汽车构造与设计- 万向传动装置

1、Loading 第十章 万向传动装置车辆结构与设计本章内容本章内容23 13 34在轴线相交且相对位置经常变化的两转轴间传递动力。在轴线相交且相对位置经常变化的两转轴间传递动力。和和。当。当传动轴比较长时，还要加传动轴比较长时，还要加。1. 变速器变速器与驱动桥之间与驱动桥之间2. 变速器变速器与分动器之间、分动器与驱动桥之间与分动器之间、分动器与驱动桥之间3. 驱动桥与驱动轮之间驱动桥与驱动轮之间4. 转向转向机构中的转向轴与转向器之间机构中的转向轴与转向器之间实现实现转轴之间转轴之间。刚性万向节刚性万向节不等速万向节不等速万向节等速万向节等速万向节准等速万向节准等速万向节挠性挠性万向节万向

2、节十字轴式十字轴式双联双联式式、三三销轴销轴式式球叉式、球笼式球叉式、球笼式万向节万向节1. 不等速万向节不等速万向节1. 不等速万向节不等速万向节1-套筒套筒2-十字轴十字轴3-万向节叉万向节叉4-卡环卡环5-滚针轴承滚针轴承6-万向节叉万向节叉主动叉在垂直位置主动叉在垂直位置，十字，十字轴平面轴平面与主动轴垂直与主动轴垂直时：时： 2 1 主动叉在水平位置主动叉在水平位置，十字，十字轴平面轴平面与从动轴垂直：与从动轴垂直： 2 1VB=1rcos=2r 2=1cos 21 单单 十字十字轴式刚性轴式刚性万向节两万向节两轴夹角轴夹角越大，越大，转角差（转角差（1-2）越大，万向节的不等速特性

3、）越大，万向节的不等速特性越严重越严重。 (一般一般为为l5l52020) ) 万向节万向节传动的不等速特性将使从动传动的不等速特性将使从动轴及与其相连的传动部件产生轴及与其相连的传动部件产生扭转振动扭转振动，从而产生附加的从而产生附加的交变载荷交变载荷，影响传动部，影响传动部件的寿命件的寿命。摩擦损失大，效率低摩擦损失大，效率低。 十字十字轴式刚性万向节轴式刚性万向节结构简单、工结构简单、工作可靠作可靠、且允许所连接的两轴之间有、且允许所连接的两轴之间有较较大交角大交角，在汽车上应用最为普遍。，在汽车上应用最为普遍。优点优点缺点缺点2. 准等速万向节准等速万向节根据根据双十字万向节双十字万向

4、节实现等速传动的原理而设计的实现等速传动的原理而设计的万向节。万向节。允许所联两轴夹角较大允许所联两轴夹角较大( (可达可达5050) )，轴承密封性好，效率，轴承密封性好，效率高，工作可靠，制造方便。高，工作可靠，制造方便。结构结构较复杂，外形尺寸较大，零件数目较多。较复杂，外形尺寸较大，零件数目较多。优点优点缺点缺点万向节与转向节同心度要求不严，万向节与转向节同心度要求不严，允许允许所联两轴夹角较大所联两轴夹角较大( (可可达达4545) )，可轴向伸缩，易密封。可轴向伸缩，易密封。外形尺寸较大，外形尺寸较大，形状复杂，两轴受形状复杂，两轴受附加弯矩和轴向力。附加弯矩和轴向力。优点优点缺点

5、缺点2. 等速万向节等速万向节从结构设计上保证万向节在工作时，传从结构设计上保证万向节在工作时，传力点始终位于力点始终位于两轴交角的平分面上。两轴交角的平分面上。钢球所受单位压力较大，磨损较快。钢球所受单位压力较大，磨损较快。优点优点缺点缺点结构简单，两轴最大夹角为结构简单，两轴最大夹角为3233。在传递转矩的过程中，主从动轴之间只能相对转动、不会在传递转矩的过程中，主从动轴之间只能相对转动、不会产生轴向位移。产生轴向位移。优点优点缺点缺点两轴两轴最大最大夹角达夹角达47。结构紧凑，承载能力强、拆装方便。结构紧凑，承载能力强、拆装方便。 在在传递转矩的过程中，传递转矩的过程中，主从动轴主从动轴

6、之间不仅相对之间不仅相对转动转动、还会还会产生轴向位移。产生轴向位移。VL节特点节特点VL节与节与RF节节的应用的应用 弹性弹性件的弹性变形量有限，故挠性万向节一般用于两轴间夹件的弹性变形量有限，故挠性万向节一般用于两轴间夹角角不大于不大于5 和和只有微量轴向位移的万向传动场合。只有微量轴向位移的万向传动场合。缺点缺点3. 挠性万向节挠性万向节 依靠依靠其中弹性其中弹性件的弹性变形来保件的弹性变形来保证在相交两轴间传证在相交两轴间传动时不发生机械干动时不发生机械干涉。涉。原理原理结构简单、无需润滑，可结构简单、无需润滑，可消除制造安装误差和车架变形对传消除制造安装误差和车架变形对传动的影响，动

7、的影响，吸收冲击载荷和衰减扭振。吸收冲击载荷和衰减扭振。优点优点 传动轴传动轴、花键轴、滑动叉、中间支承和万向节叉等、花键轴、滑动叉、中间支承和万向节叉等共同组成了传动轴。共同组成了传动轴。传动轴组成传动轴组成 由于汽车行驶由于汽车行驶时，变速器与驱动时，变速器与驱动桥的相对位置经常桥的相对位置经常变化，滑动叉和花变化，滑动叉和花鍵轴组成的鍵轴组成的滑动花滑动花鍵连接鍵连接，可实现传，可实现传动轴长度的变化动轴长度的变化。 为了为了减少摩擦减少摩擦和磨损，有些汽车和磨损，有些汽车在花键槽内设置了在花键槽内设置了滚动元件滚动元件。 传动轴在高速旋转传动轴在高速旋转时，会产生剧烈振动。时，会产生剧

8、烈振动。因此，传动轴与万向节因此，传动轴与万向节装配后要满足动平衡，装配后要满足动平衡，加加平衡片平衡片，并在滑动叉，并在滑动叉与传动轴上标与传动轴上标上上装配位装配位置标记置标记，以免拆装时误以免拆装时误装。装。 传动轴过传动轴过长长，自，自振振频率下降，易产生低频频率下降，易产生低频共振，常将中间轴分为共振，常将中间轴分为中间传动轴中间传动轴 + 主传动轴，主传动轴，并加并加中间支承中间支承。装在车架横梁或驱动装在车架横梁或驱动桥壳桥壳上上中间支承中间支承安装安装 中间支承在安装时中间支承在安装时，应保证轴，应保证轴向、横向应有向、横向应有一定移动量，一定移动量，以补偿传动轴轴向以补偿传动

9、轴轴向及角度方向的安装误差，以及车辆行驶过程及角度方向的安装误差，以及车辆行驶过程中发动机中发动机窜动或车架窜动或车架变形引起变形引起的位移。的位移。蜂窝蜂窝软垫式中间支承软垫式中间支承摆动式中间支承摆动式中间支承中间支承中间支承安装安装 装在驱动装在驱动桥桥壳壳上，相比车架上，相比车架上能使万向节主上能使万向节主动轴与从动轴的动轴与从动轴的夹角小一些。夹角小一些。基本要求基本要求u保证所连接的两根轴相对位置在预计范围内变动时，保证所连接的两根轴相对位置在预计范围内变动时，能能可靠地传递动力可靠地传递动力。 u保证所连接两轴保证所连接两轴尽可能等速运转尽可能等速运转。u由于万向节夹角而产生的由

10、于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声应在附加载荷、振动和噪声应在允许范围允许范围内。内。 u传动传动效率高效率高，使用，使用寿命长寿命长，结构简单结构简单，制造方便制造方便，维维修容易修容易等。等。 1 1、单十字轴万向节传动、单十字轴万向节传动运动受力分析运动受力分析 当十字轴万向节的主动轴与从动轴存在一定夹角当十字轴万向节的主动轴与从动轴存在一定夹角时，时， 主动轴的角速度主动轴的角速度 与从动轴的角速度之间存在如下的关系与从动轴的角速度之间存在如下的关系 十字轴万向节传动的不等速性可用转速不均匀系数十字轴万向节传动的不等速性可用转速不均匀系数k来表示来表示 12212cossin1c

11、ostansin1min2max2k1） 1=0，180时，则时，则2max= 1/cos；2） 1=90，270时，则时，则2min= 1 cos；转速分析转速分析如不计万向节的摩擦损失，主动轴转矩如不计万向节的摩擦损失，主动轴转矩T1和从动轴转矩和从动轴转矩T2与各自相应的与各自相应的角速度有关系式角速度有关系式2211TT这样这样有有 11222coscossin1TT显然，当显然，当12/最小时，从动轴上的转矩为最大最小时，从动轴上的转矩为最大cos/1max2TT当当12/最大时，从动轴上的转矩为最小最大时，从动轴上的转矩为最小cos1min2TTT1与与一定时，一定时，T2在其最大

12、在其最大值与最小值之间每一转变化两次。值与最小值之间每一转变化两次。 转矩分析转矩分析具有夹角具有夹角 的十字轴万向节，仅在主动轴驱动转矩和从动轴反转矩的作用的十字轴万向节，仅在主动轴驱动转矩和从动轴反转矩的作用下是不能平衡的。下是不能平衡的。附加弯曲力偶矩的分析附加弯曲力偶矩的分析 1） 1=0， 时，时，T2= T1sin，最大；，最大；2） 1=/2，3/2 时，时，T1= T1tg ，最小；，最小； 主主、从动轴受到周期作用的附加弯曲力偶矩、从动轴受到周期作用的附加弯曲力偶矩，在，在主从动轴支承上引起周主从动轴支承上引起周期性变化的期性变化的径向载荷，产生振动，使传动轴产生附加应力和变

13、形，从而降径向载荷，产生振动，使传动轴产生附加应力和变形，从而降低其疲劳强度。因此，应避免低其疲劳强度。因此，应避免过大过大。为为使输出轴使输出轴与输入轴等速旋转与输入轴等速旋转，必须，必须保证同传动轴相连的两万向节保证同传动轴相连的两万向节叉布置叉布置在同一平面内，且使两万向节夹角在同一平面内，且使两万向节夹角1与与2相等相等。 当当输入轴与输出轴平行时输入轴与输出轴平行时（图图a），直接连接传动轴的两），直接连接传动轴的两万向节叉所万向节叉所受的附加受的附加弯矩彼弯矩彼此平衡，使传动轴此平衡，使传动轴发生图发生图b中双点划线所示的弹性弯曲，从而引起传动轴的弯曲振动中双点划线所示的弹性弯曲，

14、从而引起传动轴的弯曲振动。 当当输入轴与输出轴相交输入轴与输出轴相交时时(图图c)，传动轴两端万向节叉上所受的附加弯矩方向相同，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，传动轴不能彼此平衡，传动轴发生图发生图d中双点划线所示的弹性弯曲。中双点划线所示的弹性弯曲。2 2、双十字轴万向节传动运动受力分析、双十字轴万向节传动运动受力分析 3 3、万向节设计计算、万向节设计计算万向传动轴的计算载荷万向传动轴的计算载荷十字轴万向节设计十字轴万向节设计cos21rTF设作用于十字轴轴颈中点的力为设作用于十字轴轴颈中点的力为F式中，式中，T1为万向传动轴的计算转矩，为万向传动轴的计算转矩，

15、T1 =minTse,Tss，r为合力为合力F作用线到作用线到十字轴中心之间的距离十字轴中心之间的距离。 十字十字轴轴颈根部的弯曲应力和轴轴颈根部的弯曲应力和切应力应满足切应力应满足：wwddsFd)(3242411 )(42221ddF式中，式中，d1为十字轴轴颈直径；为十字轴轴颈直径； d2为十字轴油道孔直径；为十字轴油道孔直径；s为合力为合力F作用线到作用线到轴径根部的距离轴径根部的距离。 弯曲应力弯曲应力许用值为许用值为250350MPa； 切应力许切应力许用值为用值为80120MPa。w 当滚针和十字轴轴颈表面硬度在当滚针和十字轴轴颈表面硬度在58 HRC以上时，以上时，j接触应力接

16、触应力许用许用值值为为30003200MPa。 保证滚针轴承有足够的接触强度保证滚针轴承有足够的接触强度 j01)11(272LFddnj式中，式中， L滚针工作长度滚针工作长度 d1油道孔直径油道孔直径 Fn一个滚针所承受的最大一个滚针所承受的最大载荷载荷ZiFFn6.4i滚针列数滚针列数Z每列中的滚针数每列中的滚针数4.4.传动轴传动轴结构分析与设计结构分析与设计传动轴总成主要传动轴总成主要由传动轴及其两端焊接的花键和万向节叉组成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

17、度的变化。度的变化。 传动轴在工作时，其传动轴在工作时，其长度和夹角是在一定范围变化的长度和夹角是在一定范围变化的。设计时应。设计时应保证在传动轴长度处在最大值时，花键套与轴有足够的配合长度；而保证在传动轴长度处在最大值时，花键套与轴有足够的配合长度；而在长度处在最小时不顶死。传动轴夹角的大小直接影响到万向节的寿在长度处在最小时不顶死。传动轴夹角的大小直接影响到万向节的寿命、万向传动的效率和十字轴旋转的不均匀性。命、万向传动的效率和十字轴旋转的不均匀性。在长度一定时，传动轴断面尺寸的选择应保证传动轴有足够的强度在长度一定时，传动轴断面尺寸的选择应保证传动轴有足够的强度和足够高的临界转速。和足够

18、高的临界转速。2228102 . 1ccckLdDn式中，式中，Lc为传动轴长度（为传动轴长度（mm），即两万向节中心之间的距离；），即两万向节中心之间的距离； dc和和Dc分别为传动轴轴管的内、外径（分别为传动轴轴管的内、外径（mm）。）。 所谓临界转速，所谓临界转速，就是当传动轴的工作转速接近于其弯曲固有振动频就是当传动轴的工作转速接近于其弯曲固有振动频率时，即出现共振现象，以致振幅急剧增加而引起传动轴折断时的转速。率时，即出现共振现象，以致振幅急剧增加而引起传动轴折断时的转速。传动轴的临界转速传动轴的临界转速nk （r/min）为）为 临界转速临界转速在设计传动轴时，取在设计传动轴时，取

19、安全系数安全系数K=nk/nmax=1.22.0，K=1.2用于精确动用于精确动平衡、高精度的伸缩花键及万向节间隙比较小时平衡、高精度的伸缩花键及万向节间隙比较小时；nmax为传动轴的最高为传动轴的最高转速（转速（r/min）。）。当传动轴长度超过当传动轴长度超过1.5m时，为了提高时，为了提高nk以及总布置上的考虑，常将以及总布置上的考虑，常将传动轴断开成两根或三根，万向节用三个或四个，而在中间传动轴上加传动轴断开成两根或三根，万向节用三个或四个，而在中间传动轴上加设中间支承。设中间支承。 cccccdDTD)(16441式中，式中，c为许用扭转切应力，为为许用扭转切应力，为300Mpa；其余符号同前。；其余符号同前。 传动轴轴管断面尺寸除满足临界转速的要求外，还应保证有足够的传动轴轴管断面尺寸除满足临界转速的要求外，还应保证有足够的扭转强度。扭转强度。轴管的扭转切应力应满足轴管的扭转切应力应满足 强度计算强度计算花键花键处扭转应力处扭转应力h31T16hhd式中，式中，T1为传动轴的计算转矩（为传动轴的计算转矩（Nmm），），dh花键根花键根径（径（mm）。）。 许用应力许用应力安全系数安全系数 n=23。花键处挤压应力花键处挤压应力yy0h124TnLDDDDKhhhhy式