吉林大学珠海学院汽车设计第四章

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•第四节万向节设计•第五节传动轴结构分析与设计回主目录第一节概述一、万向传动轴的功用：用于在工作中相对位置不断变化的两根轴间的动力和运动传递。二、万向传动轴应满足的基本设计要求1.所连接的两轴，在一定的轴间夹角变化范围内，能可靠地传递动力;2.保证所连接的两轴尽可能等速运转;3.由于万向节夹角的存在而产生的附加载荷、振动和噪声应在允许范围内;4.传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造维修容易。三、万向传动轴的组成万向传动轴由三部分组成：万向节传动轴中间支承分类定义不等速万向节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，但平均角速度比为1的万向节。准等速万向节在设计角度下工作时，以等于1的瞬时角速度比传递运动，在其它角度下工作时，瞬时角速度比近似等于1的万向节。刚性万向节等速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。挠性万向节万向节的扭转方向有弹性的万向节。四、分类1.万向节分类不等速万向节：普通十字轴万向节；准等速万向节：双联式、凸块式、三销轴式；等速万向节：球叉式、球笼式。2.传动轴分类※独立悬架不能传递纵向力时，用闭式万向节，万向节传动轴包在管内，由管传递纵向力到车架或车身。开式复式单式三万向节、两轴传动四万向节、两传动轴闭式※回目录1、在发动机前置后驱动或全轮驱动的汽车上，因工作时悬架的变形、主减速器输入轴与变速器或分动器输出轴间经常有相对运动，普遍采用十字轴万向节传动。有二万向节，三或四个万向节的结构，多万向节传动时需要在中间轴上加支撑。2、转向驱动桥，驱动轮又是转向轮，左右半轴间的夹角随行驶的需要而变化，而多采用球叉式或球笼式等速万向节。3、驱动桥为独立悬架结构，需要等速万向节传动。4、变速器与离合器或分动器离开一定的距离时，多用十字万向节或柔性万向节。五、万向传动轴的应用第二节万向节结构方案分析一、十字轴万向1、组成主、从动叉十字轴滚针轴承滚针轴承的轴向定位件橡胶密封件2、滚针轴承的轴向定位方式（图4-1）2、滚针轴承的轴向定位方式（图4-1）盖板式卡环式定位方式特点普通型弹性外卡式内卡式瓦盖固定式塑料环定位式零件数多少少多少结构复杂简单简单复杂简单质量大小小大小拆装方便方便方便方便不方便工作可靠可靠可靠可靠可靠制造工艺简单简单简单复杂简单十字轴轴向窜动※有没有很小很小有很小※有轴向窜动将使传动轴的动平衡状态遭受破坏。3、滚针轴承的润滑和密封滚针轴承润滑和密封的好坏直接影响着十字轴万向节的使用寿命。密封的分类有：毛毡油封漏油多，防尘、防水效果差，加注润滑油时个别滚针轴承中可能出现空气阻塞而造成缺油。双刃口复合油封：Fig.4-2a反装的单刃口橡胶油封用作径向油封，另一双刃口橡胶油封用作端面密封，当向十字轴内腔注入润滑油时，陈油、磨损物和多余的润滑油便从橡胶油封内圆表面与十字轴轴颈接触处溢出，不需要安全阀，防尘、防水效果好，在灰尘较多的使用条件下，万向节寿命可显著提高。多刃口油封：Fig.4-2b安装在无润滑油流通系统且一次润滑的万向节上。二、准等速万向节1、双联式万向节：Fig.4-31)、由两个十字轴万向节组合而成。通过分度机构保证两万向节连接的轴工作转速趋于相等。2)、偏心十字轴双联万向节，采用主销中心偏离万向节中心1.0-3.5mm的方法，取消了分度机构也可以确保输入轴与输出轴接近等速。无分度杆的双联万向节在军用越野车的转向驱动桥中应用广泛。二、准等速万向节2、凸块式万向节：Fig.4-41)、主要由2个万向节叉1和4以及两个特殊形状的凸块2和3组成。可以实现输入与输出轴近似等速。2)、工作可靠、加工简单、允许的万向节夹角较大，可达500。因工作面全为滑动摩擦，效率低、摩擦表面易磨损，对密封和润滑要求高。3)、主要用于中型以上越野车的转向驱动桥。二、准等速万向节3、三销轴式万向节：Fig.4-51)、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组成。2)、允许联接两轴最大夹角为450，易于密封。但其外形尺寸较大，零件形状较复杂，毛坯需要精确模锻。3)、用于少数中、重型越野车的转向驱动桥。三、等速万向节1、球叉式万向节：Fig.4-6三、等速万向节1、球叉式万向节：Fig.4-6圆弧槽滚道球叉式万向节1)、由两个万向节叉、四个传力钢球和一个定心钢球组成。2)、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、O2到万向节中心的距离相等。当万向节两轴绕定心钢球中心转动任意角度时，传力钢球中心始终在滚道中心两圆的交点上，从而保证输入轴和输出轴等速转动。3)、四个钢球在单向传动中只有两个传递动力，单位压力大，磨损快。只有在传力钢球与滚道之间具有一定预紧力时，才能保证等角速度传动。使用中，随着磨损的增加，预紧力逐渐减小以至消失，这时两轴叉之间便发生轴向窜动，从而破坏了传动的等速性，严重时钢球会脱落。三、等速万向节1、球叉式万向节：Fig.4-6直槽滚道球叉式万向节1)、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。两球叉间的槽中装有4个钢球，因球叉中的槽所处的位置是对称的，从而保证了四个钢球的中心处于两轴夹角的平分面上。2)、加工容易、允许轴间夹角不超过200，两叉间允许有一定量的轴向滑动。3)、主要用于断开式驱动桥中，当半轴摆动时，它可以补偿半轴的长度变化而省去滑动键。三、等速万向节2、球笼式万向节Rzeppa型球笼万向节：Fig.4-7a2、球笼式万向节Rzeppa型球笼万向节：Fig.4-7a1)、球形壳的内表面和星形套3的球表面上各有沿圆周均匀分布的六条同心的圆弧轨道，在它们之间装有六个传力钢球，这些钢球被球笼保持在同一平面内。2)、当万向节两轴之间的夹角发生变化时，靠分度杆拨动导向盘，并带动球笼使六个钢球处于轴间夹角的平面上。3)、当轴间的夹角较小时，分度杆是必要的。当夹角110时，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。4)、工作中六个钢球都传递动力，两轴之间的夹角可达350～370。主要用于转向驱动桥中。2、球笼式万向节Birfield型球笼式万向节：Fig.4-7b1)、无分度杆，球形壳和星形套的滚道做得不同心，其圆心对称地偏离万向节中心，靠内、外滚道交叉将钢球定在正确位置。2)、滚道的横断面为椭圆形，椭圆在接触点处的曲率半径为钢球半径的1.03-1.05倍。3)、钢球在六个方向都传递扭距，其承载能力和耐冲击能力强，效率高，结构紧凑，安装方便，但滚道的制造精度高，成本高，应用于具有独立悬架的转向驱动桥中，靠近转向轮一侧。2、球笼式万向节伸缩型球笼式万向节：Fig.4-7c1)、外滚道为直槽，结构与一般的球笼式接近。2)、传递转矩时，星形套与筒形壳可以沿轴向相对移动，从而省去了其它万向节传动装置中的滑动花键。3)、其轴向移动是通过钢球沿内、外滚道滚动实现的，与滑动花键相比，其滚动阻力小，传动效率高，允许工作的最大夹角为200。3)、用于转向驱动桥中靠近差速器一侧，可补偿由于前轮跳动及载荷变化而引起的轮距变化，还用于断开式驱动桥中。四、挠性万向节两轴之间通过橡胶盘、橡胶金属套筒、铰接块、六角环形橡胶圈等之一的弹性元件来实现连接。主要特点有：1)能减少传动系的扭转振动；2)能减少传动系的动载荷；3)能减少的噪声；4)无需润滑；5)结构简单；6)适用于轴间夹角不大（3°～5°)和有很小的轴向位移处。如变速器与分动器之间等。7)靠弹性元件的变形使相交两轴间传动时不发生干涉。回目录a)具有球面对中机构的环形挠性万向节中装有不需润滑的球形滑动对中轴承。b)结构上允许有一定的轴向变形，当轴向变形量满足使用要求时，可省去伸缩花键。五、不同万向节结构方案的对比分析准等速万向节等速万向节球叉式万向节球笼式万向节形式特点十字轴万向节双联式万向节凸块式万向节三销轴式万向节圆弧槽式直槽式Birfield型伸缩型结构简单复杂简单复杂简单简单，紧凑多零件少多少，形状复杂多，形状复杂少，形状复杂形状复杂形状简单夹角小①大50°~60°大50°大45°≯32°~33°≯20°42°20°效率高（0.97～0.99）高低②高高（继上表）寿命长长较短②长短尺寸小大较大大较小较小对密封性要求可靠可靠可靠可靠可靠可靠对润滑要求良好良好良好良好良好良好制造容易容易容易难难容易要求精度高工作可靠性可靠可靠可靠可靠不可靠③可靠（继上表）制造成本低稍高高稍高高应用普遍中型越野车中，重型越野车轻，中型越野车断开式驱动桥广泛，独立悬架转向驱动桥上①夹角由4°增至16°，滚针轴承寿命降至原来的25%②工作面为滑动摩擦∴η低，且易磨损寿命短③只有传力钢球与滚道之间有预紧力作用时，才能保证等角速传动。当磨损↑后，预紧力消失，两球叉可轴向窜动，破坏了传动等速性。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研究运动学的目的：求得保证所连接的两轴能够均匀等速运转的条件？1、输入轴和输出轴之间的角速度与转矩之间的关系由机械原理可知：（1）由（1）式得：（2）假设：α=常数将（2）式对时间求导数，得到角速度ω：cos21tgtgcos12tgarctgdtddtd11222cossin1cos11dtd—主动轴角速度—22dtd—从动轴角速度—)3(cossin1cos122121212cosf皆为常数，则，常数，又sincos每转一周变化两次。常数，则若周期函数。的也是周期为的函数，是周期为21012012180180cos360,180,0).11当1cos1时）（则4cos1coscossin1cos2122常数，为最大值，若1121max2cos1则时当270,90).210cos1cos12则为最小值，则121min2cos分析：2每转一周周期性地变化两次，将从动轴转动的角速度时快、时慢现象，称之为运动的不等速性。用转速不均匀系数K来表示不等速性：1min2max2K111coscos1coscos1coscos12tgsinK，就可求得只要知道3).从动轴上力矩M2的变化忽略摩擦损失后，输入、输出轴上的功应相等：2211TT）式代入上式，得：将（3coscossin112212TT。，即：不变，则设12212121fTTTT:max212达最小时，当T）（51221TT即cos1max2TT:min212达最大时，当Tcos1min2TT从动轴的转矩变化范围coscos121TTT：结论：当T1与α一定时，T2在最大值与最小值之间每转一转变化两次，其振幅依赖α角不同而变化。工作中不希望存在上述扭转波动，为了减少这个附加载荷，要求：1)减少α角；2)采用挠性万向节；二、双十字轴万向节传动若只有一个万向节传动轴，由tgφ1=tgφ2cosα可知：1)主动轴等速转动，则从动轴为不等速转动；2)α愈大，转动的不等速性愈大。φ1与(φ1-φ2)和α关系如下图所示：图中表明：1)φ1从00～900时，(φ1-φ2)为负值，即从动轴比主动轴转的快；2)φ1从900～1800时，(φ1-φ2)为正值，即从动轴比主动轴转的慢；3)主动轴转一周，从动轴有两次比它快，两次比它慢；4）α角愈大，在同一个φ1值时，其(φ1-φ2)之差也愈大。双十字轴万向节如下图所示：主动轴Ⅰ转过φ1角，轴Ⅱ转过φ2角，则有：（6）同时轴Ⅲ转过φ3角，则有：（7）用式（7）除以式（6）得：121costgtg223costgtg2131coscostgtg3121