節(jié)傳動效率；f為軸頸與萬向節(jié)叉的摩擦因數(shù)，滑動軸承：f=0.150.20,滾針軸承f=0.050.10。其他符號意義同前。 通常情況下，十字軸萬向節(jié)傳動效率約為9799。 十字軸常用材料為20CrMnTi、20Cr、20MnVB等低碳合金鋼，軸頸表面進(jìn)行滲碳淬火處理，滲碳層深度為0812mm，表面硬度為5864HRC，軸頸端面硬度不低于55HRC，芯部硬度為3348HRC。萬向節(jié)叉一般

35、采用40或45中碳鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為1833HRC，滾針軸承碗材料一般采用GCrl5。0 球籠式萬向節(jié)的失效形式主要是鋼球與接觸滾道表面的疲勞點蝕。在特殊情況下，因熱處理不妥、潤滑不良或溫度過高等，也會造成磨損而損壞。由于星形套滾道接觸點的縱向曲率半徑小于外半軸滾道的縱向曲率半徑，所以前者上的接觸橢圓比后者上的要小，即前者的接觸應(yīng)力大于后者。因此，應(yīng)控制鋼球與星形套滾道表面的接觸應(yīng)力，并以此來確定萬向節(jié)的承載能力。不過，由于影響接觸應(yīng)力的因素較多，計算較復(fù)雜，目前還沒有統(tǒng)一的計算方法。1、Rzeppa型球籠式萬向節(jié)設(shè)計 假定球籠式萬向節(jié)在傳遞轉(zhuǎn)矩時六個傳力鋼球均勻受載，則鋼球的直徑可按下式確

36、定（4-21）式中，d為傳力鋼球直徑(mm)； 為萬向節(jié)的計算轉(zhuǎn)矩(Nmm)， 。 計算所得的鋼球直徑應(yīng)圓整并取最接近標(biāo)準(zhǔn)的直徑。鋼球的標(biāo)準(zhǔn)直徑可參考GB754987。 當(dāng)球籠式萬向節(jié)中鋼球的直徑 d 確定后，其中的球籠、星形套等零件及有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸可參見圖415，并按如下關(guān)系確定： 鋼球中心分布圓半徑 R=1.71d 星形套寬度 B=1.8d 球籠寬度 B1=1.8d13 42.1 10Td 1T1 min , se ssT T T星形套滾道底徑 D1=2.5d萬向節(jié)外徑 D=4.9d球籠厚度 b=0.185d球籠槽寬度 b1=d球籠槽長度 L=(1.331.80)d (普通 型取下限，長型取

37、上限)滾道中心偏移距 h=0.18d軸頸直徑 d1.4d星形套花鍵外徑 D21.55d球形殼外滾道長度 L1=2.4d中心偏移角 6 對于Birfield型球籠萬向節(jié)，以與星形套連接軸的直徑（mm）作為萬向節(jié)的基本尺寸，即sd13 87.2Fs T Sd 為萬向節(jié)的計算轉(zhuǎn)矩(N.mm) ， ； 為使用因素，對于無振動的理想傳動取1.0，有輕微振動的取1.21.5，有中等振動的取1.72.0，振動十分嚴(yán)重的取2.73.6 1T 1 min , se ssT T TFSsd 盤式撓性萬向節(jié)中橡膠盤的拉應(yīng)力和擠應(yīng)力應(yīng)滿足max1 2 0 ( )L LTiRb R R d max0 j jTiRbd

38、（4-23）（4-24） 為萬向節(jié)靜強(qiáng)度計算用轉(zhuǎn)矩(Nmm) ，i為一個萬向節(jié)叉上的螺栓數(shù)，R為橡膠盤的平均半徑 (mm);R1、R2 為橡膠盤的外半徑和內(nèi)半徑，b為橡膠盤的厚度(mm); d0為螺栓孔的直徑，許用拉應(yīng)力； MPa許用擠壓應(yīng)力 MPamaxT 1215L 0.8j 傳動軸總成主要由傳動軸及其兩端焊接的花鍵和萬向節(jié)叉組成。傳動軸中一般設(shè)有由滑動叉和花鍵軸組成的滑動花鍵，以實現(xiàn)傳動長度的變化。 傳動軸在工作時，其長度和夾角是在一定范圍變化的。設(shè)計時應(yīng)保證在傳動軸長度處在最大值時，花鍵套與軸有足夠的配合長度；而在長度處在最小時不頂死。傳動軸夾角的大小直接影響到萬向節(jié)的壽命、萬向傳動的

39、效率和十字軸旋轉(zhuǎn)的不均勻性。在長度一定時，傳動軸斷面尺寸的選擇應(yīng)保證傳動軸有足夠的強(qiáng)度和足夠高的臨界轉(zhuǎn)速。所謂臨界轉(zhuǎn)速，就是當(dāng)傳動軸的工作轉(zhuǎn)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的轉(zhuǎn)速。傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速nk （r/min）為 2 228102.1 c cck L dDn 式中，Lc為傳動軸長度（mm），即兩萬向節(jié)中心之間的距離；dc和Dc分別為傳動軸軸管的內(nèi)、外徑（mm）。 （4-26） 在設(shè)計傳動軸時，取安全系數(shù)K=nk/nmax=1.22.0，K=1.2用于精確動平衡、高精度的伸縮花鍵及萬向節(jié)間隙比較小時，nmax為傳動軸的最高轉(zhuǎn)速（r/min）。

40、當(dāng)傳動軸長度超過1.5m時，為了提高nk以及總布置上的考慮，常將傳動軸斷開成兩根或三根，萬向節(jié)用三個或四個，而在中間傳動軸上加設(shè)中間支承。傳動軸軸管斷面尺寸除滿足臨界轉(zhuǎn)速的要求外，還應(yīng)保證有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。軸管的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力應(yīng)滿足 ccc scc dD TD )(16 44（4-5） 式中， c 為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，為300Mpa；其余符號同前。 對于傳動軸上的花鍵軸，通常以底徑計算其扭轉(zhuǎn)切力(MPa) ，許用切應(yīng)力一般按安全系數(shù)為23確定，即h316 sh hTd (4-28) 式中， T1 為為傳動軸的計算轉(zhuǎn)矩（N. mm ） dh花鍵軸的花鍵內(nèi)徑（mm） 。 當(dāng)傳動軸花鍵的齒側(cè)擠壓應(yīng)力 (M

41、Pa)應(yīng)滿足：y 0 ( )( )4 2sy yh h h h hT KD d D d L n 式中， 為傳動軸的計算轉(zhuǎn)矩(Nmm); 為花鍵處轉(zhuǎn)矩分布不均勻系數(shù)， =1.31.4； 和 分別為花鍵外徑和內(nèi)徑(mm)； 為花鍵的有效工作長度(mm) ；n0為花鍵齒數(shù)。 對于齒面硬度大于35HRC的滑動花鍵，齒側(cè)許用擠壓應(yīng)力為 MPa；對于不滑動花鍵，齒側(cè)許用擠壓應(yīng)力1T kk hD hdhL 2550y 為 Mpa。 傳動軸總成不平衡是傳動系彎曲振動的一個激勵源，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)時，將產(chǎn)生明顯的振動和噪聲。萬向節(jié)中十字軸的軸向竄動、傳動軸滑動花鍵中的間隙、傳動軸總成兩端連接處的定心精度、高速回轉(zhuǎn)時傳

42、動軸的彈性變形、傳動軸上點焊平衡片時的熱影響等因素，都能改變傳動軸總成的不平衡度。提高滑動花鍵的耐磨性和萬向節(jié)花鍵的配合精度、縮短傳動軸長度增加其彎曲剛度，都能降低傳動軸的不平衡度。為了消除點焊平衡片的熱影響，應(yīng)在冷卻后再進(jìn)行動平衡檢驗。傳動軸的不平衡度，對于轎車，在30006000rmin時應(yīng)不大于2535gcm；對于貨車，在10004000rmin時不大于50100gcm。另外，傳動軸總成徑向全跳動應(yīng)不大于0.50.8mm。 50 100y 在長軸距汽車上，為了提高傳動軸臨界轉(zhuǎn)速、避免共振以及考慮整車總體布置上的需要，常將傳動軸分段。在轎車中，有時為了提高傳動系的彎曲剛度、改善傳動系彎曲振

43、動特性、減小噪聲，也將傳動軸分成兩段。當(dāng)傳動軸分段時，需加設(shè)中間支承。中間支承通常安裝在車架橫梁上或車架上，以補償傳動軸軸向和角度方向的安裝誤差以及車輛行駛過程中由于發(fā)動機(jī)竄動或車架等變形所引起的位移。圖416為目前廣泛采用的橡膠彈性中間支承，其結(jié)構(gòu)中采用單列滾珠軸承。橡膠彈性元件能吸收傳動軸的振動，降低噪聲。這種彈性中間支承不能傳遞軸向力，它主要承受傳動軸不平衡、偏心等因素引起的徑向力，以及萬向節(jié)上的附加彎矩所引起的徑向力。 圖4-16 橡膠彈性中間支承圖414 擺臂式中間支承圖414 擺臂式中間支承 有的66越野車，中間支承安裝在中驅(qū)動橋上(中橋為非貫通橋)。 由于中間支承要承受傳動軸滑動

44、花鍵伸縮所引起的方向變化的軸向力，同時要平衡萬向節(jié)附加彎矩，所以大多采用兩個滾錐軸承(圖418)，且軸承座被牢靠地固定在車橋上。 中間支承的固有頻率可按下式計算0 12 RCf m（4-30） 式中, f0為中間支承的固有頻率(Hz)；CR為中間支承橡膠元件的徑向剛度(Nmm)；m為中間支承的懸置質(zhì)量(kg)，它等于傳動軸落在中間支承上的一部分質(zhì)量與中間支承軸承及其座所受質(zhì)量之和。 在設(shè)計中間支承時，應(yīng)合理選擇橡膠彈性元件的徑向剛度CR，使固有頻率f0對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速n=60f0 (r/min)盡可能低于傳動軸的常用轉(zhuǎn)速范圍，以免共振，保證隔振效果好。一般許用臨界轉(zhuǎn)速為10002000rmin，乘用車取下限。當(dāng)中間支承的固有頻率依此數(shù)據(jù)確定時，由于傳動軸不平衡引起的共振轉(zhuǎn)速為10002000rmin，而由于萬向節(jié)上的附加彎矩引起的共振轉(zhuǎn)速為5001000rmin。backnextback