第四章 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
概述 万向节结构方案分析 万向传动的运动和受力分析 万向节的设计计算 传动轴结构分析与设计 中间支承结构分析和受力分析
第一节 概 述
1、组成：万向节、中间支承、传动轴 2、功用：在相交且相对位置常变化的两转 轴间传递动力 3、应用场合： • 变速器与驱动桥间 • 变速器与分动器间 • 转向驱动桥中的主减速器与转向驱动轮之间 • 转向系统中的转向柱和转向器之间
准等速万向节——双联式 双联式万向节
定义：传动轴缩至最小的双万向节等速传动装置
结构： 见（图）
优点：允许较大的轴间夹角、结构简单、制造方
便、工作可靠,具有准等速性
准等速万向节——双联式
准等速万向节——双联式
优点：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。
十字轴万向节轴向定位方式
弹 性 盖 板 式 瓦盖固定式 塑料 环定 位式 外卡式 内卡式
普通盖板式
定位方式 特点 零件数 结构 质量 拆装 工作 制造工艺 十字轴轴向窜动
※
盖板式 普通型 多 复杂 大 方便 可靠 简单 有 没有 弹性
卡环式 外卡式 少 简单 小 方便 可靠 简单 很小 内卡式 少 简单 小 方便 可靠 简单 很小
万向节的应用
(1) 变速器与驱动桥之间 (2) 多轴驱动的汽车的分动器与驱 动桥之间或驱动桥与驱动桥之间 (3)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)采用独立悬架的汽车差速器之 间 (5)转向驱动车桥的差速器与车轮 之间 (6) 汽车的动力输出装置和转向操 纵机构中
cos
第四章万向传动轴设计
主动偏心轴叉
从动偏心轴叉 三销轴 止推垫片 轴承座
四、等速万向节 球笼式等速万向节
主动轴
外罩 星形套（内滚道） 星形套（内滚道） 钢球
球笼（保持架） 球笼（保持架）
球形壳（ 球形壳（外 滚道） 滚道）
四、等速万向节
原理： 原理： 传力点永远位于两轴交点O 传力点永远位于两轴交点O的平分面上
主动叉转角。 ϕ1 ----主动叉转角。
ω2 cos α = ω1 1 − sin 2 α cos 2 ϕ1
1）ϕ1=0°，180°时，则ω2= ω1/cosα，最大； ） ° ° ，最大； 2）ϕ1=90°，270°时，则ω2= ω1 cosα，最小。 ） ° ° ，最小。
因此，当主动轴以等角速度转动时， 因此，当主动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。 此即为普通十字轴万向节传动的不等速性。 不等速性
第二节 万向节结构方案分析
不等速万向节是指万向节连接的两轴夹角大于 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 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。 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 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 的瞬时角速度比传递运动， 的瞬时角速度比传递运动 时瞬时角速度比近似等于1的万向节。 时瞬时角速度比近似等于 的万向节。 的万向节 等速万向节是输出轴和输入轴以等于 的瞬时 等速万向节是输出轴和输入轴以等于1的瞬时 是输出轴和输入轴以等于 角速度比传递运动的万向节。 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， 挠性万向节是靠弹性零件传递动力的，具有缓 是靠弹性零件传递动力的 冲减振作用。 冲减振作用。
万向节和传动轴设计
万向节和传动轴设计
主要内容
4.1概述 4.2万向节传动的运动分析 4.3万向节设计 4.4传动轴设计 4.5中间支承
万向节和传动轴设计
万向节传动的运动分析
4.2.1单万向节传动 普通十字轴式万向节
α保持不变， 对时间求导
主动轴转矩T1 和从动轴转矩T2 之间关系
万向节和传动轴设计
万向节传动的运动分析
万向节和传动轴设计
万向节设计
弯曲应力
剪应力
滚针轴承的接触应力
万向节和传动轴设计
主要内容
4.1概述 4.2万向节传动的运动分析 4.3万向节设计 4.4传动轴设计 4.5中间支承
万向节和传动轴设计
传动轴设计
在D L 一定时空心轴d>0 的临界 转速要比实心轴d=0 的高并且节 省材料这是广泛采用空心传动轴 的重要原因之一
要使传动轴的最高转速小于0.7nk 传动轴扭转强度 传动轴花键扭转应力 传动轴花键齿侧挤压应力 传动轴的不平衡度对不同车型有不同要求 1 轿车在3000 ～6000r/min 时<1~ 2N.mm 2 货车在1000 ～4000r/min 时<10N. mm
万向节和传动轴设计
பைடு நூலகம்
主要内容
4.1概述 4.2万向节传动的运动分析 4.3万向节设计 4.4传动轴设计 4.5中间支承
万向节和传动轴设计
万向节传动的运动分析
两种通常采用的双万向 节传动方案中附加弯 矩的影响
两万向节叉所受的附加弯矩 相互平衡但造成传动轴的弹 性弯曲变形从而引起传动轴 弯曲振动
附加弯矩方向相同不能彼此 相互平衡，因此对两端的十 字轴产生大小相等方向相反 的径向力F ， F作用在滚针轴 承上并在输入轴和输出轴的 支承上引起反力此外传动轴 还要发生弹性变形
万向节和传动轴设计
§4-6 中间支承结构分析与设计
1.开式：单式复式2.闭式：万向节被密封于管内，管承受驱动轴反力（独立悬架采用）
应合理选择CR，避免共振
§4-6 中间支承结构分析与设计
中间支承固有频率
感谢阅读
感谢阅读万向节：圆弧槽型球叉式万向节：传动夹角小于33°，磨损快，用于轻中型越野车转向驱动桥；直槽滚道型球叉式万向节：传动夹角小于20°，可以略微伸缩，用于断开式驱动桥
三、等速万向节
2.球笼式万向节：Birfield型球笼式万向节（RF节）：承载能力和耐冲击能力强，效率高，结构紧凑，安装方便，应用最广泛，用于独立悬架转向驱动桥靠近转向轮一侧。
一、单十字轴万向节传动
2.转矩变化若T1为常数，则
一、单十字轴万向节传动
3.附加弯曲力偶矩变化1）1=0°，180°时，则T2'= T1sinα，最大；2）1=90°，270°时，则T1'= T1tgα ，最小；因此，主、从动轴受到周期作用的附加弯曲力偶矩，其周期比主动轴转速大一倍（π），在主从动轴支承上引起周期性变化的径向载荷（振动）。
三、等速万向节
2.球笼式万向节：伸缩型球笼式万向节（VL节）：外滚道为直槽，可伸缩，省去滑动花键，结构简单，效率高；用于独立悬架转向驱动桥靠近主减速器一侧。
四、挠性万向节
特点：能减小扭转振动、动载荷、噪声结构简单，不用润滑用于两轴间夹角不大（3～5°），轴向位移小的场合
四、挠性万向节
用途：轿车三万向节传动中的靠近变速器的第一节；重型汽车发动机与变速器之间；越野车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。
二、准等速万向节
2.凸块式万向节 特点：相当于双联式万向节，工作可靠，加工简单，允许的夹角较大（50°），工作面为全滑动摩擦，效率低，易磨损，对密封和润滑要求高。 用途：多用于中型以上越野车转向驱动桥。
万向节和传动轴设计
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三、等速万向节
2.球笼式万向节：
Birfield型球笼式万向节（RF节）：承载能 力和耐冲击能力强，效率高，结构紧凑，安 装方便，应用最广泛，用于独立悬架转向驱 动桥靠近转向轮一侧。
11
三、等速万向节
2.球笼式万向节：
2
三、应用
1.变速器与驱动桥间（单式、复式）；
2.转向驱动轮—等角速万向节； 3.驱动轴为独立悬架，驱动桥两侧，起半轴作用； 4.变速器、离合器与分动器非一体的情况下（越 野车）；
5.转向器；
6.功率输出箱—驱动绞盘之间。 7.远距离操纵变速箱
3
三、应用
四、分类
刚性：不等速、准等速、等速
挠性
4
§4-2 万向节结构方案分析
26
§4-5 传动轴结构方案设计
一、临界转速：
D d nk 1.2 10 2 L
2 8
2
r / min
要求使用的nk/nmax=1.2~2.0，要提高nk，应减 小L，增加D、d，加中间支承
27
二、强度计算
1.扭转应力τ：
M D Jp 2
Jp
32
(D d )
4 4
18
二、双十字轴万向节传动：
tg 3 cos 2 tg1 cos 1
输入轴和输出轴平行时，当α1＝α2时，必有1 ＝ 3，输入轴和输出同步旋转；
19
二、双十字轴万向节传动：
tg 3 cos 2 tg1 cos 1
当输入轴和输出轴相交，与传动轴夹角都为α 时，作用在万向节十字叉上的附加力矩不能平 衡，使两个万向节十字轴承受大小相等方向相 反的力，使支承处也产生反力， α 越大，反力 越大。
第四章万向节和传动轴设计
第四章万向节和传动轴设计一、引言万向节和传动轴是机械传动系统中重要的组成部分，它们的设计对于传动系统的正常运行和高效性能起着决定性的作用。
本章将从万向节和传动轴的基本原理、设计要点以及选材等方面进行探讨。
二、万向节的基本原理和分类万向节是将两个或多个轴相互连接并能够进行相对转动的装置。
它主要通过万向节的柔性连接来解决传动系统中因轴间相对偏斜而引起的传递不平稳、受力不均等问题。
万向节一般由内外球面、轴承和套筒等组成，常见的万向节分类有钢球万向节、十字接头万向节和常温万向节等。
钢球万向节广泛应用于工程机械和汽车等领域。
它通过钢球与内外球面的接触来实现传递扭矩，具有承载能力强、传动平稳等特点。
十字接头万向节主要应用于船舶、起重机等场合，它通过两个十字绞杆的连接来实现传递扭矩，具有承载能力大、传动效率高等特点。
而常温万向节则主要应用于高速高温场合，它通过金属软管的连接来实现传递扭矩，具有抗高温、耐腐蚀等特点。
三、万向节的设计要点（一）轴间角度设定轴间角度是万向节设计的重要参数，它直接影响万向节的传动性能。
在设计时需要根据实际需求和传动方式来确定轴间角度，通常轴间角度在5°~35°之间。
（二）轴间相对偏斜轴间相对偏斜是万向节设计中需要重点考虑的问题。
在实际应用中，轴间的相对偏斜会导致万向节产生额外的旋转变形、较大的径向力和不平稳传动等问题。
因此，在设计时需要合理控制轴间相对偏斜，通常限制在1°以内。
（三）轴向长度万向节的轴向长度是指万向节两个连接轴之间的距离。
轴向长度的设计需要考虑到传递扭矩的大小、工作环境的限制以及安装方式等因素。
四、传动轴的设计要点（一）强度和刚度传动轴的设计需要满足一定的强度和刚度要求，以保证传递扭矩时不会产生过大的变形和振动。
根据传动轴的传动功率和转速等参数，可以通过强度校核和刚度计算等方法来确定传动轴的尺寸和材料。
（二）传动性能传动轴的传动性能包括传动效率、噪声和振动等方面的考虑。
汽车设计 第6版 第4章 万向传动设计
尺寸大，零件多，结构较复杂，传递转矩有限
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
第四章 万向传动设计
汽车工程系
第二节 万向节结构方案分析
四、等速万向节
1.球笼式万向节
（1）固定型球笼式万向节
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。
第四章 万向传动设计
汽车工程系
第二节 万向节结构方案分析
二、十字轴式万向节
滚针轴承的润滑和密封
毛毡油封：因防漏油、防水、防尘效果差，已淘汰 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。 多刃口油封：防漏油、防水、防尘效果更好。
第四章 万向传动设计
汽车工程系
第二节 万向节结构方案分析
第四章 万向传动设计
汽车工程系
第二节 万向节结构方案分析
四、等速万向节
2.三枢轴式万向节
三枢轴式万向节能允许最大轴间交角为43°
万向节安装位置或相连接总成
离合器-变速器；变速器-分动器 （相连接总成均安装在车架上）
驱动桥 传动轴
汽车满载 静止夹角
行驶中的 极限夹角
一般汽车 越野汽车 一般汽车 越野汽车
α不大于
1°~3°
6° 12° 15°~20° 30°
第四章 万向传动设计
汽车工程系
第二节 万向节结构方案分析
三、双联式万向节
汽车工程系
万向传动轴设计
可见，当输入轴转速很高，且输入、输出轴之间夹角较大时，由 于从动叉轴旋转的不均匀加剧所产生的惯性力矩可能会超过结构许用 值，应采取有效方法降低惯性力矩。
16
《汽车设计》电子教案
4.3 万向节传动的运动分析
• 4.3.2 双万向节传动(普通十字轴式万向节)
为克服单万向节传动代来的缺点，出现了双万向节传 动，使得处于同一个平面内的输出轴与输入轴等速旋转 。 要满足如下条件： (1) 与传动轴相连的两个万向节叉布置在同一平面内。 (2) 两万向节与传动轴的夹角相等
橡胶弹性中间支承
越野车传动轴中间支承
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《汽车设计》电子教案
4.6 中间支撑
中间支承悬置质量m的固有频率 f 按下式计算
f 1 CR 1 CR g 1 CR g 2π m 2π mg 2π G
在设计中间支承时，应合理选择其弹性元件的径向刚 度 CR ，使固有频率 f 对应的临界转速 n 60 f (r/min)尽可 能低于传动轴的常用转速范围，以避免共振，保证隔振效 果好。
《汽车设计》电子教案
第4章 万向传动轴设计
1
《汽车设计》电子教案
传 动 轴 结 构 分 析 和 设 计
万 向 节 设 计
万 向 传 动 的 运 动 和 受 力 分 析
万 向 传 动 轴 的 分 类 和 工 作 原 理
本 章 重 点
2
《汽车设计》电子教案
4.1 概述
汽车上的万向传动轴，由万向节、轴管及其伸缩花键 等组成。在工作过程中，在汽车上有些轴之间的相对位置 不断发生变化。 万向节按其在扭转方向是否有明显的弹性变形，可以 分为刚性万向节和柔性万向节。 对万向节传动的要求如下： (1) 当两轴的相对位置在预计的范围内变动时，能可 靠而稳定地传递动力。 (2) 保证所连接的两轴尽可能等速旋转。 (3) 由万向节传动引起的振动、噪音以及附加载荷在 允许范围内。
汽车总体设计—第四章
第4章万向传动轴设计教学提示：万向节传动用于不同轴线的两轴间或在工作过程中相对位置不断变化的两轴间的动力传递。
本章主要讲解万向节的分类、工作原理，万向传动的运动和受力分析、万向节设计、传动轴结构分析与设计等基本内容，还介绍了万向传动轴的设计实例。
教学要求：了解等速万向节、准等速万向节和不等速万向节的结构方案，传动轴的中间支承结构，熟练掌握十字轴万向节的设计计算、传动轴的设计计算。
通过设计实例深入理解和掌握万向传动轴的设计过程。
4.1 概述汽车上的万向传动轴，由万向节、轴管及其伸缩花键等组成。
在工作过程中，在汽车上有些轴之间的相对位置不断发生变化，例如，变速器输出轴和驱动桥输入轴之间。
为解决这些轴之间的动力传动问题，就需要使用万向传动装置。
对于长轴距的汽车，还需要加装中间支承。
万向传动装置的布置方案如下：(1) 驱动桥与变速器之间距离不大时，常采用两个万向节和一根传动轴的结构。
(2) 当驱动桥与变速器相距较远时，常将传动轴断开成两根(或三根)，万向节用三个(或四个)，如图4.1(a)所示。
此时，必须在中间传动轴上加设中间支承。
缩短传动轴长度的目的主要是提高传动轴的临界转速，以免工作时发生共振。
(3) 越野车的万向传动装置(不包括转向驱动桥上的等角速万向节)如图4.1(b)所示。
万向节所连两轴之间的夹角范围：一般货车≤15°～20°；4×4越野车≤30°。
(4) 转向驱动桥常采用球叉式和球笼式等速万向节，如图4.1(c)所示，其最大夹角(相应为车轮最大转角)可达30°～42°。
(5) 后驱动桥为独立悬架结构时，也必须采用万向节传动，如图4.1(d)所示。
(6) 变速器与离合器(或分动器)不直接相连时，它们之间也需要采用万向节传动，如图4.1(b)所示。
这是为了避免因安装不准确和车架变形在传动机构中引起附加载荷。
此时多采用普通十字轴万向节或柔性万向节，其工作转角范围一般不大于2°～3°。
第四章万向传动轴设计
k—液力变矩器变矩系数； k = [(k0 -1) / 2] 1 k0为最大变矩系数 —发动机到万向传动轴之间的传动效率； iⅠ—变速器一挡传动比； n 与i f选取表 n—计算驱动桥数； 高挡传动比ifg与 车型 if n i f —分动器传动比； 低挡传动比ifd关系 i0 —主减速器传动比； i fg i fd 2 ifg 1 i m—主减速器从动齿轮到车轮 4 ×4 i i 2 之间传动比； fg fd ifd 2 m—主减速器主动齿轮到车轮 i 2i 3
2 cos2 2 1 求导： = cos2 cosa 1 1 1
得运动关系：
2 cosa = 1 1 - sin 2 a cos2 1
(5 - 1)
讨论：假定a不变，则2/1仅与cos2φ1有关！
当φ1=0°、180 ° 、360 °时,cos φ1=1 当φ1=90°、270 ° 时,cos φ1=0
2 max - 2 min k= = sin a tana 1
(5 - 2)
返 回
T 由功率相等 2 = 1 T1 2
2.
力矩关系
1 - sin 2 a cos2 1 T2 = T1 cosa
(5 - 3)
讨论：
设T1=常数，则T2随1/2变化： T1 T2 max = （φ1=90°、270 ° 时） cos a （φ1=0°、180 ° 、360 °时）
2.
计算载荷Ts的确定
第四章 万向传动轴设计
第四章•万向传动轴设计24.1.1 万向传动轴概述¾功能用于在工作过程中相对位置不断改变的两根轴之间传递转矩和旋转运动¾组成：万向节、传动轴，有时加装中间支承¾设计基本要求两轴相对位置在预计范围内变动时，能可靠传递动力 尽可能使所连接两轴同步（等速）运转传动效率高、使用寿命长、结构简单、制造和维修方便3发动机前置后轮或全轮驱动的汽车上，变速器或分动器输出轴和驱动桥输入轴之间转向驱动桥中，内、外半轴之间后驱动桥为独立悬架结构时采用4.1.2 万向传动轴在汽车中的应用4¾刚性万向节不等速万向节：十字轴式准等速万向节：双联式、凸块式、三销轴式等 等速万向节：球叉式、球笼式等¾挠性万向节4.2 万向节分类54.3 十字轴万向节Ö单十字轴万向节传动Ö双十字轴万向节传动Ö多十字轴万向节传动64.3.1 单十字轴万向节传动αϕϕcos tan tan 21=转角关系7转速关系12212cos sin 1cos ϕααωω−=αωωcos /1max 2=αωωcos 1min 2=ααωωωtan sin 1min2max 2=−=k 12/ωω是周期为π的周期函数当为0、π、2π、…时1ϕ当为π/2、3π/2、…时1ϕ传动的不等速性！8转矩关系2211ωωT T =11222cos cos sin 1T T αϕα−=αcos /1max 2T T =αcos 1min 2T T =当为0、π、2π、…时1ϕ当为π/2、3π/2、…时1ϕ9附加弯矩0'1=T αsin 1'2T T =αtan 1'1T T =0'2=T 0≠α1T 2T 与作用于不同的平面如何平衡呢？2'21'1=+++T T T T vv v v 10附加弯矩引起的径向载荷αsin 1'2T T =21222sin L T L T F j α=′=αtan 1'1T T =αααcos tan cos 21212L T L T F c =′=呈周期性变化11惯性力矩222εJ T G =212212212)cos sin 1(2sin sin cos ϕαϕααωε−−=124.3.2 双十字轴万向节传动21αα=获得等速传动的条件1）2）同传动轴相连的两个万向节叉布置在同一平面内13附加弯矩的影响双万向节传动中附加弯矩产生的径向力可由轴承反力平衡两万向节叉所受附加弯矩彼此平衡，传动轴弯曲振动两万向节叉所受附加弯矩方向相同，从而对两端的十字轴产生大小相同、方向相反的径向力，在两轴的支承上引起反力144.3.3 多十字轴万向节传动()θϕαϕ+=Δ122sin 4e L±±±=232221ααααe 多万向节传动设计要求1）当量夹角尽量小，空载和满载时小于最大许用角2）角加速度幅值应小于许用值e α212ωαe 15多十字轴万向节传动实例o o o 5.4,5.3,5.1321===αααmin/30001r n =比较某货车的两种传动方案，其中16o o 5.5)5.45.35.1(222=−−=e α2212/909s rad e =ωαo o 4.2)5.45.35.1(222=−+=e α2212/173s rad e =ωα917¾万向传动轴在汽车中的典型应用 变速器与驱动桥之间 转向驱动桥中¾确定传动系计算载荷的主要方法按发动机最大转矩和一档传动比来确定 按驱动轮打滑来确定 按日常平均使用转矩来确定4.4 万向节设计184.4.1 万向传动轴计算载荷ni ki T k T f e d se η1max 1=n i i ki T k T f e d se 201max 2η=mm r ss i i r m G T ηϕ0'221=mm r ss i r m G T ηϕ2'112=ni i r F T m m r t sf η01=ni r F T m m r t sf η22=按日常平均使用转矩按驱动轮打滑按发动机最大转矩和一挡传动比转向驱动桥中变速器与驱动桥之间19计算驱动桥数和分动器传动比选取326×6214×4高低挡传动比关系车型2fd fg i i >2fd fg i i <32fd fgi i >32fd fg i i <f i nfg i fd i fg i fdi 20载荷选择参考静强度计算疲劳寿命计算],min[11ss se s T T T =],min[22ss se s T T T =此时，安全系数取2.5～3.0s T 取或1sf T 2sf T 214.4.2 十字轴万向节设计¾主要的失效形式十字轴轴颈和滚针轴承的磨损十字轴轴颈和滚针轴承碗表面出现压痕和剥落 十字轴轴颈根部断裂22十字轴强度校核αcos 2r T F s=][)(3242411w w d d Fsd σπσ≤−=][)(42221τπτ≤−=d d F],min[ss se s T T T =23bnj L F d d )11(27201+=σiZF F n 6.4=滚针轴承的接触应力24十字轴万向节的传动效率παηtan 2)(110r d f −=o 25≤α当时通常情况下，约为97％～99％25¾传动轴总成的组成传动轴、两端焊接的花键轴、万向节叉等¾传动轴设计时应首先考虑的问题 长度变化范围 夹角变化范围4.5 传动轴结构分析与设计264.5.1 传动轴的临界转速2228102.1cc c k Ld D n +×=0.22.1/max ～==n n K k 27][)(1644c c c sc cd D T D τπτ≤−=][163h hsh d T τπτ≤=4.5.2 传动轴其它校核¾轴管扭转强度¾花键轴扭转强度¾花键的齿侧挤压强度][)2)(4(0y h h h h h s y n L d D d D K T σσ≤−+′=284.5.3 传动轴的平衡¾传动轴总成不平衡传动系弯曲振动的一个激励源 高速旋转时将产生明显的振动和噪声¾不平衡的主要来源万向节中十字轴的轴向窜动 传动轴滑动花键的间隙传动轴总成两端连接处的定心精度 高速回转时传动轴的弹性变形点焊平衡片的热影响（应在冷却后进行动平衡检验）¾对传动轴不平衡度的要求29¾中间支承的作用提高传动轴临界转速，减小万向节夹角（长轴距汽车） 提高传动系的弯曲刚度，减振降噪（轿车）¾中间支承的设计要求适应安装面的实时变化 不发生共振¾轴承的选择不传递轴向力，主要承受径向力单列滚珠轴承需要承受轴向力两个滚锥轴承4.6 中间支承结构分析与设计30mC f R π210=中间支承的固有频率60f n =。
第四章万向传动轴设计
f
j
=
1 100
(16 -
0.195 ma g ) Te m a x
0
当0.195 ma g 16时 Te m a x
当0.195 ma g 16时 Te m a x
k—液力变矩器变矩系数； k = [(k0 -1) / 2] 1 k0为最大变矩系数
—发动机到万向传动轴之间的传动效率；
iⅠ—变速器一挡传动比；
点： 力强，效率较高，尺寸紧凑，安装方
便，精度要求高，成本较高
目前应用最为广泛的等速万向节！
伸缩型 结构简单，滚动阻力小，传动效率高
伸缩型球笼式万向节
四、挠性万向节
特 能减小传动系的扭转振动、 点：动允载许荷a=和°噪~声5°，及结很构小简轴单,
向位移,使用中不需要润滑
应用：常用作轿车三万向节传
主动轴 T1
a T2 从动轴
T2
a
T1 T2'
此时：T1'=T1sina
（T1的最大值）
当1=9 °时 ，T作用于十字轴平面，T2’必为零.
主动轴
特点：
a 从动轴
a T1
T2
T1'
此时：T1'=T1tana
（T’1的最大值）
附加弯矩值每转半转就在上述最大值与零之间变
化一次（周期为180°）
危害： 附加弯矩可引起与万向节相连机件的弯曲振动，
效率高，工作可靠，制造方便。
双联式万向节
缺点：结构较复杂，外形尺寸较大，零件数目较多。 应用： 中吨位以上的越野车
凸块式万向节
组成：主要由两个万向节叉和两个凸块组成
优点：
工作可靠，加工简单，允许所联两 轴夹角较大(可达50°)
第四章万向节和传动轴设计
第四章万向节和传动轴设计一、计算题：1. 已知某型汽车传动线路如下图。
其采用了四根传动轴，即：Ⅰ变分传动轴，Ⅱ中桥传动轴，Ⅲ前桥传动轴，Ⅳ后桥传动轴。
变分传动轴长度短，无轴管。
其余 3 根传动轴为普通管式。
主要结构尺寸如下：传动轴轴管十字轴花键轴外径壁厚轴颈长度外径齿宽齿数中桥传动轴89 5 31.66 130 60 4 24变分传动轴31.66 130 60 4 24前桥传动轴89 2.5 25 108 50 5 16后桥传动轴89 2.5 25 108 50 5 16原始数据：发动机最大功率：165马力/3000n发动机最大扭矩：43kg· m/1200n分动箱速比：i =1.348 i =2.410变速箱速比：i =7.58 i =4.3i =2.45 i =1.49i =1.0 i =7.69计算：1.传动轴临界转速，（前桥传动轴最长万向节中心距110.5cm）；2. 各传动轴传递的最大扭矩；3. 中桥传动轴强度；①突缘叉螺栓；（螺栓数量n=4，分布半径R= 69mm，突缘叉法兰厚度L= 12mm）②十字轴：（见教材P186图6— 12）（r= 56mm，s= 22mm，d = 31.66mm，d = 8mm，L= 18mm，滚针数目37，滚针半径R = 1.5mm）③花键轴：（花键齿根圆直径50 ，花键轴外径60 ；花键孔内径54 ，花键齿数24 ，花键有效长度100mm ，花键齿宽4mm ）④轴管2. 已知一后置发动机大型客车满载时后车架、后悬架、后轴壳和传动轴的位置，尺寸如下图所示。
且弹簧片数n=15 ，片厚d= 15mm ，主片 3 片，卷耳半径e= 25mm ，静挠度 f = 90mm ，动挠度 f = 80mm ，满载弧高 f = 20mm ，r = 545mm ，r =515mm 。
作图校核该车传动轴跳动情况，包括：①确定传动轴上下跳动的极限位置及最大摆角；②确定空载时万向节传动的夹角；③确定传动轴长度的变化量。
汽车设计——第四章 万向传动轴设计
第五节 传动轴设计
传动轴设计时的主要考虑因素： 花键的轴向阻力 实心轴与空心轴 传动轴管的制作 传动轴的长度和夹角及变化范围 临界转速 轴管扭转强度
2.双万向节传动(普通十字轴式万向节) 1）等速传动条件 与传动轴相连的两个万向节叉布置在同 一平面内。 两万向节与传动轴的夹角相等 2）附பைடு நூலகம்弯矩的作用
第三节 万向节传动的运动分析
3.多万向节传动（普通十字轴式万向节） 当量夹角 角加速度幅值 多万向节传动计算
另一种方法
第四节 万向节的设计计算
能可靠而稳定地传递动力。 保证所连接的两轴尽可能等速旋转。 由万向节传动引起的振动、噪音以及附加载
荷在允许范围内。 传动效率高，使用寿命长。 结构简单、制造方便、维修容易。 4.万向节分类
第二节 万向节结构方案分析
1.十字轴式万向节
2.准等速万向节 双联式万向节 凸块式万向节 三销轴式万向节 球面滚轮式万向节
传动轴花键轴扭转应力 传动轴花键齿侧挤压应力
第六节 中 间 支 承
在长轴距汽车上，常常将传动轴分段(两段或三段)， 目的主要是缩短每一段的长度，提高刚度，从而 提高传动轴的临界转速。在乘用车中，有时为了 提高传动系的弯曲刚度、改善传动系弯曲振动特 性，减少噪音，也将传动轴分成两段。当传动轴 分段时，需要加中间支承。
第二节 万向节结构方案分析
3.等速万向节 球叉式万向节 球笼式万向节 Rzeppa型等速万向节 Birfield型球笼等速万向节 伸缩型球笼万向节 4.挠性万向节
第三节 万向节传动的运动分析
第四章万向节传动轴设计汽车设计A,武汉理工大学,汽车学院详解
传
分析和受力分析
动 轴
单十字轴万向节传动
5 传动轴的设计
附加弯矩
设 计
双万向节传动 多万向节传动
4 万向节设计计算
5 传动轴设计
临界转速
6 中间支撑设计
万向传动轴的应用 • 变速器与驱动桥的主减速器之间
十字轴万向节
• 车轮和差速器之间
等速万向节（球笼式、球叉式）
• 驱动桥
• 多轴驱动
• 方向盘和转向器
保证所连接的两轴尽可能 等速旋转，使得由于万向 节夹角而产生的附加载荷、 振动和噪声应在允许范围 内，不产生共振现象
传动效率高、使用 寿命长、结构简单、 容易维修
第 1 概述
四 2 万向节的结构形式
章
不等速万向节
万
准等速万向节
向
等速万向节
节
与 3 万向节传动的运动
传
分析和受力分析
动 轴
单十字轴万向节传动
多万向节传动
4 万向节设计计算
5 传动轴设计
临界转速
6 中间支撑设计
2.2 准等速万向节 （双联式万向节 三销轴式万向节） 准等速万向节是根据双万向节可以实现等速传动的原理设计的
万向节叉
十字轴 油封
万向节叉
双联式万向节实际上是由两个 十字轴万向节组合而成
优点： 允许两轴间的夹角较大（可达 50°） 轴承密封性能好、效率高、 工作可靠、不需特殊的工艺设备
第 1 概述
四 2 万向节的结构形式
章
不等速万向节
万
准等速万向节
向
等速万向节
节
与 3 万向节传动的运动
传
分析和受力分析
动 轴
单十字轴万向节传动
万向节和传动轴设计
第一节 概述 第二节 万向节结构方案分析 第三节 万向节传动的运动分析和受力分析 第四节 万向节设计 第五节 传动轴结构分析与设计 第六节 中间支承结构分析与设计
1
§4-1 概述
一、万向节功用:在工作位置不断改变的两根轴之 间传递动力
二、设计要求:
（1）保证所连接的两轴相对位置在预定范围内变动 时，能可靠的传递动力
h
16M
d h 3
dh花键根径，安全系数n=2~3
29
二、强度计算
3.花键处挤压应力σj：j NhomakorabeaD1
D2
MK D1 D2
ZL
4
2
L—工作长度 D1—外径 D2—内径 ［σj］=25~50 MPa 滑动花键 ［σj］=50~100 MPa 不滑动花键
Z—齿数
30
直槽滚道型球叉式万向节：传动夹角小于 20°，可以略微伸缩，用于断开式驱动桥
10
三、等速万向节
2.球笼式万向节：
Birfield型球笼式万向节（RF节）：承载能 力和耐冲击能力强，效率高，结构紧凑，安 装方便，应用最广泛，用于独立悬架转向驱 动桥靠近转向轮一侧。
11
三、等速万向节
2.球笼式万向节：
1）1=0°，180°时，则T2'= T1sinα，最大； 2）1=90°，270°时，则T1'= T1tgα ，最小；
因此，主、从动轴受到周期作用的附加弯曲力偶矩， 其周期比主动轴转速大一倍（π），在主从动轴支 承上引起周期性变化的径向载荷（振动）。
18
二、双十字轴万向节传动：
tg3 cos2 tg1 cos1
Fs
d
4 2
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万向节
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图4-10 十字轴万向节的力偶矩 3 a) 1 0， b) 1 / 2 ， 2
当主动叉φl处于0和π位置时，由于Tl作用在十字轴 平面，Tl′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Tl大小相等、方向相反。 这样，从动叉上的附加弯矩T2′= Tlsina。当主动叉φl处 于 / 2和 3 2 位置时，同理可知T2′=0，主动叉上的附加 弯矩Tl′=Tltana。
k
2 max 2 mБайду номын сангаасn
1
sin tan
（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
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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。
图4-7 球叉式万向节
a)圆弧槽滚道型 b)直槽滚道型
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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 （1）Rzeppa型 这种等速万向节无论 转动方向如何，六个钢球 全都传递转矩，它可在两 轴之间的夹角达35° -37°的 情况下 工作。 已很少使用。
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目前常 见的滚针轴 承轴向定位 方式有盖板 式(图4—1a、 b)、卡环式 (图4—1c、 d)、瓦盖固 定式(图4— 1e)和塑料 环定位式 (图4—1f) 等。
(1)圆弧槽滚道型 结构较简单，可以在夹角不大于32°-33°的条件 下正常工作。单位压力较大，磨损较快。传力钢球与 滚道之间具有一定的预紧力时，才能保证等角速传动。 该万向节主要用于总质量不大的越野转向驱动桥。 圆弧槽型球叉式万向节作为转向驱动桥的传力构 件时，万向节旋转轴线应与车桥的轴线相重合，以避 免发生万向节的摆动现象。 (2)直槽滚道型 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。用于断开式驱动桥。
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4．球面滚轮式万向节 是应用较广泛的准等 速万向节。允许两轴间的 工作夹角可达43°，加工 也较容易。
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1螺丝 2橡胶 3中心钢球 4 黄油嘴 5传动凸缘 6球座
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Rzeppa型球笼式万向节以前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，以补偿由于前轮跳动 及载荷变化而引起的轮距变化。 伸缩型万向节还被广泛地应用到断开式驱动桥中。 挠性万向节常在乘用车三万向节传动中，被用来 作为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。
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（3）伸缩型 伸缩型球笼式万向节的内外滚道是直槽的，在 传递转矩过程中，星形套可在筒形壳内沿轴向移动， 能起到滑动花键的作用，使万向传动装置结构简化。 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°。
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双刃口复合油封(图4—2a)，防尘、防水效果良好。 在灰尘较多的条件下使用时，万向节寿命可显著提高。 图4—2b为一乘用车上采用的多刃口油封，安装在无润 滑油流通系统且一次润滑的万向节上。 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。
第一节
概述
万向传动轴由万向节、轴管及其伸缩花键等组成。 它主要用来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。
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万向传动轴设计应满足如下基本要求： 1)保证所连接的两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。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。 3)传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方 便，维修容易等。 在发动机前置后轮或全轮驱动的汽车上普遍采用 十字轴万向传动轴。在转向驱动桥中，内、外半轴之 间的夹角随行驶需要而变，多采用等速万向传动轴。 当后驱动桥为独立悬架时，也必须采用万向传动轴。
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四、挠性万向节 挠性万向节是由 橡胶件将主被动轴叉 交错连接而成，依靠 橡胶件的弹性变形， 能够实现转动轴线的 小角度（3゜-5゜） 偏转和微小轴向位移， 吸收传动系中的冲击 载荷和衰减扭转振动， 具有结构简单，无需 润滑等优点。
2 cos 1 1 sin 2 cos2 1
（4-1）
式中，φ1为主动轴转角， 定义为万向节主动叉所在 平面与万向节主、从动轴 所在平面的夹角。
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刚性万向节
不等速万向节 准等速万向节 十 字 三 球 双 凸 轴 销 面 联 块 式 轴 滚 式 式 式 轮 式
等速万向节
球 叉 式 圆 弧 槽 滚 道 型 直 槽 滚 道 型 球 笼 式 Birfield型 Rzeppa型
挠 性 万 向 节
伸 缩 型
版权所有：聊城大学汽车与交通工程学院 联系地址：山东省聊城大学东校区18号信箱 制作人：张利鹏 电话：0635-8239272
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二、准等速万向节 1、双联式万向节 双联式万向节是由 两个十字轴万向节组 合而成。双联式万向 节的主要优点是允许 两轴间的夹角较大， 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。广泛 用于军用越野车。
由于cos 1 是周期为2 的周期函数，所以 2 / 1 也为同周期的周期函数。当 1 为0、 时， 2 达最大 值2 max 且为1 / cos ；当 1 为 /2、3 /2时， 2 有最 小值 2 min且为 1 cos 。因此，当主动轴以等角速度转 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
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第二节
一、十字轴式万向节
万向节结构方案分析
普通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。
1- 套筒 2-十字轴 3-传动轴叉 4-卡环 5-轴承外圈 6-套筒叉
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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矩 T1' 。同理，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 面的弯曲力矩 T2' 。在这四个力矩作用下，使十字轴万 向节得以平衡。
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