汽车设计（第6版）课件：万向传动设计

汽车设计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

万向节的设计计算第五节

传动轴和中间支承结构分析与设计万向传动设计第

一

节概述一、功用串相对位置不断改变的两轴间动力与运动传递二、组成串万向节串传动轴管串伸缩花键

滚针轴承

轴承壳串中间支承

(长轴距)万向节叉

套管

花键轴

轴管万向传动设计第

一

节概述三、基本设计要求毕1)保证所连接的两轴的夹角及相对位置在

一

定范围内变化时，能可靠而稳定地传递动力。12)保证所连接的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

在允许的范围内，在使用车速范围内不应产生

共振现象。毕3)

传动效率高，使用寿命长，结构简

单

，制

造方

便

，维

修容易等。第

一节概述四、万向节的应用星(a)变速器与驱动桥之间出(b)多

轴汽车分动器与驱动桥

间或驱动桥与驱动桥之间(c)

发动机与变速器之间

(由于车架的变形造成轴线间相互位置变化的两传动部件)4(d)

采用独立悬架的汽车差速器之间4(e)转

向驱动车桥的差速器与

车轮之间里(f)汽

车的动力输出装置和转向操纵机构中(b)(c)(d)1o)(e)3

41大(a)0万向传动设计(f)20第二节万向节结构方案分析

一、万向节分类万向节二刚性万向节准等速万向节

等速万向节三枢

轴

式

球笼式

球叉式三

销

轴

式凸块式双联式中心固定型伸缩型型

中心固定型直槽滚道圆弧槽滚道万向传动设计不等速万向节伸缩型型十字轴式挠性万向节万向传动设计第二节万向节结构方案分析二、十字轴式万

向节串由万向节叉、十字轴、油封、滚针轴承及其轴向定位

件和密封件等组成。串两万向节叉上的孔分别活套在十字轴的两对轴颈上。出当主动轴转动时，从动轴既可随之转动，又可绕十字

轴中心在任意方向摆动第二节万向节结构方案分析二、十字轴式万

向节

串滚针轴承的润滑和密封串毛毡油封：因防漏油、防水、防尘效果差，已淘汰串双刃口复合油封：防漏油、防水、防尘效果好。在灰尘较多的环境中万向节寿命显著提高。串

多刃口油封：防漏油、防水、防尘效果更好。a)

b)万向传动设计第二节万向节结构方案分析二、十字轴式万向节

串滚针轴承的润滑和密封串滚针直径差值应控制在0.003mm

以

内串滚针轴承径向间隙0.009~0.095

mm串滚针周向总间隙取0.08~0.30mm

为宜串重型汽车有时采用较粗的滚针并分成两段以提高其

寿命，也有以滚柱代替滚针的结构。出为防止十字轴轴向窜动及避免摩擦发热，有的在十

字轴轴端和轴承碗之间加装端面滚针轴承。万向传动设计万向传动设计第二节万向节结构方案分析二、十字轴式万

向节串滚针轴承的轴向定位方式串内卡式、外卡式、翼型式b)

c)第二节万向节结构方案分析二、十字轴式万

向节●结构简单，工

作

可

靠

，传动效率高，生产成本低；且

允许相邻两传动轴之间有

一

定交角，故应用普逼。●但当所连接的两轴夹角由4°增至16°,万向节中

滚

针轴承的寿命下降为原来的1/4。万向节安装位置或相连接总成α不大于离合器-变速器；变速器-分动器(相连接总成均安装在车架上)1°~3°驱动桥传动轴汽车满载静止夹角一般汽车6°越野汽车12°行驶中的极限夹角一般汽车15°~20°越野汽车30°万向传动设计第二节万向节结构方案分析三、双联式万向节串将传动轴长度减缩至最小的双十字轴式万向节传动装置出不带定心机构3238a)万向传动设计b)第二节万向节结构方案分析三、双联式万向节串带定心机构：为了保证双联式万向节连接的轴工作转速趋于相等，用分度机构实现定心，以

确保所连接的两轴接近等速转动234587万向传动设计6第二节万向节结构方案分析三、双联式万向节串现在的双联式万向节多采用偏心式结构，即使万向节中心与转向中心偏离一定距离(一般偏

离1.0～3.5mm),从而使输入轴与输出轴的

角速度接近相等万向传动设计第二节万向节结构方案分析三、双联式万向节串

两轴夹角大(一般50°,偏心式可达60

°)串密封性好，传动效率高，工作可靠，制造方便串

尺寸大，零件多，结构较复杂，传递转矩有限毕当应用于转向驱动桥中，由于轴向尺寸大，为

使主销轴线的延长线与地面交点到轮胎的印迹

中心偏离不大，需要较大的主销内倾角万向传动设计万向传动设计第二节万向节结构方案分析四、等速万向节

出1

.球笼式万向节串

(1)固定型球笼式万向节串星形套7以内花键与主动轴1相连，其外表面设置有6条凹槽(形成内滚道)。球形壳8的内表面设置有对

应的6条凹槽(形成外滚道)。6个钢球分别嵌装在6

条滚道中，并由保持架4使之保持在同一平面内。动

力由主动轴1经过钢球6、球形壳8输出。第二节万向节结构方案分析四、等速万向节出1

.球笼式万向

节串

(1)固定型球笼式万向节出RF型滚道为圆形，钢球与滚道为两点接触出BJ型滚道为椭圆形，钢球与滚道为四点接触a)

b)万向传动设计第二节万向节结构方案分析四、等速万向节

出1

.球笼式万向节串

(1)固定型球笼式万向节串两轴交角范围较大，通常在45°~50°范围之内串在工作时，无

论传动方向如何，6个钢球全部参与传递动力串具有承载能力强、结构紧凑、拆装方便等优点，应

用较为广泛万向传动设计万向传动设计第二节万向节结构方案分析四、等速万向节

出1.球笼

式万向节串(

2

)

伸缩型球笼式万向节串内外滚道采用圆筒形直槽，在传动动力过程中，星

形套2和筒形壳4可沿轴向相对移动23第二节万向节结构方案分析四、等速万向节

出1

.球笼式万向

节串(

2

)

伸缩型球笼式万向节串两轴交角范围约为20°~25°,相较十字轴式万向

节相邻两轴的交角范围有所增大，但要小于固定型

球笼式万向节串多用于前置前驱且采用独立悬架的乘用车转向驱动

桥靠近主减速器侧万向传动设计第二节万向节结构方案分析四、等速万向节

出2.三枢轴式万向节串主要由筒形壳、球面滚轮、滚针、三枢轴、弹性挡

圈、卡簧等元件组成2、4BC;o可oML万向传动设计.0.万向传动设计第二节万向节结构方案分析四、等速万向节

出2.三枢轴式万向节串三枢轴式万向节能允许最大轴间交角为43°串具有体积小、质量轻、润滑好、散热快、承载大、

结构简单、工作可靠、布置紧凑、运转平稳、工艺

性突出等特点出广泛应用在汽车驱动桥中，特别是采用轻量化设计

和布置较为困难的中小排量乘用车中第二节万向节结构方案分析五

、挠性万向节串依靠橡胶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万向传动设计b)a

)第二节万向节结构方案分析五、挠性万向节里挠性万向节能减小传动系扭转振动、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°)和有很小轴向位移的万向传动场

合橡胶应具有的力学特性：抗拉强度不小于15MPa;

相对伸长率不小于350%

;

肖氏硬度为65～75HS;最大挤压应力为7.5～8.0MPa;

切变模量G=0.85MPa;工作温度为-45～80℃345万向传动设计161螺丝2橡胶3中心钢球4黄油嘴5传动凸缘6球座第三节万向传动的运动和受力分析一、十字轴万向节传动

坐1.单十字轴式万向节传动万向传动设计转速不均匀系数万向传动设计第三节万向传动的运动和受力分析一、十字轴万向节传动

坐1.单十字轴式万向节传动串如不计万向节的摩擦损失出T₁W1=T₂W2串故出当w₂/W1

最小时从动轴转矩最大，T2max=T₁/cosa串当w₂/w1

最大时从动轴转矩最

小

，T2min=T₁

cosa

出当T₁与α一定时

，T₂

在其最大值与最小值之间串每一转变化两次万向传动设计第三节万向传动的运动和受力分析一、十字轴万向节传动

出1.单十字轴式万向节传动

串

十字

轴万向

节的力矩平衡Lzcosaa)

b)瑞ia万TaT₂TiaT₂faT4方Ti出当主动叉处于φ1=0和π位置时

，因

T₂的作用平面与十字轴不共面，必有T'2存在，且T'2垂直于T₂,合

矢

量T′2+T₂指向十字轴平面法线方向，与T₁大小相等，

方向相反。从动叉附加弯矩T′2=T₁sinα出当主动叉处于φ1=π/2和3π/2位置时，同理可知主

动叉附加弯矩T'1=T₁tana一、十字轴万向节传动出1.单十字轴式万向节传动

串

十字轴万向节的力矩平衡第三节万向传动的运动和受力分析万向传动设计zcsea)

b)么a端(TFaT₂Tia

T₂幺万向传动设计第三节万向传动的运动和受力分析一、十字轴万向节传动

出1.单十字轴式万向节传动

串十字轴万向节的力矩平衡串附加弯矩可引起与万向节相连零部件的弯曲振动，

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

，使传动轴产生附加

应力和变形，从而降低传动轴的疲劳强度出为了控制附加弯矩，应避免两轴之间的夹角过大第三节万向传动的运动和受力分析一

、十字轴

万向

节传动

出1.单十字轴式万向节传动串如果十字轴万向节的主动叉轴转速不变，则从

动叉轴周期地加速、减速旋转，产生的惯性力

矩为1000

—转速1000r/min夹角6°800

—

一转转

11

°2

°600

-一转速1500r/min夹角12

400200Yo.—200—400-600800-100061min夹角min夹角//00r00r50速速T₂G=J₂ε2w²cosasin²asin2φ1

&2=(1-sin²acos²41)万向传动设计050100150200250300350主动叉轴转角(·)从动叉轴角加速度(rad/s2)第三节万向传动的运动和受力分析一、十字轴万向节传动

串2.

双十字轴式万向节传动4①第一万向节两轴间夹角α1与第二万向节两轴间夹

角α2相等串②第一万向节的从动叉与第二万向节的主动叉处于同一平面内豆aia2a)置a

12久c)Fb)

d)万向传动设计小可

真F叩第三节万向传动的运动和受力分析一、十字轴万向节传动

串3.多十字轴式万向节传动串从动叉相对主动叉的转角叉与单万向节相似：串假如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零或π/2,则

当量夹角万向传动设计第三节万向传动的运动和受力分析二、双联式万

向节传动

串偏心式双联式万向节b5

B

B4

a2a+bα₁=α2cosa₁=(a+b)/2b万向传动设计44A1aCa@万

向传动设计第三节万向传动的运动和受力分析串三、球笼式万向节传动串等速原理66a1

B

8a/2iaa2万向传动设计第三节万向传动的运动和受力分析出三、球笼式万向节传动串钢球是主要的传力部件，钢球的运动对万向节的工作能

力和使用性能有着重要的作用星当主、从动轴之间夹角为零时，钢球的运动平面与传动

轴垂直

，此时钢球的运动轨迹为圆里当主动轴与从动轴之间存在夹角α之后，钢球三种运动：串绕轴线的旋转

运

动

，其运动轨迹为椭圆；串平行于轴线的往复直线运动，每转动一周中钢球往返一次串垂直于轴线的往复直线运动，每转动一周中钢球往返两次

串因此在某一夹角α下高速转动时，钢球将产生很大的轴向力万向传动设计第四节万向节的设计计算一、计算载荷出1.起动转矩k为液力变矩器变矩系数ka为猛接离合器所产生的动载系数，若装用液力自动变速器则ka=1,

若装用具有手动机械变速器的高性能赛车ka=3;其它车型按性能系G₂

、G₁为满载驱动桥垂直载荷

(N);m’2为汽车最大加速度时的后轴负荷转移系数，乘用车取m

′2=1.2～1.4,

商用车取m'2

=1.1~1.2;φ为附着系数，在良好的混凝土或沥青路上，φ可取0.85;rr为车轮滚动半径

(m);i₀为主减速器传动比；im为减速器从动齿轮到车轮之间的传动比；nm为主减速器主动齿轮到车轮之间的传动效率；m′1为汽车最大加速度时的前轴负荷转移系数，乘用车取m′1=0.8～0.85,

商用车取m'′1=0.75~0.90。第四节万向节的设计计算一、计算载荷串2.附着转矩万向传动设计第四节万向节的设计计算一、计算载荷串3.

日常行驶平均转矩日常汽车行驶的平均牵引力

Ft=magfR+fH+fj)道路滚动阻力系数

平均爬坡能力系数

性能系数万向传动设计位置计算方法用

于

变

速

器

与驱

动

桥

之间用

于

转向

驱

动

桥按Te

max,

i来

确

定按

驱

动

轮

打

滑来确定按

日

常

平

均

使用

转

矩

来

确

定第四节万向节的设计计算一、计算载荷万向传动设计第四节万向节的设计计算二、十字轴式万向节设计计算

串损坏形式串滚针轴承和十字轴轴颈的磨损出过度磨损后，滚针轴承碗和十字轴轴颈工作表面将

出现压痕和剥落串一般情况下，当磨损或压痕超过0.15mm

时便应报废出滚针直径不小于1.6mm,

公

差带0.003mm串合适间隙0.009-0.095串长度不超过轴颈万向传动设计d₁为十字轴轴颈直径

(mm);d₀为滚针直径(mm);Lb为滚针工作长度(mm),

Lb=L-(0.15~1.00)do,L

为滚针总长

度

(mm);Fn为在合力F作用下一个滚针所受的最大载荷(N)当滚针和十字轴轴颈表面硬度在58HRC以上时，许用接触应力[o;]

为3000～3200MPa第四节万向节的设计计算二、十字轴式万向节设计计算串滚针轴承接触应力万向传动设计万向传动设计第四节万向节的设计计算二、十字轴式万向节设计计算串十字轴失效：轴颈根部断裂串轴颈应力T1

计算转矩r

F到十字轴中心距

α最大夹角d1

轴颈直径d2油道直径s

F到轴颈根部距离di,Fa2a)T₁=min[Tse,Tss]doFbb)B-BBB串万向节叉di,do○=w≤10.]—F

1542B-BB7

步

1Fa)b)第四节万向节的设计计算二、十字轴式万向节设计计算W、Wt

分别为截面B-B处的抗弯截面系数和抗扭截面系数

矩形截面：W=bh²/6,Wt=khb²椭圆形截面：W=bh²/10,Wt=πhb²/16h/b1.01.51.752.02.53.04.010k0.2080.2310.2390.2460.2580.2670.2820.312万向传动设计第四节万向节的设计计算二、十字轴式万向节设计计算串十字轴万向节的传动效率串当α≤25°时串十字轴万向节的传动效率约为97%～99%万向传动设计第四节万向节的设计计算二、十字轴式万向节设计计算串十字轴串十字轴常用材料为20CrMnTi、20Cr、20MnVB、

12CrNi3A等低碳合金钢串轴颈表面进行渗碳淬火处理串表面硬度为58～64HRC串轴颈端面硬度不低于55HRC十字轴轴径d₁

mm>■183050<=183050-有效硬化层深度mm0.6~1.00.8~1.21.0~1.41.1~1.5心部硬度HRC35~4833~4830~4525~40万向传动设计第四节万向节的设计计算二、十字轴式万向节设计计算串十字轴串轴颈表面表面粗糙度不超过0.4μm串轴颈端面表面粗糙度不超过0.8

μm串轴颈根部圆弧表面粗糙度不超过1.6

μm出其它非磨加工处表面粗糙度不超过3.2

μm万向传动设计万向传动设计第四节万向节的设计计算二、十字轴式万向节设计计算串静态转矩和动态转矩r为F到十字轴中心距SO静态安全因数i为滚针列数

Z为每列滚针数d₀为滚针直径

L

为滚针工作长静态承载能力系数Co=38iZd₀Lb动态承载能力系数Ta=2Car/kt

Ca=fe(iLb)⁷/9Z3/4d29/27Lb为滚针工作长

fc为动态能力系数工作转速

工作夹角工作转矩串疲劳寿命

10/3=15.210第四节万向节的设计计算三、球笼式万向节设计计算串以与星形套连接轴的直径作为万向节基本尺寸轴颈直径d,in0.7500.8750.9371.0001.1251.2501.5001.7502.0002.2502.5003.000mm19.122.223.825.428.631.838.144.550.857.263.576.2钢球直径in9/1621/320.70873/427/3215/169/821/163/227/1615/89/4mm14.28816.66918.00019.05021.43123.81228.57533.33838.10042.86247.62557.150套星

形最大直径mm22.42/22.3526.67/26.5926.67/26.5930.48/30.3533.15/33.0237.16/37.0846.10/45.9753.34/53.2460.45/60.3366.70/66.5774.37/74.24一最小直径mm20.22/20.0924.6724.5624.69/24.5625.53/25.4030.61/30.4833.35/33.2241.28/41.1548.08/47.9654.10/53.9859.66/59.5466.55/66.42一槽距mm22.75/

45.522.75/

45.522.75/

45.520/4020/4013/2610.5/29/188/167.25/

14.56.5/13一花键齿数1923232325181818181818一球形壳外径mm70818892103115137160182204227272万向传动设计第四节万向节的设计计算三、球笼式万向节设计计算串转矩传递能力许用比载荷球径

夹角压力角钢球数

相似系数

钢球回转中心直径Ln为球笼式万向节的疲劳寿命

(h);nx

为工作转速(r/min);Ax

为夹角

影响系数，Ax=(1-sinα)cos²α,其中α为输入、输出轴平均夹角；Tx为工作转矩

(Nm);K、t为系数，当nx≤1000

r/min时，取K=

25339,t=0.557,当nx>1000

r/min时，取K=470756,t=1。串疲劳寿命万向传动设计第四节万向节的设计计算三、球笼式万向节设计计算里推荐计算是根据变速器各挡位下的工作转矩Txi和工作转速nxi,求得各档位的当量疲劳寿命Lhi:串根据各档位使用率ai,计算出总疲劳寿命Lna万向传动设计出式中Tmax

为万向节静强度计算转矩，i

为一个万

向节叉上的螺栓数，R为橡胶盘平均半径，R1、R2为橡胶盘外、内半径，b

为橡胶盘厚度，d0

为

螺栓孔直径出许用拉应力12-15MPa,

许用挤压应力8MPa第四节万向节的设计计算四、挠性万向节设计计算串盘式橡胶盘的拉应力和挤压应力应满足万向传动设计万向传动设计第五节传动轴和中间支承一、传动轴的分析与设计出汽车传动轴的基本参数包括传动轴长度及其变化范围、

主动轴与从动轴之间的夹角及其变化范围、传动轴的临

界

转

速

、轴管型式及尺寸、滑动花键尺寸等里在确定这些参数时，应保证传动轴在任何工作条件下，

工作可靠、寿命长!传动轴的长度和夹角以及它们的变化范围，是由汽车总

布置设计所决定的第五节传动轴和中间支承

一、传动轴的分析与设计串

夹角和长度主要取决于转速传动轴长度(mm)0~11401140~15201520~1830夹角(°)0~60~60~6≥6安全工作转速(r/min)0.90nk0.85nk0.80nk0.65nk传动轴转速(r/min)6000450035003000250020001500最大夹角值()34567912万向传动设计第五节传动轴和中间支承一、传动轴的分析与设计

串临界转速串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

有折断危险的转速串它决定于传动轴的尺寸、结构及支承情况万向传动设计J.D7M第五节传动轴和中间支承一、传动轴的分析与设计串传动轴管一般由壁厚均匀易平衡、壁薄、管径较大、扭

转强度高、弯曲刚度大、适于高速旋转的低碳钢板卷制

的电焊钢管制成在长度一定时，传动轴轴管的断面尺寸应保证传动轴具

有足够的强度和足够高的临界转速。同时断面尺寸还应

保证有足够的扭转强度!轴管的扭转应力re=71D⁹-≤It.万向传动设计第五节传动轴和中间支承一、传动轴的分析与设计出传动轴中由滑动叉和矩形或渐开线花键轴组成的滑动花键来实现传动长度的变化