第四章++万向节和传动轴设计10

2020/7/51第四章万向传动轴设计§4.1概述§4.2万向节结构方案分析§4.3万向传动的运动和受力分析§4.4万向节的设计计算§4.5传动轴结构分析与设计§4.6中间支承结构分析与设计2020/7/52§4.1概述一、功用发动机前置后驱动汽车变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴间的万向节传动。全轮驱动的汽车变速器和分动器及分动器与前后驱动桥之间的万向传动装置。重型汽车由于总布置的需要将离合器与变速器分开一段距离，因此，也常用万向传动装置将两个总成连接起来。转向驱动桥车轮应在最大范围内任意偏转某一角度并能不断地传递动力。其半轴分段。左右半轴夹角随行驶需要而定。半轴与车轮之间常用球叉式或球笼式等速万向节传动。2020/7/532020/7/54二、设计要求：保证所连接的两轴相对位置在预计范围内变动时，能可靠传。保证所连接的两轴能均匀旋转，由于夹角变化引起的动载荷在允许范围内。传动效率高、寿命长、结构简单、制造方便。三、设计依据发动机参数标准法规要求：QC／T29082—1992汽车传动轴总成技术条件QC／T523—1999汽车传动轴总成台架试验方法2020/7/55三、分类万向节按其在扭矩方向上是否有明显的弹性，可分为刚性万向节和挠性万向节。前者靠零件的铰接式联结传输动力，后者通过弹性零件传递动力，且有缓冲减振作用。不等速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，但平均角速度比为1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。2020/7/562020/7/57§4.2万向节结构方案分析十字轴万向节十字轴万向节主要有主、从动叉、十字轴、滚针轴承及轴向定位件和橡胶密封件等组成。其中滚针轴承的轴向定位方式和油封很重要。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。但所连接两轴的夹角不宜过大。一般15°~20°，适用货车。试验表明：当夹角由4°增加到16°时，滚针轴承的寿命将下降为原寿命的1/4。2020/7/59十字轴式刚性万向节传动的不等速性单个十字轴式刚性万向节在输入轴和输出轴之间有夹角的情况下，其两轴的角速度是不相等的。（1）主动叉在垂直位置，并且十字轴平面与主动轴垂直。（2）主动叉在水平位置，并且十字轴平面与从动轴垂直。2020/7/510双联式万向节准等速万向节，由两个十字轴万向节组成。允许连接两轴的夹角较大。一般可达50°适用军用越野车。北京切诺基越野车分动器与前传动轴；延安XL2150转向驱动桥；凸块式万向节也是一种双联式万向节，两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，2020/7/511因此可以保证输入轴与输出轴近似相等，万向节夹角较大，可达50°。但是由于工作面全为滑动摩擦效率低，易磨损且对密封和润滑要求较高。它主要用于中型越野车。道奇WM300前轴；三销式万向节三销式万向节允许所连接的两轴最大夹角为45°，易于密封。但其外形尺寸较大，零件形状较复杂，这种结构目前用于个别中、重型越野车的转向驱动桥。东风EQ20802020/7/512等速万向节的基本原理：从结构上保证万向节在工作过程中的传力点永远位于两轴交点的平分面上。两齿轮的接触点P位于两齿轮轴线交角的平分面上，P到两轴的垂直距离都等于r。在P点处两齿轮的圆周速度是相等的，两个齿轮旋转的角速度也相等。与此相似，若万向节的传力点在其交角变化时始终位于角平分面内，则可使两万向节叉保持等角速的关系。目前采用较广泛的球叉式万向节和球笼式万向节均根据这一原理制成。图16.12等速万向节的工作原理2020/7/513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。圆弧槽型：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，o1o=o2o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。该万向节结构简单，传递夹角≯32°～33°。四个钢球两两单向受力，单位压力较大磨损较快。这种万向节只有在传力钢球与滚道有一定的预紧力时，才能保证等角速传动。适用轻、中型越野车转向驱动桥。三、等速万向节球叉式万向节2020/7/514直槽滚道型球叉式万向节（图4-1b），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。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。适用断开式转向驱动桥。可轴向伸缩2020/7/515图16.15球叉式万向节在转向驱动桥中的布置1—定位销2—锁止销3—从动叉4—径向推力轴承5—传动钢球6—主销7—油封8—推力轴承9—主动叉10—中心钢球2020/7/5162．球笼式万向节简称RF节球笼式万向节是目前应用最为广泛的等速万向节。Rzeppa型球笼式万向节是带分度杆的，六个传力钢球由球笼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夹角达到35°～37°的情况下工作。图4-2Rzeppaz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2020/7/517Birfield型球笼式万向节(伯菲尔德)Birfield型球笼式万向节取消了分度杆，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。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。这种万向节允许的工作角可达42°。由于六个钢球同时传递转矩，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4-3Birfield型球笼式万向节此时，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。滑动轨迹单圆弧：椭圆：2020/7/519伸缩型球笼式万向节简称VL节伸缩型球笼式万向节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。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°。图4-4伸缩型球笼式万向节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。2020/7/520RF节和VL节广泛应用于采用独立悬架的轿车转向驱动桥。其中RF节用于靠近车轮处，VL节用于靠近驱动桥处。RF节与VL节在转向驱动桥中的布置1—球笼式万向节(RF节)2、4—防尘罩3—传动轴(半轴)5—伸缩型球笼式万向节(VL节)(VL节)(RF节)2020/7/522四、挠性万向节挠性万向节依靠其中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。弹性件的弹性变形量有限，挠性万向节一般用于两轴间夹角不大(3°～5°)和只有微量轴向位移的万向传动场合。例如，连接固定安装在车架上的两个部件(如发动机与变速器或变速器与分动器)之间，以消除制造安装误差和车架变形对传动的影响。此外，它还具有能吸收传动系中的冲击载荷和衰减扭转振动、结构简单、无需润滑等优点。2020/7/523连接发动机输出轴与液力机械变速器输入轴的挠性万向节。它主要由借螺栓固定在发动机飞轮上的大圆盘、与花键毂铆接在一起的连接圆盘、连接二者的4副弹性连接件以及定心用的中心轴组成。2020/7/524§4.3万向传动的运动和受力分析运动学：十字轴万向节主、从动轴转角关系cos21tgtgcos12tgarctg即：一、单十字轴万向节传动φ1、φ2：主从、动叉转角。φ1定义为万向节主动叉所在平面与万向节主、从动轴所在平面的夹角。φ2与φ1相对应的从动叉转角。2020/7/525主从动轴速度关系：12212cossin1cos即cos1min211222cossin1cos若1不变则36001周期性变化两次，其周期为180°当36018001时cos1max2当270901时ω1ω2—主、从动轴的角速度a—主、从动轴的夹角十字轴万向节的不等速可用转速性不均匀系数K表示12cos2020/7/526动力学如果支承是刚性的，且不计万向节传动的摩擦损失，则主从动轴转矩关系为：2211当ω2/ω1最小时coscossin1112211212270901cos1min2cos1max236018001cos1max2cos1min2从动轴转矩当ω2/ω1最大时从动轴转矩2020/7/527达到最大由于主动叉和从动叉的转矩T1，T2作用在不同的平面上，仅T1，T2是不能平衡的，不计惯性力矩矢量无法封闭，主动叉除了作用有T1外，还有作用在主动叉平面的弯曲力矩T1’，同理有T2’。在主动叉和从动叉平面上的弯矩的大小为：达到最大tg11'1sintg1211'2sin1sincos01'2sin1'290'1tg1'1T1’T2’在0到两最大值之间变化，周期为π，2020/7/528212'22sinLLTFjcostan212LTFc若已知力臂；T2’使从动轴支承受周期性变化的径向载荷：万向节也承受与上述力大小相等方向相反的力。与此相反的反作用力矩由主动叉轴支承承受。同理T1’产生F1j。从动轴支承和万向节上的侧向载荷为：附加弯矩可引起与万向节相连部件的弯曲振动，引起主从动轴支承周期性变化的径向载荷，激起振动，使传动轴产生附加应力和变形，从而降低传动轴疲劳强度，因此应避免两轴之间的夹角过大。)cossin1(2sinsincos12212212222jTG若主动叉n不变；则从动轴周期的加、减速旋转，产生惯性力矩为：j2—从动叉轴旋转质量的转动惯量；ε2—从动叉轴旋转的角加速度；当ω1↑、主、从动轴夹角α↑时，由于从动叉轴旋转的不均匀加剧产生的惯性力矩可能会超过结构的许用值。应采用有效措施降低惯性力矩。2020/7/530二、双万向节传动由于单十字万向节传动是不等速的，为了使同一平面上的输出轴与输入轴等速旋转，在汽车传动系中常采用双万向节传动，并把同传动轴相连的两个万向节叉布置在同一平面内，且使两万向节夹角与相等。12123223121coscoscoscos1tgtgtgtgtgtg附加弯矩：tgtg1211'211'1sin1sincossinⅠ、Ⅲ轴：Ⅱ轴：2020/7/531附加弯矩的平衡：轴线平行，弯矩平衡弹性弯曲，弯曲振动轴线不平行，弯矩不平衡弹性弯曲，产生径向力2020/7/532三、多十字轴万向节传动122sin4e)(/3502212轿车srade)(/6002212货车srade3ee尽量小，注：（空