第5章 万向节与传动轴设计

1第五章万向节与传动轴设计主要内容重点与难点万向传动轴设计的基本要求和万向节的基本结构形式；“十字轴”万向节的运动和受力分析及其强度计算；传动轴的结构方案与强度计算。重点：“十字轴”万向节的运动和受力分析及其强度计算，“球笼式”万向节的传动及设计原则。难点：“十字轴”万向节的运动和受力分析。2第五章万向节与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3第一节概述一、组成万向节、传动轴（中间支承）功用：在相对位置变化的轴间传递转矩、旋转运动4二、设计要求1.保证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3.万向节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5三、万向节的应用1.变速器与驱动桥之间62.多轴驱动的汽车的分动器与驱动桥之间或驱动桥与驱动桥之间73.发动机与变速器之间（由于车架的变形造成轴线间相互位置变化的两传动部件）84.采用独立悬架的汽车差速器之间95.转向驱动车桥的差速器与车轮之间106.转向操纵机构中11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；但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、万向节的分类12第二节万向节结构方案分析特点：结构简单、传动可靠，效率高，应用较为普遍1.十字轴万向节13十字轴万向节构造•万向节叉十字轴、套筒、轴承盖万向节叉十字轴套筒14当叉轴1以等角速度1旋转，A点的瞬时线速度可求：A=1r=2rcos21速度特性当叉轴1转过900后，B点的瞬时线速度可求：B=1rcos=2r21不等速性15不等速性曲线图16准等速万向节双联叉相当于两个在同一平面内的万向节叉欲使两轴角速度相等，应保证α1=α22.双联式万向节特点：允许有较大的轴间夹角，轴承密封性好、效率高、制造工艺简单、加工方便、工作可靠，但外形尺寸大。多用于越野汽车。173.三销轴式万向节准等速万向节由双联式万向节演变而来特点：允许相邻两轴间有较大的夹角，但外形尺寸大，零件形状复杂，多用于一些越野车的转向驱动桥。4.凸块式万向节特点：工作可靠、加工简单、允许的万向节夹角较大，但效率低，多用于中型以上越野车的转向驱动桥。18等速万向节5.球叉式万向节等速原理保证万向节在工作过程中的传力点永远位于两轴交角的平分面上特点：结构简单，在夹角小于32°-33°的条件下能正常工作，但磨损较快，多用于轻、中型越野车的转向驱动桥。19等速万向节6.球笼式万向节特点：工作可靠、传动效率高、结构紧凑，但制造精度要求高，成本高，广泛应用于独立悬架的转向驱动桥。20第三节万向传动的运动和受力分析12212cossin1cos由机械原理知识可以得到：一、单十字轴万向节传动1、转速关系21360,180,0)11当时cos1121max2cos1即时当270,90)21cos121min2cos即2、不等速性分析（假设主动轴等速转动）当主动轴以等角速度转动时，从动轴时快时慢，这就是十字轴万向节传动的不等速性。用转速不均匀系数K来表示：tgKsin1min2max2α越大，K越大，转动越不均匀223.从动轴转矩T2;cos1max2212TTT达到最大，最小时，当2211TT若忽略摩擦损失，则输入、输出轴上的功应相等：假设输入轴转矩T1不变，则：。达到最小，最大时，当cos1min2212TTT当T1与α一定时，T2在最大值与最小值之间变化，且每转一转变化两次1cos12cos2sin12TT234.附加弯曲力矩当十字轴万向节具有夹角时，除主动轴驱动转矩T1、从动轴反转矩T2之外，还有作用在主动叉平面的弯曲力矩T1′、从动叉平面的弯曲力矩T2′时，、01时，、2/32/1T1′、T2′呈周期性变化，每转一周变化两次sin0121TTT0211TtgTT24T2′使从动叉轴支承受周期性变化的径向载荷21222sinLTLTFj附加弯矩会激起支撑处的振动，使传动轴产生应力、变形，从而降低传动轴的疲劳强度5.附加弯曲力矩的影响T1′使主动叉轴支承受周期性变化的径向载荷cos212LtgTFc应避免两轴之间夹角过大25二、双十字轴万向节传动倘若主动轴等速转动，则从动轴不等速转动，且α愈大，转动的不等速性愈大对于双万向节传动轴，若要使输入轴和输出轴等速旋转，需满足以下条件：传动轴两端的万向节叉位于同一平面内两万向节夹角相等，即α1=α226附加弯矩引起的变形两万向节叉所受的附加弯矩彼此平衡，使传动轴发生弹性弯曲，从而引起传动轴的弯曲振动两万向节叉所受的附加弯矩方向相同，不能平衡，传动轴发生弹性弯曲，对两端十字轴产生大小相等、方向相反的径向力27第四节万向节设计计算一、计算载荷Ts位置计算方法用于变速器与驱动桥之间用于转向驱动桥按来确定按驱动轮打滑来确定按日常平均使用转矩来确定1max,iTenikiTkTfedse1max1niikiTkTfedse201max2mmrSSiirmGT0221mmr112SSi2rmGTniirFTmm0rt1SFni2rFTmmrt2SF静强度计算时，计算载荷TS取TSe1和TSS1（或TSe2和TSS2）的较小值；进行疲劳寿命计算时，计算载荷TS取TSF1或TSF2。28二、十字轴万向节设计1、损坏、失效形式：十字轴轴颈、滚针轴承磨损十字轴轴颈、滚针轴承碗表面出现压痕和剥落十字轴轴颈根部断裂（失效）第四节万向节设计计算2、轴颈根部强度计算作用于十字轴轴颈中点的力：轴颈根部的弯曲应力:=250-350MPa轴颈根部的剪切应力:=80-120MPa12cosTFr1441232[]()wwdFsdd22124[]()Fdd293、十字轴滚针轴承的接触应力其中：Lb为滚针工作长度(mm)，L为滚针总长度(mm)Fn为单个滚针所受的最大载荷(N)i——滚针列数；Z——每列中的滚针数。许用接触应力[σj]=3000～3200MPa][)11(27201jbnjLFddZiFFn6.40(0.15~1.00)bLLd304、万向节叉的强度计算危险截面：与十字轴轴孔中心线成45º的B—B截面处弯曲应力=50~80MPa扭转应力=80～160MPa.wwFeW.tFaW5、十字轴万向节的传动效率102tan1dfr)25(时通常约为97%～99％31三、球笼式万向节设计Rzeppa型球笼式万向节设计假定六个传力钢球均匀受载，则钢球的直径可按下列经验公式确定：d为钢球直径（mm）T1计算转矩（N.mm）计算钢球直径应圆整并取最接近国家标准的直径。341101.2Td32其他零件尺寸的确定当钢球的直径d确定后，其中的球笼、星形套等零件及有关结构尺寸，可按如下关系确定：1)钢球中心分布圆半径R=1.71d2)星形套宽度B=1.8d3)球笼宽度B1=1.8d4)星形套滚道底径D1=2.5d5)万向节外径D=4.9d6)球笼厚度b=0.185d7)球笼槽(孔)宽度b1=d8)球笼槽(孔)长度L=(1.33-1.8)d(普通型取下限，长型取上限)9)滚道中心偏置距h=0.18d10)轴颈直径d′≥1.4d11)星形套花键外径D2≥1.55d12)球形壳外滚道长度L1=2.4d13)中心偏移角δ≥6°333.挠性万向节设计盘式挠性万向节橡胶盘的拉应力和挤压应力应满足Tmax为万向节静强度计算转矩，i为一个万向节叉上的螺栓数，R为橡胶盘平均半径，R1、R2为橡胶盘外、内半径，b为橡胶盘厚度，d0为螺栓孔直径许用拉应力12-15MPa，许用挤压应力8MPa。jjLLiRbdTdRRiRbT0max021max)(34第五节传动轴结构分析与设计由传动轴及其两端焊接的花键和万向节叉组成。传动轴中一般设有由滑动叉和花键轴组成的滑动花键，以实现传动长度的变化。1.传动轴总成2.传动轴的结构形式实心－用于转向驱动桥、断开式驱动桥、微型车万向传动装置空心－用于FR传动系的万向传动轴353.传动轴的参数长度、夹角：长度最大时不脱落；最小时不顶死夹角影响传动效率、旋转不均匀性、寿命临界转速：发生共振时的工作转速共振：质量不均衡引起的离心力使传动轴剧烈振动2c2c2c8kLdD102.1n临界转速提高临界转速的办法：1）缩短传动轴长度；2）总长度不变的情况下，将传动轴分成几段；3）将传动轴做成空心的（无缝钢管或1.5～3mm厚的薄钢板卷焊）36应保证有足够的扭转强度，轴管的扭转切应力应满足MPadDTDccccc300)(16441扭转强度提高传动轴动平衡的方法传动轴两端点焊平衡片3738