第四章万向传动轴设计yj

1、第四章 万向传动轴设计(Design of Propeller Shafts and Universal Joints) 第一节第一节 概述概述( (Overview) ) 第二节第二节 万向节结构方案分析万向节结构方案分析(Structure (Structure analysis of the universal joints)analysis of the universal joints) 第三节第三节 万向传动的运动和受力分析万向传动的运动和受力分析( (Kinematic and force analysis of the universal joints) ) 第四第四节节 万向

2、节的设计计算万向节的设计计算(Design and (Design and calculations of the universal joint)calculations of the universal joint) 第五节第五节 传动轴结构分析与设计传动轴结构分析与设计(Design and (Design and Structure analysis of propeller shaft )Structure analysis of propeller shaft ) 第六节第六节 中间支承结构分析与设计中间支承结构分析与设计(Design and (Design and analys

3、is of the intermediate support analysis of the intermediate support structure)structure)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： 1.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。 2.保证所连接两轴尽可能等速运转。3.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。 4.传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。

4、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(The components of the propeller shaft)：万向节(Universal joints)、传动轴(Propeller shaft)。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。ClutchTransmissionUniversal jointDrive axleDifferentialPropeller shaftFinal driveAxle组成：万向节、传

5、动轴、 中间支承Components : Universal joints, Propeller shaft, Intermediate support中间传动轴主传动轴中间支承Intermediate propeller shaftMain propeller shaftIntermediate support万向节万向节万向节（万向节（Universal jointUniversal joint）第一个有关万向节的报告：第一个有关万向节的报告：15501550年，意大利数学家、医生和年，意大利数学家、医生和哲学家哲学家Geronimo CardanoGeronimo Cardano在著作中

6、提到国王查理五世的座椅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一种装置有万向接头的座椅”，15571557年他描述了关节的结年他描述了关节的结构。构。万向节传动的机构原理与结构万向节传动的机构原理与结构万向节的分类：万向节的分类：刚性万向节、挠性万向节刚性万向节、挠性万向节刚性万向节刚性万向节(Rigid universal joint)：动力是靠零件的铰链式联接传递的。：动力是靠零件的铰链式联接传递的。不等速万向节不等速万向节(inconstant velocity universal joint)（如十字轴式）（如十字轴式）准等速万向节准等速万向节(Quasi-consta

7、nt velocity universal joint)（如双联式、凸块式、三销轴（如双联式、凸块式、三销轴式等）式等）等速万向节等速万向节(constant velocity universal joint) （如球叉式、球笼式等）（如球叉式、球笼式等）(CVJ)挠性万向节挠性万向节(Flexible universal joint): 靠弹性零件传递动力，具有缓冲减振作用靠弹性零件传递动力，具有缓冲减振作用。一、十字轴式万向节一、十字轴式万向节( (Hookes universal joint) )结构：结构：万向节叉(Yoke)十字轴(Spider)滚针、套筒、油封、轴承盖(Needle

8、 roller, sleeve, oil seal, Bearing cap)注油嘴(Injection nozzle)、安全阀(溢流阀(Relief valve)第二节第二节 万向节结构方案分析万向节结构方案分析十字轴的润滑与密封十字轴的润滑与密封( (lubrication and sealing of the spider) )橡胶油封(Rubber seal)毛毡或刃口油封(Felt or edge seal)(图4-2)滚针轴承的轴向定位方式滚针轴承的轴向定位方式( (The axial locating of the needle roller bearings) )a)普通盖板式

9、 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十字轴万向节传动的不等速性( (The velocity variation of the Hookes universal joint) )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，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

10、低。传动效率高，生产成本低。 所连接的两轴夹角不宜过大，当夹角由所连接的两轴夹角不宜过大，当夹角由4增至增至16时，十字轴万向节滚针轴承寿命约下时，十字轴万向节滚针轴承寿命约下降至原来的降至原来的1/4。双十字轴万向节的等速传动条件（双十字轴万向节的等速传动条件（ 1 1= = 2 2）Constant velocity requirements of double Hookes universal joint问题：问题：汽车变速箱输出轴与驱动桥主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减速器输入轴的轴线相对位置是否平行？行？(Is the gearbox output sh

11、aft parallel to the final drive input shaft?)双十字轴万向节的双十字轴万向节的准等速准等速万向传动万向传动( (Quasi-constant velocity universal drive of the double Hookes universal joint) )双联式准等速万向节双联式准等速万向节( (Dual-quasi-constant velocity universal joint) )组 成 ： 主 从 动 轴 、 双 联 叉(Drive shaft , driven shaft, double fork)原理：二个十字轴万向节串联

12、(Two Hookes universal joints in series)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。缺点缺点是结构较复杂，外形尺寸较大，零件数目较多。 (The tracta universal joint) 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。 (Tripod Universal Joint) 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

13、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。 Triangular shaftDriven eccentric shaft forkActive eccentric shaft fork Spherical roller type universal joint 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、等速万向节三、等速万向节 (Constant velocity universal joint)球叉式万向节球叉式万向节 ( (Weiss universal joint) )球叉式万向节按

14、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3233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. 球笼式万向节球笼式万向节 (CV joint)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3537;Birfield型允许两轴最大夹角达42;伸缩型外滚道

15、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4-8a Rzeppa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4-8b Birfield型 Birfield 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，转向驱动桥中，靠近转向轮一侧用靠近转向轮一侧用BirfieldBirfield型万向节，靠近差速器一侧用伸型万向节，靠近差速器一侧用伸缩型球笼式万向节缩型球笼式万向节。 伸缩型万向节还被广泛地应

16、用到断开式驱动桥中。伸缩型万向节还被广泛地应用到断开式驱动桥中。四、四、Flexible universal joint 挠性万向节依靠其中挠性万向节依靠其中弹性元件弹性元件的弹性变形来保证在相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。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

17、大(一般为35)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。第三第三 节节 万向传动的运动和受力分析万向传动的运动和受力分析(Kinematic and force analysis of the universal joint)12212cossin1costansin1min2max2k11222coscossin1TT一、单十字轴万向节传动一、单十字轴万向节传动( (Driving of Hookes universal joi

18、nt) )转速不均匀系数转速不均匀系数 (Uniformity coefficient of rotation speed )k:转速关系转速关系( (Speed relationship) ):转矩关系转矩关系( (Torque relationship) ):(周期为)(周期为)附加弯曲力偶矩的分析附加弯曲力偶矩的分析(Analysis of the additional bending moment of couple) 1 =0,时, 主动叉1作用于十字轴3的A铰力偶正交分量:T10,T Tl l =T=T1 1 =0;=0; 从动叉2作用于十字轴3的B铰力偶正交分量: T20,T T

19、2 2 =0,=0,T T2 2 =T=Tl lsin ;1 =/2,3/2时,主动叉1作用于十字轴3的力偶正交分量:T10,T Tl l =T=Tl ltan,T T1 1 =0;=0; 从动叉2作用于十字轴3的B铰力偶正交分量:T20, T T2 2 =T=T2 2 =0=0 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，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，应为了控制附加弯矩，应避免两轴之间的夹角过大避免两轴

20、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。T1T1B铰力偶分量T20, T2 =0T2T2T11 =0,1 =/2,3/2A铰力偶分量T1=T1=0AABABB123123B铰力偶分量T2=T2=0A铰力偶分量T10, T1=0二、双十字轴万向节传动(Driving of double Hookes universal joint) 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

21、作用 T2 T1 T2T1T2 T1 AABBBA当输入轴与输出当输入轴与输出轴相交时，轴相交时，传动轴两传动轴两端万向节叉上所受的端万向节叉上所受的附加弯矩方向相同，附加弯矩方向相同，不能彼此平衡，传动不能彼此平衡，传动轴发生如图中双点划轴发生如图中双点划线所示的弹性弯曲，线所示的弹性弯曲，因此因此对两端的十字轴对两端的十字轴产生大小相等、方向产生大小相等、方向相反的相反的径向力径向力。 T2 T1 图4-11 附加弯矩对传动轴的作用T2T1AAABBB思考题：等速万向节传动时，是否会产生附加弯曲力偶？为什么？第四节第四节 万向节的设计计算万向节的设计计算(Design and calcul

22、ations of universal joint )Loading calculation of the propeller shaft) 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 between the gearbox and the drive axle)(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). (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(

23、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2.53.0Loading calculation of the propeller shaft Design of Hookes joints损坏形式损坏形式(Damage modes):轴颈和滚针轴承的磨损，轴颈和滚针轴承的磨损，表面压痕和剥落表面压痕和剥落. 一般一般,磨损或压痕超过磨损或压痕超过0.15mm ,报废报废;失效形式失效形式(Failure modes ):轴颈断裂轴颈断裂.滚针对轴颈作用力滚针对轴颈作用力

24、F:cos2rTFS式中，式中，TS :万向传动轴的计算转矩，万向传动轴的计算转矩， TS = minTse，Tss； r : F 至十字轴中心的距离；至十字轴中心的距离； :主主从动叉轴的最大夹角。从动叉轴的最大夹角。轴颈根部的弯曲应力轴颈根部的弯曲应力 w和切应力和切应力 应满足应满足 )(42221ddFWwddFsd)(324241121221cossin1cosTT11222coscossin1TT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0.0090.095mm，周向总间隙0.080.30mm;滚针长度轴颈长度;滚针轴向游隙1.5m时，常将

25、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确定传动轴断面尺寸 (Determine the propeller shaft section sizes):(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=1.22.0.14416()cccccD TDdT T1 1 为传动轴计算转矩(Nmm)。=300Mpa(6)传动轴花键的齿侧挤压应力应满足 1316hhTd)2)(4(01yhhhhhynLdDdDKT(5)传动轴花键部分，常以底径计算其扭转切应力h:35HRC，y= 2550MPa；非滑动花键齿侧y=50100MPa。(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：30006000rmin，2535gcm；货车：10004000rmin，50100gcm；传动轴总成径向全跳动： 0.50.8mm。第六节 中间支承结构分析与设计(Design and analysis of the intermediate support