万向传动轴设计

第四章万向传动轴设计第四章万向传动轴设计

第一节概述

第二节万向节结构方案分析

第三节万向传动的运动和受力分析

第四节传动轴结构分析与设计

第一节概述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。万向传动轴设计根本要求：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。当后驱动桥为独立的弹性，采用万向传动轴。第二节万向节结构方案分析万向节分为刚性万向节和挠性万向节。刚性万向节:不等速万向节〔如十字轴式〕、准等速万向节〔如双联式、凸块式、三销轴式等〕、等速万向节〔如球叉式、球笼式等〕。不等速万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。等速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。挠性万向节是靠弹性零件传递动力的，具有缓冲减振作用。万向节动画演示一、十字轴万向节典型的十字轴万向节主要由主动叉、从动叉、十字轴、滚针轴承及其轴向定位件和橡胶密封件等组成。十字轴万向节结构简单，强度高，耐久性好，传动效率高，生产本钱低。但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。二、准等速万向节双联式万向节是由两个十字轴万向节组合而成。为了保证两万向节连接的轴工作转速趋于相等，可设有分度机构。偏心十字轴双联式万向节取消了分度机构，也可确保输出轴与输入轴接近等速。双联式万向节的主要优点是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。缺点是结构较复杂，外形尺寸较大，零件数目较多。三、等速万向节1．球叉式万向节按其钢球滚道形状不同分:圆弧槽

直槽两种形式。圆弧槽滚道型的球叉式万向节由两个万向节叉、四个传力钢球和一个定心钢球组成。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O1和O2到万向节中心O的距离相等。当万向节两轴绕定心钢球中心O转动任何角度时，传力钢球中心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。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。图4-1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，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。这种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。2．球笼式万向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2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，靠比例适宜的分度杆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。经验说明，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的夹角到达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Birfield型球笼式万向节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。这样，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。当轴间夹角为0°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选为钢球半径的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。这种万向节允许的工作角可达42°。由于传递转矩时六个钢球均同时参加工作，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，本钱较高。图4-3Birfield型球笼式万向节伸缩型球笼式万向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。这不仅结构简单，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°。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，靠近差速器一侧那么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。图4-4伸缩型球笼式万向节第三节万向传动的运动和受力分析一、单十字轴万向节传动

主动轴转角φ1定义为万向节主动叉所在平面与万向节轴1和轴2所在平面的夹角。

转角关系对时间求导

当十字轴万向节的主动轴与从动轴存在一定夹角α时，主动轴的角速度ω1与从动轴的角速度ω2之间存在如下的关系

由于cosφ1是周期为2π的周期函数，ω2/ω1也为2π的周期函数。当φ1为0和π时，ω2达最大值ω2max=ω1/cosα。当φ1为π/2和3π/2时，ω2达最小值ω2min=ω1cosα。当主动轴以等角速度转动时，从动轴时快时慢，十字轴万向节传动的不等速性可用转速不均匀系数k来表示如不计万向节的摩擦损失，主动轴转矩T1和从动轴转矩T2与各自相应的角速度有关系式T1ω1=T2ω2

当ω2/ω1最小时，从动轴上的转矩最大T2max=T1/cosα当ω2/ω1最大时，从动轴上的转矩最小T2min=T1cosα

当T1与α一定时，T2在其最大值与最小值之间每一转变化两次。附加弯曲力偶矩的分析具有夹角α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。因两转矩作用在不同平面内。主动叉对十字轴的作用力偶矩，除主动轴驱动转矩T1之外，还有作用在主动叉平面的弯曲力偶矩T1′。从动叉对十字轴也作用有从动轴反转矩T2和作用在从动叉平面的弯曲力偶矩T2′。在这四个力矩作用下，使十字轴万向节得以平衡。T1+T1′+

T2+T2′=0当φ1

为0和π时位置时，T1′=0，T2′≠0；

T2′=T1sinα当φ1

为π/2和3π/2时，T2′=0，T1′≠0；

T1′=T1tanα图4-5十字轴万向节的力偶矩附加弯矩的大小是在零与上述两最大值之间变化，其变化周期为π，即每一转变化两次。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，应防止两轴之间的夹角过大。二、双十字轴万向节传动

当输入轴与输出轴之间存在夹角α时，单个十字轴万向节的输出轴相对于输入轴是不等速旋转的。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，同传动轴相连的两万向节叉应布置在同一平面内，使两万向节夹角α1与α2相等。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，使传动轴发生如图4-6b中双点划线所示的弹性弯曲，从而引起传动轴的弯曲振动。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4-6d中双点划线所示的弹性弯曲。

图4-6附加弯矩对传动轴的作用三、多十字轴万向节传动多万向节传动的从动叉相对主动叉的转角差△φ的计算公式与单万向节相似，可写成式中，αe—多万向节传动的当量夹角；θ—主动叉的初相位角；φ1—主动轴转角。多万向节传动输出轴与输人轴的运动关系，如同具有夹角αe而主动叉具有初相位θ的单万向节传动。

假设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π／2，那么当量夹角αe为α1、α2、α3—为各万向节的夹角。正负号确定当第一万向节的主动叉处在各轴轴线所在的平面内，在其余的万向节中，如果其主动叉平面与此平面重合定义为正，与此平面垂直定义为负。多万向节传动的输出轴与输人轴等速条件：

αe=0万向节传动输出轴与输人轴的转角差会引起动力总成支承和悬架弹性元件的振动，还能引起与输出轴相连齿轮的冲击和噪声及驾驶室内的谐振噪声。在设计多万向节传动时，总是希望其当量夹角αe尽可能小，一般设计时应使空载和满载两种工况下的αe不大于3º。另外，对多万向节传动输出轴的角加速度幅值αe2ω12加以限制。对于轿车，αe2ω12≤350rad/s2对于货车，αe2ω12≤600rad/s2第四节万向节设计

一、万向传动的计算载荷万向传动轴因布置位置不同，计算载荷是不同的。计算载荷的计算方法主要有三种。Temax—发动机最大转矩；n—计算驱动桥数；i1—变速器一挡传动比；η—发动机到万向传动轴之间的传动效率；k—液力变矩器变矩系数，k＝[〔k0-1〕／2]+1,k0为最大变矩系数；G。—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，轿车：m2’＝1.2～1.4货车：m2’＝1.1～1.2φ—轮胎与路面间的附着系数，对于安装一般轮胎的公路用汽车，在良好的混凝土或沥青路面上，取φ=0．85，对于安装防侧滑轮胎的轿车，取φ=1．25，对于越野车，φ值变化较大，一般取1。rr—车轮滚动半径〔m〕；i0—为主减速器传动比；im—主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比；ηm—主减速器主动齿轮到车轮之间的传动效率；Gl—满载状态下转向驱动桥上的静载荷〔N〕；m1’—汽车最大加速度时的前轴负荷转移系数，轿车：m1’=0．80～0．85，货车：m1’=0．75～0．90；Ft—日常汽车行驶平均牵引力〔N〕；if—分动器传动比，取法见表。kd—猛接离合器所产生的动载系数，对于液力自动变速器，k。=1，对于具有手动操纵的机械变速器的高性能赛车，k。=3，对于性能系数fj=0的汽车〔一般货车、矿用汽车和越野车〕k。=1，对于fj＞0的汽车，k。=2或由经验选定。性能系数计算静强度计算时计算载荷Ts＝min［Tse1；，Tss1］；或Ts＝min［Tse2；，Tss2］。平安系数一般取：n=2．5～3．0。疲劳寿命计算时计算载荷Ts取TsF1或TsF1二、十字轴万向节设计十字轴万向节的损坏形式主要有十字轴轴颈和滚针轴承的磨损，十字轴轴颈和滚针轴承碗工作外表出现压痕和剥落。一般情况下，当磨损或压痕超过0．15mm时，十字轴万向节便应报废。十字轴的主要失效形式是轴颈根部处的断裂，所以在设计十字轴万向节时，应保证十字轴轴颈有足够的抗弯强度。对十字轴轴颈作用力的合力F十字轴轴颈根部的弯曲应力[σw]=250─350MPa[τ]=80─120MPa滚针轴承中的滚针直径一般不小于d=1．6mm，以免压碎.差异要小，否那么会加重载荷在滚针间分配的不均匀性，一般控制在△d=0．003mm以内。滚针轴承径向间隙为0．009～0．095mm。过大时承受载荷的滚针数减少，有出现滚针卡住的可能性；而间隙过小时，有可能出现受热卡住或因脏物阻滞卡住。滚针轴承的周向总间隙为0．08～0．30mm。滚针在轴向的游隙一般不应超过0．2～0．4mm。滚针轴承的接触应力为d0—滚针直径〔mm〕；Lb—滚针工作长度〔mm〕；Fn—一个滚针所受的最大载荷〔N〕。i—滚针列数；Z—每列中的滚针数。[σj]=3000─3200MPa十字轴万向节传动效率约为97%～99%。十字轴常用材料为20CrMnTi、20Cr、20MnVB等低碳含金钢。轴颈外表进行渗碳淬火处理，渗碳层深度为0．8～1．2mm，外表硬度为58～64HRC，轴颈端面硬度不低于55HRC，芯部硬度为33～48HRC。万向节叉一般采用40或45中碳钢，调质处理，硬度为18～33HRC，滚针轴承碗材料一般采用GCr15。第四节传动轴结构分析与设计传动轴总成