第四章万向传动轴设计

第四章万向传动轴设计

(Propellershaftsanduniversaljointsdesign)第一节概述(Overview)

第二节万向节结构方案分析(Structureanalysisoftheuniversaljoints)

第三节万向传动的运动和受力分析(Kinematicandforceanalysisoftheuniversaljoints)

第四节万向节的设计计算(Designandcalculationsoftheuniversaljoint)

第五节传动轴结构分析与设计(DesignandStructureanalysisofpropellershaft)

第六节中间支承结构分析与设计(Designandanalysisoftheintermediatesupportstructure)第一节概述(Overview)

万向传动轴一般是由万向节、传动轴和中间支承组成。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：保证所连接的两根轴相对位置在预计范围内变动时，能可靠地传递动力。

保证所连接两轴尽可能等速运转。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。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。发动机前置后驱或全驱车采用可伸缩的十字轴万向传动轴。第一节概述万向传动轴的组成(Thecomponentsofthepropellershaft)：万向节(Universaljoints)、传动轴(Propellershaft)。万向传动轴的功用：用于相对位置不断变化的两轴间的运动和转矩传递。ClutchTransmissionUniversaljointDriveaxleDifferentialPropellershaftFinaldriveAxle组成：万向节、传动轴、中间支承Components:Universaljoints,Propellershaft,Intermediatesupport中间传动轴主传动轴中间支承IntermediatepropellershaftMainpropellershaftIntermediatesupport万向节万向节（Universaljoint）第一个有关万向节的报告：1550年，意大利数学家、医生和哲学家GeronimoCardano在著作中提到国王查理五世的座椅“一种装置有万向接头的座椅”，1557年他描述了关节的结构。万向节的分类：刚性万向节、挠性万向节刚性万向节(Rigiduniversaljoint)：动力是靠零件的铰链式联接传递的。

(1)不等速万向节(inconstantvelocityuniversaljoint)（如十字轴式）

(2)准等速万向节(Quasi-constantvelocityuniversaljoint)

（如双联式、凸块式、三销轴式等）

(3)等速万向节(constantvelocityuniversaljoint)（如球叉式、球笼式等）(CVJ)挠性万向节(Flexibleuniversaljoint)：靠弹性零件传递动力，具有缓冲减振作用。一、十字轴式万向节(Hooke'suniversaljoint)结构：万向节叉(Yoke)十字轴(Spider)滚针(Needleroller)、套筒(Sleeve)、油封(Oilseal)、轴承盖(Bearingcap)注油嘴(Injectionnozzle)、安全阀(溢流阀(Reliefvalve))第二节万向节结构方案分析十字轴的润滑与密封(Lubricationandsealingofthespider)橡胶油封(Rubberseal)毛毡或刃口油封(Feltoredgeseal)滚针轴承的轴向定位方式(Theaxiallocatingoftheneedlerollerbearings)a)普通盖板式b)弹性盖板式c)外卡式d)内卡式e)瓦盖固定式f)塑料环定位式1-

螺栓2-锁片3-盖板4-万向节叉5-套筒6-弹性盖板7-轴承座8-外卡环9-内卡环

十字轴万向节传动的不等速性(ThevelocityvariationoftheHooke'suniversaljoint)传动的不等速性a主动叉在垂直位置b主动叉在水平位置c两轴转角差随主动轴转角变化的关系两轴交角越大，不等速性越严重。不良后果：扭转振动，附加载荷。

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。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。双十字轴万向节的等速传动条件（1=2）ConstantvelocityrequirementsofdoubleHooke'suniversaljoint问题：汽车变速箱输出轴与驱动桥主减速器输入轴的轴线相对位置是否平行？(Isthegearboxoutputshaftparalleltothefinaldriveinputshaft?)双十字轴万向节的准等速万向传动(Quasi-constantvelocityuniversaldriveofthedoubleHooke'suniversaljoint)双联式准等速万向节(Dual-quasi-constantvelocityuniversaljoint)组成：主\从动轴、双联叉(Driveshaft,drivenshaft,doublefork)原理：二个十字轴万向节串联(TwoHooke'suniversaljointsinseries)特点：允许有较大的轴间夹角（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。

凸块式万向节(Thetractauniversaljoint)

凸块式万向节主要由两个万向节叉1和4以及两个特殊形状的凸块2和3组成。它实际上是双联十字轴式万向节的变形。即用二个圆弧滑动副取代十字轴的二个转动副。

三销轴式万向节(TripodUniversalJoint)三销轴式万向节是由双联十字轴式万向节演变而来。它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。

允许所连接的两轴最大夹角为45°。主要用于总质量较大的越野车转向驱动桥。

TriangularshaftDriveneccentricshaftforkDriveeccentricshaftfork

球面滚轮式万向节(Sphericalrollertypeuniversaljoint)球面滚轮式万向节是应用较为广泛的准等速万向节(图4_6)允许两轴间的工作夹角可达43°，加工比较容易。三、等速万向节

(Constantvelocityjoint)球叉式万向节(Weissuniversaljoint)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。主要用于总质量不大的越野车转向驱动桥.图4-7球叉式万向节a)圆弧槽滚道型b)直槽滚道型直槽滚道型球叉式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。主要应用于断开式驱动桥,当半轴摆动时,用它可补偿半轴长度变化而省去滑动花键.

球笼式万向节

(CVjoint)球笼式万向节有Rzeppa型,Birfield型和伸缩型球笼式万向节。Rzeppa型允许两轴最大夹角为35°～37°;Birfield型允许两轴最大夹角达42°;伸缩型外滚道为直槽。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。允许两轴最大夹角为20°。

图4-8aRzeppa型1—球形壳2—钢球3—星形套4—球笼5—导向盘6—分度杆

图4-8c伸缩型图4-8bBirfield型Birfield型球笼式万向节和伸缩型球笼式万向节被广泛应用在独立悬架转向驱动桥中，靠近转向轮一侧用Birfield型万向节，靠近差速器一侧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。四、挠性万向节(Flexibleuniversaljoint)

挠性万向节依靠其中弹性元件的弹性变形来保证在相交两轴间传动时不发生干涉。弹性元件可以是橡胶盘、橡胶金属套筒、铰接块、六角环形橡胶圈等多种形状。

图4-9环形挠性万向节

a)具有球面对中机构的环形挠性万向节b)具有轴向变形的环形挠性万向节

挠性万向节能减小传动系的扭转振动、动载荷和噪声，结构简单，使用中不需润滑，一般用于两轴间夹角不大(一般为3°～5°)和很小轴向位移的万向传动场合。比如,它常在轿车三万向节传动中，用作靠近变速器的第一万向节，或在重型汽车中用于发动机与变速器之间，越野汽车中用于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。第三节万向传动的运动和受力分析(Kinematicandforceanalysisoftheuniversaljoint)一、单十字轴万向节传动(Hooke’suniversaljoint)转速不均匀系数

(Uniformitycoefficientofrotationspeed​​)k:转速关系(Speed​​relationship):转矩关系(Torquerelationship):(周期为)(周期为)附加弯曲力偶矩的分析(Analysisoftheadditionalbendingmomentofcouple)

T1T1T2T2T2=0T2T1T1=01=0,1=/2,3/21=0,时,

Tl′=0,从动叉上的附加弯矩T2′=Tlsin

1=/2,3/2

时,T2′=0，主动叉上的附加弯矩Tl′=Tltan

附加弯矩可引起与万向节相连零部件的弯曲振动，可在万向节主、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。因此，为了控制附加弯矩，应避免两轴之间的夹角过大。

习题一：试分析图4-10中十字轴万向节输入、输出轴支承反力（或反力偶），进而说明式（4-4）、（4-5）是否存在错误。二、双十字轴万向节传动(DrivingofdoubleHooke'suniversaljoint)

当输入轴与输出轴平行时,直接连接传动轴的两万向节叉所受的附加弯矩彼此平衡，传动轴发生如图中双点划线所示的弹性弯曲，从而引起传动轴的弯曲振动。

图4-11附加弯矩对传动轴的作用

T2T1T2T1T2T1当输入轴与输出轴相交时，传动轴两端万向节叉上所受的附加弯矩方向相同，不能彼此平衡，传动轴发生如图中双点划线所示的弹性弯曲，因此对两端的十字轴产生大小相等、方向相反的径向力。

T2T1图4-11附加弯矩对传动轴的作用T2T1第四节万向节的设计计算(Designandcalculationsofuniversaljoint)一、万向传动轴的计算载荷(Loadingcalculationofthepropellershaft)

计算载荷因万向传动轴的布置位置而异。用于变速器与驱动桥之间(Applied

betweenthegearboxandthedriveaxle)(1)按发动机最大转矩和一档传动比来确定计算载荷:kd:猛接离合器所产生的动载系数(kd=13;p.127)k:液力变矩器变矩系数(p.126);n:计算驱动桥数(参考表4-2);if:分动器传动比(参考表4-2).分动器结构接前桥(Connectedwiththefrontaxle)接后桥(Connectedwiththerearaxle)中间桥(Thecountershaft)输入轴(Inputshaft)HLifg=1.08ifd=2.05(2)按驱动轮打滑来确定计算载荷:G2:汽车满载状态下一个驱动桥上的静载荷(N);m2:汽车最大加速度时的后轴负荷转移系数(p.126);im:主减速器从动轮到驱动轮之间的传动比;i0:主减速器传动比.取上述二者之小者为计算载荷,安全系数取2.53.0表4-1万向传动轴的计算载荷(Loadingcalculationofthepropellershaft)

二、十字轴万向节设计(DesignofHooke’sjoints)损坏形式(Damagemodes):轴颈和滚针轴承的磨损，表面压痕和剥落.

一般,磨损或压痕超过0.15mm,报废;失效形式(Failuremodes):轴颈断裂.滚针对轴颈作用力F:式中，TS:万向传动轴的计算转矩，

TS=min[Tse，Tss]；

r:F至十字轴中心的距离；

α:主、从动叉轴的最大夹角。轴颈根部的弯曲应力w和切应力应满足

[]WwddFsdsps-=)(3242411其它设计参数推荐取值:滚针直径1.6mm，均一性误差<0.003mm;滚针轴承径向间隙0.009～0.095mm，周向总间隙0.08～0.30mm;滚针长度<轴颈长度;滚针轴向游隙<O.2～O.4mm。

滚针轴承的接触应力应满足:

Fn为F作用下一个滚针所受最大载荷:

十字轴万向节的传动效率估算(p129):一般,0=97％～99％.α≤25°时,

当滚针和十字轴颈表面硬度在58HRC以上时,许用接触应力

[j]=30003200Mpa万向节叉弯曲应力w与扭应力b(p128).十字轴常用材料(Materialsofthespider):20CrMnTi、20Cr、20MnVB等低碳合金钢,轴颈表面渗碳淬火处理,表面硬度为5864HRC,心部硬度为3348HRC;万向节叉(Yokes):一般采用35、40、45中碳钢或中碳合金钢40Cr,经调质处理,硬度为1833HRC;滚针轴承碗材料(Materialoftheneedlerollerbearingsleeve):一般采用GCr15.三、球笼式万向节设计

(DesignoftheCVjoint)失效形式:传力钢球与接触滚道表面的疲劳点蚀(Surfacefatiguepitduetothepowertransferbetweenthesteelballandthecontactway)。Rzeppa型球笼式万向节钢球直径估算:

目前尚没有按接触应力确定万向节承载能力的统一计算方法.按经验公式确定传力钢球直径:图4-15球笼式万向节的基本尺寸T1

为万向节计算转矩(N·m)，T1=min[Tse,Tss]

(mm)确定球笼、星形套等零件的结构尺寸(Determinethestructuresizesoftheballcage,theinnerbearingraceandotherparts)：

RadiusoftheballcentercircleR=1.71dWidthoftheinnerbearingraceB=1.8dWidthoftheballcageB1=1.8d

Diameterofinnerbearingracecontactwaybottom

D1=2.5d

DiameteroftheuniversaljointD=4.9d

Thicknessoftheballcageb=0.185d

Widthoftheballcageslotb1=d

LengthoftheballcageslotL1=(1.33～1.80)d

(Theordinarytypetakelowerlimitlongtotakemaximum)Offsetofthecenteroftheracecontactwayh=0.18d

Journaldiameterd′≥1.4dDiameteroftheoutersplineoftheinnerbearingraceD2≥1．55d

LengthoftheoutercontactwayL=2.4d

Centeroffsetangleδ≥6°

Birfield型球笼式万向节星形套连接轴的直径估算:确定星形套连接轴的直径(Determinethediameteroftheshaftconnectingtotheinnerbearingrace)ds:dsT1

为万向节计算转矩(N·mm)，T1=min[Tse,Tss];SF为使用因素.mm确定Birfield型球笼式万向节的其它尺寸(表4-4)球形壳和星形套材料:15NiMo(渗碳、淬火、回火）钢球材料：轴承用钢球，GCr15第五节传动轴结构分析与设计(DesignandStructureanalysisofthepropellershaft)确定传动轴的长度,夹角及变化范围:(1)按汽车总布置设计确定;轻型货车6-8（空载静止时）(2)应保证当传动轴伸长最大时，花键套与轴有足够的配合长度；最短时不顶死;(3)传动轴夹角大小影响到万向节寿命、效率和十字轴万向节的传动不均匀性。减小滑动花键轴向滑动阻力的措施:(1)花键齿磷化处理或喷涂尼龙层；(2)或在花键槽中放入滚针、滚柱或滚珠等滚动元件;(3)传动轴花键应有润滑及防尘措施；(4)花键齿与键槽间隙不宜过大，且应按对应标记装配，以免装错破坏传动轴总成的动平衡；(5)传动轴伸缩花键一端不应靠近后驱动桥，而应靠近变速器或中间支承，以减少其轴向阻力和磨损。(为什么?)传动轴滑动花键伸缩时的轴向阻力:传动轴管常用壁厚1.5-3.0mm电焊钢管制造;(2)实心轴比空心轴临界转速低.(3)当LC>1.5m时，常将传动轴断开成二根或三根，用三个或四个万向节，并在中间传动轴加设中间支承。(4)传动轴轴管断面尺寸应保证有足够的扭转强度,其扭转切应力应满足确定传动轴断面尺寸(Determinethepropellershaftsectionsizes):(1)传动轴断面尺寸应保证传动轴有临界转速。其临界转速为式中，LC为传动轴长度(mm)，即两万向节中心之间的距离；

dc和Dc分别为传动轴轴管的内、外径(mm);

设计时,取传动轴安全系数K=nk/nmax=1.2～2.0.

T1

为传动轴计算转矩(N·mm)。=300Mpa(6)传动轴花键的齿侧挤压应力应满足

(5)传动轴花键部分，常以底径计算其扭转切应力τh:<[h]dh为花键内径(mm);许用切应力[h]一般按安全系数2～3确定.式中，no

为花键齿数；

K′为花键转矩分布不均匀系数，K′=1．3～1．4；

Dh和dh分别为花键外径和内径(mm)；Lh为花键的有效工作长度(mm)；滑动花键齿面硬度>35HRC，[y]=25~50MPa；非滑动花键齿侧[y]=50～100MPa。(7)提高滑动花键耐磨性和万向节花键配合精度、缩短传动轴长度、提高弯曲刚度，都有利于降低传动轴不平衡度。传动轴的不平衡度要求：轿车：3000～6000r／min，25～35g·cm；货车：1000～4000r／min，

50～100g·cm；传动轴总成径向全跳动：

0.5～0.8mm。传动轴失效形式：（1）传动轴管折

多半由扭矩及临界转速引起。扭矩原因引起的传动轴失效模式多为轴管折或扭成麻花，出现该现象时车速一般不高或在起步时，扭矩或冲击扭矩发挥到最大。可采取加粗轴管的措施提高传动轴的承载扭矩。当由临界转速原因导致该故障时，传动轴管多扭成麻花，且车速较高，当故障发生前整车会感觉到激烈抖动。可采取将轴管加粗管壁减薄的措施来提高传动轴的临界转速。当传动轴较长时，可采取将传动轴分成两节来提高传动轴的临界转速。（2）