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第四章万向传动轴设计,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；“球笼式”万向节的传动及设计原则；传动轴的结构方案与强度计算；中间支承的结构及设计原则。,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,第四章万向传动轴设计,概述万向节结构方案分析万向传动的运动和受力分析万向节的设计计算传动轴结构分析与设计中间支承结构分析和受力分析,1、组成：万向节、中间支承、传动轴2、功用：在相交且相对位置常变化的两转轴间传递动力3、应用场合：变速器与驱动桥间变速器与分动器间转向驱动桥中的主减速器与转向驱动轮之间,第一节概述,第一节概述,变速器与驱动桥之间的万向传动装置1.变速器2.万向传动装置3.驱动桥4.后悬架5.车架,在发动机前置后轮驱动，或全轮驱动汽车上，由于弹性悬挂的变形，变速器或分动器输出轴与驱动桥输入轴的轴线相对位置发生变化，采用十字轴万向传动轴。,应用场合,用于转向驱动桥的万向传动装置f）独立悬架g）非独立悬架,在转向驱动桥中，内外半轴之间的夹角随行驶需要改变，要采用等速万向节。,应用场合,应用场合,万向传动装置工作演示,两轴相对位置在预计范围内变化时，能可靠地传递力所连接的两轴尽可能等速运转，由万向节夹角而产生的附加载荷、振动、噪声应在允许范围内。传动效率高，使用寿命长，结构简单，维修方便,设计要求,按旋转方向是否有明显的弹性分：刚性万向节（靠零件的铰接）、挠性万向节（靠弹性元件传递动力，具有缓冲减振作用）。刚性万向节：不等速万向节（十字轴式）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）,分类,不等速万向节：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运动，但平均角速度之比为1。（十字轴式）准等速万向节：在设计角度下工作时，瞬时角速度比为1,其它角度瞬时角速度之比近似等于1（双联式、凸块式、三销轴式）等速万向节：输出轴与输入轴瞬时角速度之比为1（球叉式、球笼式）,分类,第二节万向节结构方案分析,特点：结构简单、零部件少、工作可靠、效率高，允许两轴之间的转角1520度,十字轴刚性万向节,组成：十字轴、滚针轴承、主动叉、从动叉及轴上定位件和橡胶密封件轴向定位的方式：盖板式、卡环式、瓦盖固定式，塑料环定位式,十字轴刚性万向节,普通盖板式,弹性盖板式,外卡式,内卡式,瓦盖固定式,塑料环定位式,十字轴万向节轴向定位方式,盖板式,毛毡油封：漏油，防水、防尘效果差。橡胶油封：单刃口、双刃口、多刃口。装配时封入润滑油：双刃口、多刃口需要定期注入润滑油（单刃口反装，利于陈油和摩擦物排出）,单刃口油封,双刃口油封,十字轴万向节密封方式,双联式万向节定义：传动轴缩至最小的双万向节等速传动装置结构：见（图）优点：允许较大的轴间夹角、结构简单、制造方便、工作可靠,具有准等速性,准等速万向节双联式,准等速万向节双联式,优点：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：结构较复杂，外形尺寸较大，零件数目多。,准等速万向节双联式,由两个万向节叉1和4及两个特殊形状的凸块2和3组成。结构工作可靠，加工简单，允许的万向节夹角较大(可达50)。工作面全为滑动摩擦，效率低，摩擦表面易磨损，对密封和润滑要求较高。主要用于中型以上越野车的转向驱动桥。,准等速万向节凸块式,组成：（EQ2080驱动桥中的三销轴万向节）偏心轴叉、三销轴、轴承、密封件优点：允许两轴夹角较大（可达45度）转弯半径小，机动性好缺点：占空间大,准等速万向节三销轴式,1主动偏心轴叉2、4三销轴3从动偏心轴叉5卡环6轴承座7衬套8毛毡圈9密封罩10推力垫片,准等速万向节三销轴式,允许所连接的两轴最大夹角为45，易于密封；外形尺寸较大，零件形状较复杂，毛坯需要精确模锻；由于工作中三销轴间有相对轴向滑动，万向节的两轴受有附加弯矩和轴向力，所以主动轴一侧需装轴向推力轴承。用于个别中、重型越野车的转向驱动桥。,由两个偏心轴叉、两个三销轴和六个滚针轴承组成,准等速万向节三销轴式,三种准等速万向节的性能比较,原理：从结构上保证万向节在工作过程中，其传力点永远位于两轴交点o1的平分面上,等速万向节,等速万向节球叉式万向节,特点：从结构上实现了两轴的转速相等；最大转角3235度，适合于转向驱动桥中；寿命短，钢球与凹槽的磨损快。采用压力装配的球叉式等速万向节的拆卸不便。,传动原理：,圆弧槽：两个万向节叉、四个传力钢球、一个定位钢球。特点：四个钢球在单向传动时只有两个传递动力，单位压力多大，磨损严重；只有在传力钢球与滚道之间具有一定的预紧力时，才能保证等角速传动。,球叉式：钢球滚道形状：圆弧槽、直槽,等速万向节球叉式万向节,圆弧滚道形,圆弧槽用在转向驱动桥旋转轴线与车桥轴线相重合两叉的最大转角大于车轮的最大转角万向节处于最大转角时，传力钢球与定心钢球不接触，间距大于5mm。传力钢球与万向节轴头均匀预紧，保证两钢球同时传递扭矩，避免靠一个钢球传递，产生过载。,等速万向节圆弧槽球叉式万向节,直槽：轴向相对滑动用在转向驱动桥，可补偿半轴长度变化，省去滑移齿轮,等速万向节球叉式万向节,直槽滚道形,组成：球形壳、行星套、球笼、六个钢球,Rzeppa型：1、球形壳2、钢球3、星形套4、球笼5、导向盘6、分度杆球笼的位置由分度杆、导向套确定,等速万向节固定球笼式万向节,固定型：,等速万向节球笼式万向节,等速万向节球笼式万向节,固定型球笼式等速万向节(RF),等速万向节球笼式万向节,固定型球笼式万向节等角速传动原理：,O-万向节中心A-外滚道中心B-内滚道中心C-钢球中心-两轴交角,等速万向节传动Birfield型球笼式等速万向节等速传动原理,球形壳的内表面有六条凹槽，形成外滚道；星形套外表面有相应的六条凹槽，形成内滚道。外滚道中心A与内滚道中心B分别位于万向节中心O的两边，OA=OB。钢球中心C到A、B两点的距离也相等，保持架的内、外球面以万向节中心为球心，COA=COB，即两轴相交任意交角时，传力钢球都位于交角平分面上。钢球中心到主、从动轴的距离相等，保证了从动轴与主动轴以相等的角速度旋转。,等速万向节球笼式万向节,传递转矩时六个钢球同时参加工作，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。,固定型球笼式万向节,Birfield（Rf）：当轴夹角为零时，子午滚道的交叉也能将钢球定在正确位置。,伸缩型球笼式万向节,伸缩型球笼式（VL）：外滚道为直槽在传递转矩时，行星套与筒型壳可沿轴向相对移动省去万向传动中的滑动花键传动效率高,伸缩型球笼式万向节,两轴间的夹角2025度，(大于十字轴小于球叉)适合于用在转向驱动桥的主减速器侧,伸缩型球笼式万向节,1主动轴2星形套（内滚道）3保持架（球笼）4筒形套（外滚道）5钢球,Birfield（Rf）球笼式和伸缩型球笼式（VL）万向节广泛应用于具有独立悬架的转向驱动桥靠近转向轮一侧用Birfield，靠近差速器的一侧用VL型，以补偿由于前轮跳动及载荷变化而引起的轮距变化VL型广泛应用于断开式驱动桥中当两轴夹角为零时，钢球中心、行星套中心、球形壳的夹角33滚道的横截面应为椭圆形,固定型和伸缩型球笼式万向节的应用,定义：依靠弹性间的弹性变形来保证在相交两轴间传动时不发生机械干涉的万向节优点：可消除制造安装误差和车架变形对传动的影响，吸收冲击，衰减振动，结构简单，无需润滑。应用：轴间夹角不大或只有微量轴移传动场合,挠性万向节,挠性万向节,挠性万向节,靠弹性元件（橡胶盘、橡胶金属套筒、铰接块、六角环形橡胶圈的弹性变形保证相交两轴间传动时不干涉,挠性万向节,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的夹角时，主动轴的角速度1与从动轴的角速度2具有下列关系：1:主动轴的角速度2:从动轴的角速度：主动轴与从动轴的夹角1:主动叉所在的平面与主、从动轴所在平面的夹角,万向传动的运动及受力分析,是周期为2的周期函数，也为同周期的周期函数。当10,时，2达最大值；当1/2,3/2时，2达最小值：当主动轴以等角速度转动时，从动轴的转动时快时慢，即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用速度不均匀系数k表示：,万向传动的运动及受力分析,不计摩擦损失，主动轴转矩T1与相应的角速度1与从动轴转矩T2与相应的角速度2具有下列关系式：,当10,时，2达最大值，从动轴的转矩；当1/2,3/2时，2为最小值，从动轴的转矩：,万向传动的运动及受力分析,图4-9十字轴万向节的力偶矩,10,1,1/2,13/2,主动叉对十字轴的作用力偶矩：主动轴的驱动转矩T1及弯曲力偶矩T1；从动叉对十字轴的作用力偶矩：从动轴的从动反转矩T2及弯曲力偶矩T2,万向节叉与十字轴之间的约束关系分析,图4-9十字轴万向节的力偶矩,10,1,1/2,13/2,当主动叉处于0,位置时：T1作用在十字轴平面内，T10；T2的作用平面与十字轴不共平面，T20，从动叉的附加力矩,当主动叉处/2,3/2位置时T2作用在十字轴平面内，T20；T1的作用平面与十字轴不共平面，T10，主动叉的附加力矩,万向节叉与十字轴之间的约束关系分析,第三节万向传动的运动和受力分析,附加转矩的大小在上述两值之间变化，一周变化两次，变化周期为。引起与万向节相连着部件的弯曲振动，在万向节主、从动轴支承上引起周期性径向载荷。,为使处于同一平面的输出轴与输入轴等速旋转，可采用双万向节传动，但必须满足如下条件：,十字轴双万向节传动的等速条件,A、两轴间夹角相等B、两主动叉在同一平面,附加弯矩对传动轴的影响,4-10a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，传动轴发生的弹性变形如图4-10b；,输入轴与输出轴相交时，传动轴的两万向节叉所受的附加弯矩方向相同，不能互相平衡，对两端的十字轴产生大小相等、方向相反的径向力。传动轴发生的变形如图4-10d。,多十字轴万向节的传动,从动轴叉相对主动叉的转角：多万向节的当量夹角：主动叉的初相位角1：主动轴的转角上式表明：多万向节传动输出与输入轴的运动关系，如同具有夹角而主动叉具有初相位的单万向节传动。若多万向节传动的各轴轴线均在同一平面，且各传动轴两端万向节叉平面之间的夹角为0或/2,当量夹角为：,正、负号规定：当第一万向节的主动叉处于各轴轴线所在的平面内，在其余的万向节中，如主动叉平面与此平面重合定义为正，垂直为负。使多万向节传动的输出轴与输入轴等速旋转的条件：，空载和满载两种工况下的对于轿车，角加速度幅值对于货车，角加速度幅值,多十字轴万向节的传动,按发动机最大转矩和一档传动比来确定用于变速器和驱动桥之间Kd：猛接离合器动载系数fj：性能系数Temax：发动机最大转矩,万向节设计计算载荷的确定,if：分度器的传动比（见表4-2）n：计算驱动桥数（见表4-2）i1：变速器一档传动比k：液力变矩器的变矩系数k0：最大变矩系数：发动机至万向节之间的传动效率,万向节设计计算载荷的确定,用于转向驱动桥i0：主减速器的传动比,万向节设计计算载荷的确定,按驱动轮打滑来确定用于变速器和驱动桥之间：G2：为满载状态下一个驱动桥上的静载荷(N)；m2：为汽车最大加速度时的后轴负荷转移系数：为轮胎与路面间的附着系数rr：为车轮滚动半径(m)；i0:。为主减速器传动化；im：为主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比；m：为主减速器主动齿轮到车轮之间的传动效率；,万向节设计计算载荷的确定,用于转向驱动桥G1：为满载状态下转向驱动桥上的静载荷(N)；m1：为汽车最大加速度时的前轴负荷转移系数，轿车：m1=080085，货车：m1=075090；rr：为车轮滚动半径(m)；im：为主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比；m：为主减速器主动齿轮到车轮之间的传动效率,万向节设计计算载荷的确定,按日常平均使用转矩用于变速器和驱动桥之间：Ft：日常平均牵引力用于转向驱动桥：,万向节设计计算载荷的确定,当对万向传动轴进行静强度计算时：或当对万向传动轴进行疲劳寿命计算时：或,万向节设计计算载荷的确定,十字轴的受力图F：滚针对十字轴的受力r：合力至十字轴中心的距离：万向传动轴的最大夹角,十字轴万向节设计,十字轴轴颈根部的弯曲应力：d1；十字轴轴颈直径d2：十字轴的油道口直径s：合力F作用线到轴颈根部的距离,十字轴万向节设计,切应力：滚针轴承的接触应力：Lb：滚针工作长度Fn：受力F下，一个滚针所受的最大载荷i：滚针排数z：每列的滚针数,十字轴万向节设计,与两轴的轴间夹角、十字轴支承结构和材料、加工和装配精度及润滑条件有关。f:轴颈与万向节叉的摩擦因数滑动轴承f0.15-0.20,滚针轴承f0.05-0.10,十字轴万向节传动效率,钢球与接触滚道表面的疲劳点蚀d：传力钢球的直径钢球与星形套滚道表面的接触应力应限制：万向节的计算转矩,球笼式万向节设计,钢球中心分布圆半径R=171d星形套宽度B=18d球笼宽度B1=18d星形套滚道底径Dl=25d万向节外径D=49d球笼厚度b=0185d球笼槽宽度b1=d球笼槽长度L=(133180)d滚道中心偏移距h=018d轴颈直径d14d星形套花键外径D2155d,球形壳外滚道长度L1=24d中心偏移角6,球笼式万向节设计,组成：传动轴、花键轴、万向节叉临界转速Lc：传动轴的长度Dc：传动轴轴管的外径dc：传动轴轴管的内径安全系数：,第五节传动轴结构分析与设计,传动轴轴管断面尺寸处满足临界速度的要求外，还要有足够的扭转强度对传动轴上的花键轴，以底径计算扭转切应力,第五节传动轴结构分析与设计,当传动轴滑动花键采用矩形花键时，齿侧挤压应力为：,：花键转矩分布不均匀系数1.3-1.4：花键外径：花键内径：花键的有效工作长度：花键齿数,第五节传动轴结构分析与设计,长轴距汽车为提高传动轴的临界转速、避免共振，