第4章万向传动轴设计.

第四章万向传动轴设计•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•第四节万向节的设计计算•第五节传动轴结构分析与设计•第六节中间支承结构分析与设计第一节概述万向传动轴一般是由万向节、传动轴（轴管）及其伸缩花键和中间支承组成。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：1、保证所连接的两轴夹角和相对位置在预计范围内变动时，能可靠而稳定地传递动力。2、保证所连接两轴尽可能等速运转。3、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，在使用车速范围内不出现共振现象。4、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。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。轴向定位方式：盖板式、卡环式、瓦盖固定式、塑料环定位式。润滑与密封：双刃口复合油封、多刃口油封。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。第二节万向节结构方案分析十字轴润滑油道油封油封挡盘注油嘴采用橡胶油封，当十字轴内腔油压过大时，多余的润滑油会从橡胶油封内圆表面与轴颈接触处溢出。滚针轴承•为了润滑轴承，十字轴上一般安有注油嘴并有油路通向轴颈。润滑油可从注油嘴注到十字轴轴颈的滚针轴承处。二、准等速万向节1、双联式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。当应用于转向驱动桥时，由于双联式万向节轴向尺寸较大，为使主销轴线的延长线与地面交点到轮胎的印迹中心偏离不大，就必须使用较大的注销内倾角。用途：多用于军用越野转向驱动桥双万向节等速传动（双联式万向节）两个在同一平面内的万向节叉当a1=a2时，轴1和轴2的角速度相等2.凸块式万向节（图4-4）结构：主要由两个万向节叉以及两个不同形状的特殊凸块组成，两个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。特点：相当于双联式万向节，工作可靠，加工简单，允许的夹角较大（50°），工作面为全滑动摩擦，效率低，易磨损，对密封和润滑要求高。用途：多用于中型以上越野车转向驱动桥。3.三销轴式万向节（图4-5）结构：由双联式万向节演变而来，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。特点：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，中心不一致可以由万向节内三销的轴向滑动来补充，允许的最大夹角45°，易于密封，外形尺寸大，结构复杂，毛坯需精锻用途：个别中、重型越野车转向驱动桥4、球面滚轮式万向节（图4-6）球面滚轮式万向节是应用较为广泛的准等速万向节。装在万向节轴端部的三个销轴上的球面滚轮，可以沿与万向节节轴相连的圆管并在圆管上开有三个伸缩花键作用的轴向槽内移动，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，这种结构可使两轴间的工作夹角达43°，加工也比较容易。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（1）圆弧槽滚道型圆弧槽滚道型的球叉式万向节（图4-7a）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。磨损快，用于轻中型越野车转向驱动桥；图4-7球叉式万向节a)圆弧槽滚道型b)直槽滚道型（2）直槽滚道型直槽滚道型球叉式万向节（图4-7b），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。主要用于断开式驱动桥，当半轴摆动时，用它可以补偿半轴的长度变化而省去滑动花键。2．球笼式万向节（1）Rzeppa型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4-8a）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。以前主要用于转向驱动桥上，目前应用较少。图4-8(a)Rzeppaz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(2)Birfield型球笼式万向节Birfield型球笼式万向节（图4-8b）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4-8（b）Birfield型球笼式万向节(3)伸缩型球笼式万向节伸缩型球笼式万向节（图4-8c）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°。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。图4-8(c)伸缩型球笼式万向节O-万向节中心；A-保持架（球笼）B-保持架内球面中心球笼式等速万向节球笼式万向节的等速性(Birfield型)•球笼式万向节原理图如右图：1-主动轴2-保持架（球笼）3-钢球4-星形套（内滚道）5-球形壳（外滚道）O：万向节中心A：外滚道中心B：内滚道中心C：钢球中心a:两轴夹角（指钝角）球笼式万向节的等速性(Birfield型)外滚道中心A与内滚道中心B分别位于万向节中心O的两侧，且到O点的距离相等。星形套内滚道球笼（保持架）球形壳（外滚道）球滚动时，同时以A、B为球心滚动，所以CA=CB主、从动轴夹角平分面球笼式万向节特点：承载能力强，结构紧凑，拆装方便，两轴最大交角为42°四、挠性（柔性）万向节挠性万向节依靠其弹性件的弹性变形来保证在相交两轴间传动时不发生机械干涉。弹性件采用橡胶盘、橡胶金属套筒、铰接块、六角形橡胶圈等结构。挠性万向节是由橡胶件将主被动轴叉交错连接而成，依靠橡胶件的弹性变形，因弹性件的弹性变形有限，故柔性万向节适用于两轴间夹角不大(3°～5°)和微量轴向位移的万向传动装置。如有的汽车发动机与变速器之间、变速器与分动器之间装有柔性万向节，以消除制造安装误差和车架变形对传动的影响。挠性万向节吸收传动系中的冲击载荷和衰减扭转振动，具有结构简单，无需润滑等优点。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12212cossincos12112/12max2cos/112min2cos1tansin1min2max2k（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2211TT，这样有11222coscossin1TT（4-3）显然，当12/最小时，从动轴上的转矩为最大cos/1max2TT；当12/最大时，从动轴上的转矩为最小cos1min2TT。T1与一定时，T2在其最大值与最小值之间每一转变化两次。附加弯曲力偶矩的分析具有夹角的十字轴万向节，仅在主动轴驱动转矩和从动轴反转矩的作用下是不能平衡的。从万向节叉与十字轴之间的约束关系分析可知，主动叉对十字轴的作用力偶矩，除主动轴驱动转矩T1之外，还有作用在主动叉平面的弯曲力偶矩。同理，从动叉对十字轴也作用有从动轴反转矩T2和作用在从动叉平面的弯曲力偶矩。在这四个力矩作用下，使十字轴万向节得以平衡。a)1=0，1=b)1=/2，1=3/2'1T'2T当主动叉1处于0和时位置时（图4'1T必'2T存在，且矢量垂直于矢量T2；1处于/2和3/2位置时-10a），由于T1作用在十字轴平面，为零；而T2的作用平面与十字轴不共平面，必有合矢量+T2指向十字轴平面的法线方向，'2T与T1大小相等、方向相反。这样，从动叉'2T上的附加弯矩=T1sinα。'2T当主动叉（图4-10b），同理可知=0，主动叉上的附加弯矩=T1tanα。'2T'1T图4-10十字轴万向节的力偶矩分析可知，附加弯矩的大小是在零与上述两最大值之间变化，其变化周期为，即每一转变化两次。''12TT、使得从动叉轴支承承受周期性变化的径向载荷为：为万向节中心至从动叉轴支承间的距离。此时，万向节也承受与上述力大小相等、方向相反的力。与此方向相反的反作用力矩则由主动叉轴的支承承受。同样，使主动叉轴支承承受周期性变化的径向载荷，万向节也承受与其大小相等、方向相反的力。在从动轴支承和万向节上造成大小相等、方向相反的侧向载荷为：附加弯矩可引起与万向节相连接零部件的弯曲振动，在万向节主从动轴支承上引起周期性变化的径向载荷，从而激起支承处的振动，使转动轴产生附加应力和变形'2T'2122