汽车的设计

• 现在大多数发动机前置前驱的汽车上，车轮转动 中心与差速器半轴花键中心不同轴心，而且前轮 还会上下跳动和绕着主销转动。如果用一根整体 的半轴是无法完成动力传递的，因此必须在车轮 和差速器之间安装一根可伸缩并带有万向节的传 动轴总成来传递动力，这时多采用球笼式或球叉 式等速万向节传动，与万向节相联的两轴的夹角 可以较大。
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。 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。
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，但必须保证同 传动轴相连的两万向节叉应布置在同 一平面内，且使两万向节夹角α1与α2 相等（图4-6）。 当输入轴与输出轴平行时（图46a），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。
传动轴在工作时，其长度和夹角是在一定范围变化的。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。
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。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nk （r/min）为


轴以等角速度转动时，从动轴时快时慢，此即为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可用转速不均匀系数k来表示
k
（4-2） 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 T11 T2 2 ，这样有 1 sin 2 cos2 1 T2 T1 （4-3） cos 显然，当 2 / 1 最小时，从动轴上的转矩为最大 T2 max T1 / cos ；当 2 / 1 最大时，从动轴上的转矩为最小 T2 min T1 cos 。T1与 一定时，T2在其最大 值与最小值之间每一转变化两次。
图4-6 附加弯矩对传动轴的作用
当输入轴与输出轴相交时 （图4-6c），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。
第四节 传动轴结构分析与设计
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。传 动轴中一般设有由滑动叉和花键轴组成的滑动花键，以实现传动长度的 变化。
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
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 与从动轴的 1 2 之间存在如下的关系 角速度
2 cos （4-1） 1 sin 2 cos2 1 由于cos 是周期为2 的周期函数，所以 2 / 也为同周期的周期函数。当 1为0、 时， 2 达最大值 2 max1且为 / cos 为 /2、3 /2时，1 有最小值 且为 1 cos。因此，当主动 2 2 min ；当 1 1
当主动叉 1 处于 /2和3 /2位置时
' （图4-5b），同理可知 T=0，主 2 动叉上的附加弯矩 1' =T1tanα。 T
图4-5 十字轴万向节的力偶矩 = a) 1 =0， 1 = b) 1 = /2， 1 /2 3
分析可知，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 ，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，应避免两 轴之间的夹角过大。
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。
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，称之 为等速万向节。 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
Байду номын сангаас
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（易 坏）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，生产成本 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。
n k 1.2 10
8
Dc2 d c2 L
2 c
（4-4）
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）。
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。
第四章
万向传动轴设计
第四章 万向传动轴设计
• • • • 第一节 第二节 第三节 第四节 概述 万向节结构方案分析 万向传动的运动和受力分析 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。
十字轴式万向节
• •
普通万向节的工作特性是当主动轴等速旋转时，从动轴的转速（角 速度）是不均匀的。所以，为了达到等速转动，传动轴两端须安装两 个万向节，并且还须满足两个条件，即传动轴两端的万向节叉应在一 个平面内；主动轴和从动轴与传动轴的夹角应相等。
普通万向节由于结构简单，尺寸紧凑，成本低廉，因此在汽车上得 到了广泛的应用。
图4-4伸缩型球笼式万向节
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 速器一侧则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。
2 max 2 min sin tan 1
附加弯曲力偶矩的分析 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下是 不能平衡的。从万向节叉与十字轴之间的 约束关系分析可知，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 。同 T1' 理，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。 当主动 1 处于0和 时位置时（图4 叉 ' -5a），由于T1作用在十字轴平面， T1 必 为零；而T2的作用平面与十字轴不共平面， 必有 T2'存在，且矢量 T2' 垂直于矢量T2； 合矢量 T2'+T2指向十字轴平面的法线方向， 与T1大小相等、方向相反。这样，从动叉 上的附加弯矩 T2'=T1sinα。
• •
• 发动机前置后轮驱动的汽车，由于工作时悬架变形，驱动 桥主减速器输入轴与变速器(或分动器)输出轴间经常有相 对运动，普遍采用万向节传动(图4－la、b)。当驱动桥与 变速器之间的距离不大时，常采用两个万向节和一根传动 轴的结构。当驱动桥与变速器相距较远，使得传动轴的长 度超过1．5m时，为提高传动轴的临界转速以及从总布置 上的考虑，常采用三个(或四个)万向节，两根(或三根)传 动轴的结构，此时．必须在中间传动轴上加设中间支承。 万向节所连的两传动轴之间的夹角，对一般货车，最大可 达15º ～20º ，对于4× 4越野汽车(特别是短轴距的)，最大 可达30º 。
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（图 4-1b），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（图4-2）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
例合适的分度杆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。
图4-2 Rzeppaz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
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。
刚性万向节可分为不等速万向节（如十字轴式）、准等速万向节
（如双联式、凸块式、三销轴式等）和等速万向节（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
三、等速万向节
1．球叉式万向节
球叉式万向节按其钢球滚道形状 不同可分为圆弧槽和直槽两种形式。 圆弧槽滚道型的球叉式万向节 （图4-1a）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。
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
图4-3 Birfield型球笼式万向节
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，成本较高。
经验表明，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达到35°～ 37°的情况下工作。
Birfield型球笼式万向节
Birfield型球笼式万向节（图4-3） 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
小型十字万向节总成
球笼万向节总成
什么是万向节
• 万向节，是万向传动装置中改变动力传递方向的关节状部件。它一般 分为普通万向节和等速万向节两种形式。
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普通万向节又叫十字轴万向节，是目前汽车上应用最多的万向节。 它以十字轴为中心，两端分别连接一个万向节叉，这样，即使两个万 向节叉之间有夹角，动力依然可以传递过去。
伸缩型球笼式万向节 伸缩型球笼式万向节（图4-4）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°。