等速万向传动轴的振动分析

能够形成活动角２００￣３００
活动角大（４０。－５０。） 寿命长
能轴向作足够的移动 寿命长 强度高
种类
ＲＦ（Ｒｚｅｐｐａ等速万向节） ＢＪ（伯菲尔德式等速万向节） ＧＥ（三柱轴式等速万向节） ＵＦ（球叉式等速万向节）
ＤＯＪ（双偏移距式等速万向节） ＧＩ（三柱轴式等速万向节） ＶＬ（交叉槽式等速万向节）
基金项目：上海理工大学校青年基金
Ｔｈｅ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ Ｊｅｉｍ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ
ＬｕＸｉ Ｚｈｅｎｇ Ｚｈｉｇａｏ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＰｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ Ｕｍｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＳｈａｎｇＨａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
不同类型的等速万向节其工作原理大致相同，但其性能却有较大的区别。表ｌ一２表明了等速万向节的
特性比较１１ｌ：
项目
外径／｛丑矩容量 重量，扭矩容量 最大允许角 常用允许角 温升 耐久性
ＮＶＨ
滑动量 滑动阻力 转动引起的轴向力 注：ｏ－可以使用
套●地面机蠢ｌ电学套摹十一届年套静文毒
表１．２等速万向节特性比较
１蔓·“（ｅ，。。：）：０卜……■………
Ｊ ２０，一Ｋ（Ｏ，一０，）＝０ｌ 可以推导系统的扭转振动的固有频率：
……
……………（８） 、。
●国地西机薯Ｉｔ诧季奎摹十一届年套论文霉
乜鉴±１２鉴 １｜｜］ｌＪ２…………………
…．（９）
其中：
Ｋ——传动轴的扭转刚度
Ｊ，、Ｊ２——ＢＪ端、Ｄ０３端的转动惯量
传动轴扭转振动的临界转速为：ｎ＝６０ Ｑ／２ ｎ
２—七：————二宴嘲蓁耋｛｜耄蚕堡蠢囊曼蒌蓁耋鬻甚 册砣了’、弋：：３、
的过盈配合改为间隙配合，则能大大
ＪＩｋｌ＼＼皇
的原因以满足不同用户的要求。
ｉ一一内环轴线。一一万向节中心２－－外环轴线 图ｓ内、外环扭矩矢量示．髫图
速万向节转速也越来越高，产品设计
碧纂？黧嚣Ｚ器雾鬈绷固
耍：ｏ…………………………………………………………（５）
参考文献 １ 卢曦、张振东，球笼式等速万向节的球面配合分析，轴承，Ｎ０９ ２００１ ｐｐ５－７ ２ 星川文雄，驱动轴用等速万向节的现状与未来，Ｎ１ＮＴＥＣＨＮＩＣＡＬＲＥＶＩＥＷ，１９８９．Ｎ０５６
３ 加腾正启，ＴＥＣＨＮＩＣＡＬＲＥＶＩＥＷ．ＮＯ ５４（１９８８）８５～８８
４ 吉林工业大学汽车教研室编，汽车设计，机械工业出版社，１９８１ ７第一版
动机构的作用，而其它形式的等速万向节都伴有或大或小的滑动，故回转方向间隙不可能为零。由于回转
方向间隙不为零的特性和小的诱发轴向力，将会得到有效的应用，高级车的后独立悬挂采用ＬＪ型等速万
向节将会越来越普遍。
通过选配来减少内、外圈与钢球之间的游隙是减少等速万向节回转间骧的一种常用的简便方法，
为了进一步减少间隙，就耍提高内、外圈的精度，也就是必须提高制造技术水平。文献［１］曾详细研究了
等速万向传动轴的振动分析
作者： 作者单位：
卢曦， 郑志皋 上海理工大学动力学院
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1.会议论文 朱卓选 减振圈解决汽车传动轴的NVH问题 2003
NVH是汽车研究与设计过程中既需要一定理论基础又需要大量实践经验才能解决的应用问题.本文阐述了汽车动力系统引起整车NVH问题的原理,重点分析介绍了减振圈的质量、刚度、阻尼、安装位置等因素对汽车传动轴NVH问题的影响.
汽车行驶工况传动轴上的瞬时转矩值的测量，对汽车动力性、燃油经济性及其影响因素的研究有重要的意义。根据汽车传动轴高速旋转和信号传输受车身电器及机械装置干扰大的特点，研制了一套红外传输信号的汽车行驶工况传动轴转矩值测试装置。该装置在扭转试验机和底盘测功机上分别进行了动静态标定及在五菱牌LZW1010VH型汽车上进行了试用试 验。结果表明该装置操作方便、测试精度高、制造费用低。由于传动轴上的转矩信号采用无接触的红外光传输方式，所以该测试装置也可应用到其他高速旋转轴的转矩值测试(监控)行业。
ｐｅｄｂＩＩ㈣ｏｆＣｏｎｓｔａｎｔＶｅｌｏｃｉｔｙ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ＣＶＪ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｆ ｅｎｄ ａｍｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｐｒｏｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ
ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄ ｃｒｉｌｉｃａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙｗ∞ａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｄ．ＴｈｉｓｂｅｃｏＩｎｃｓｔｈｅｂａ日ｓｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｔｈｅ Ｊｏｉｎｔ
卢曦郑志皋 （上海理工大学动力学院）
【摘要】本文从等速万向传动轴的内部结构上对其产生振动的原因进行了分析，在简化模型下推导出了万向传动轴的弯曲、 扭转的振动方程和相应的临界转速，为改善等速万向节提供了研究基础。
１．引言
汽车工业的发展，及用户对汽车的使用、转向享受追求，要求汽车有更好的动力性、操纵性及舒适性， 促使了ＦＦ及４ＷＤ型车的出现。它们的前轮必须具有转向和驱动两种功能，作为转向轮，要求车轮能在一 定的转角范围内任意偏转某一角度；作为驱动轮，则要求半轴在车轮偏转过程中以相同的角速度不断地把 动力从主减速器传到车轮。在这样两个轴线不重合，且位置还经常变化的两轴间传递动力的机构就是等速 万向节。转向驱动桥半轴不能制成整体而要分段，在车轮和半轴间用等速万向节将两者联接起来。即使采 用后轮驱动，由于居住性的要求，使用独立悬挂．车轮和半轴轴线不重合，也需等速万向节传动。
外环轴线上的扭矩显然不能相互平衡，由等速万向节的性质可知，作用在万向节上的力矩在内、外轴线的
夹角平分线上是平衡的，为了满足扭矩平衡，必然产生附加弯矩产生，其大小为：
札．。Ｍｂ二＝‰×ｔａｎ（０／２）
（４）
Ｍ。。－Ｍ。：＝‰
其中：
地，、虬！——内、外环传递的扭矩，方向按右螺旋法则
６８
奎国地西饥鲁Ｉ眈曩套摹十一届年奎论文毒
型等速万向节边有六个钢球，由于其球滚道轴向相互交叉倾斜，六次振动表现与三次振动相当，其强烈程度
小于ＯＯＪ及ＧＩ型。六次诱发轴向力常与四缸发动机的二次谐振．使机罩产生拍音；三次诱发轴向力在汽车
低速加速对，使发动机座摇－ＣＯＳ（冗／２一ｅ１
（１）
其中：
定心型
轴 向 移式
ＢＪ
ＧＥ
ＶＦ
ＤＯＪ
ＶＬ
ＧＩ
＋
＋＋
＋
＋
０
＋
＋
＋
＋
＋
＋＋
＋
＋
０
十＋
＋
＋
＋
＋
０
＋
＋十＋
０
＋
＋＋
＋
０
＋
＋＋
＋＋十＋十＋
＋＋＋＋
Ｈ
抖
０
＋＋
十
Ｏ
＋
０
＋
＋＋
０
＋＋０
＋好
＋＋最好
等速万向节包括固定型、滑移型，其结构如图１、２，由于其综合性能较好、重量轻、加工工艺简单
而且比较成熟，是现代汽车优先选择的等速万向传动部件之一。对球笼式等速万向节进行振动分析，从其
球对外环作用力为：
Ｑｑ“＝ｉＱ［一ＣＯＳＧｔｃｏｓ８＋ｓｉｎ ｃｚｓｉｎ ｑｂｓｉｎ８】
＋ｊＱ卜ｓｉｎ毡ｃｏｓ巾ｃｏｓｅ＋ｃｏｓｔｉｓｉｎｏｓｉｎ８＋ｓｉｎ ｓｉｎ ｑｂｓｉｎｏｃｏｓ８］…… ………一……（２） ＋ｋＱ［ｓｉｎｔｘｃｏｓＯｓｉｎ０＋ＣＯＳＣｔｃｏｓＯ ｓｉｎ８＋ｓｉｎ ｓｉｎ巾ｃｏｓＯｃｏｓ８］
球笼式等速万向节配合闻隙问题，定量地给出了零件公差对回转间隙的影响关系。
３．诱发轴向力
当滑动式等速万向节形成活动角传递动力时，基于内部零件的相对滑动，产生了摩擦力，其轴向分力
（也即诱发轴向力）变成了起振力。ＤｏＪ（双偏距）型等速万向节，有六个传递力矩的钢球，因而回转一周呈
现六次较强烈的振动，ＧＩ（三柱轴）型等速万向节有三个球面滚子，呈现三次较强烈的振动。虽然扎（交叉槽）
ｄｘ ２
、７
２ ｙ ｓｓｌｉ“ｎ＿罢……………………………………………………………………………………………… ………………………………… ．（１６ｂ）Ｊ ｏ
：Ｙｍｙ
非矛胆…．硎旭………………………………
…．（７）
其中：
Ｅ——材料的弹性模量 Ｊ——传动轴断面的抗弯惯性矩 ｑ——梁的单位长度重量
传动轴弯曲振动的临界转速为：ｎ＝６０。／２” 在扭转振动方面，把等速万向传动轴简化为质量集中在ＢＪ端和ＤＯＪ端的无阻尼自由扭转振动的力学 系统，振动方程为：
奎地面机鲁t眈蠢套摹十一届年套论文毒等速万向传动轴的振动分析上海理工大学动力学院摘要本文从等速万向传动轴的内部结构上对其产生振动的原因进行了分析在简化模型下推导出了万向传动轴的弯曲扭转的振动方程和相应的临界转速为改善等速万向节提供了研究基础
奎■地面机鲁ｔ眈蠢套摹十一届年套论文毒
等速万向传动轴的振动分析
根据使用部位，等速万向节还可分如下两类：
Ａ）．外置式等速万向节（车轮一边用即定心型，Ｏ／１３节）
１３）内置式等速万向节（差速器一侧用即轴向滑动型，Ｉ／Ｂ节）
等速万向传动轴，～般采用定心型等速万向节＋轴＋轴向滑动型等速万向节的组合形成，这样即可解
决运动学上的问题，同时也可用来降低噪音、振动和减少滑动阻力。
Ｆ——诱发轴向力，方向沿万向节内环轴轴线 Ｆｒ——保持架、钢球和外环之间摩擦力的合力，方向沿着外环轴线
奎●地面机ｌ纛甓学奎摹十一届耳套论文亲
０——万向节输入轴与输出轴之间的夹角 由于ＤＯＪ型等速万向节的钢球是传力部件，保持架只是引导作用，可用钢球与外环之间的摩擦力代替
整个摩擦力。 参考ＢＪ型万向节受力分析结果可知，在以外环滚道曲面为中心，外环轴线为ｊ轴的坐标系，第一个钢
在现代汽车上，等速万向节传动轴是由等速万向节、中间轴和支承组成。等速万向节把两轴连接起来， 并使两轴以相同的角速度传递运动。
汽车用等速万向节按其性能可分为定心型和轴向滑移型两大类。表１－１列举了现在投入使用的等速万 向节及其性能要求。
分类 性能要求
表１－１等速万向节的分类
定心型
轴向滑移型
等角速
等角速
滑移阻力是当滑移型ＯＯＪ等速万向节内环与外环有相互位移作用时，万向节产生的反力，当滑动阻力 较小时，万向节内部可以吸收发动机的振动，因而可以减轻通过驱动轴传递到车身的振动［３］。由（１）（２）
式，只有万向节的活动角为零即如－－９０。、８＝ｏ。时，ＤｏＪ型万向节基于摩擦产生的滑移阻力才为零，只要
万向节有活动角传递运动及动力，滑移阻力不可能消失，亦即滑移型ＤＯＪ等速万向节不可能消除轴向滑移
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六个钢球对９｝环的合力为：
６
∑西叫＝－ｊ６Ｑｓｉｎｏ【ｃｏｓ夺
式中： 卜钢球的法向力，通过万向节传递的扭矩可求得
Ｍ
Ｑ＝
Ｗ
６Ｒ ｃｏｓｏ‘ｓｉｎ击ｃｏｓｅ
ｇ
。
‰——万向节输入转矩
ａ——钢球与滚道的接触角
８——万向节的回转角度
击——万向节的半锥角
由（Ｉ）式，诱发轴向力随活动角及传递力矩等的增大而增大，减少诱发轴向力的最好办法是减小万 向节的活动角，但随之要改变汽车的基本设计，实际上几乎不考虑这种方法。因此对等速万向节本身要进 行改进，实现的最佳方案是减少等速万向节内部摩擦力即改善润滑方式和减少滑移，增设滚动零件之类的 措施进行结构的改进。ＮＴＮ公司的等速万向节采用了低摩擦润滑脂和批量生产新结构角接触三柱轴式、游 滑环三柱轴式等速万向节，并且正在研制新型ＴＲＪ（Ｔｒｉｐｌａｎ）型和Ｋ卜２型等速万向节［２］。 ４．轴向滑移阻力
进行球笼式等速万向传动轴产品设计时，应避免传动轴的固有频率和发动机、汽车经常行使地面及汽
车其它零件的固有频率相互接近；传动轴的最高使用转速应小于其临界转速的７０％。
７．结论
总之，通过对球笼式等速万向节以及整个传动轴的振动分析，不仅可以帮助改进现有的产品设计和制
造，而且对迸一步深入研究球笼式等速万向节振动、噪音和啸声提供了一定的基础。
内部结构寻找降低万向节振动的原因，将有助于改进现有的产品设计和制造工艺，提高产品的综合性能。
２．回转方向间隙
当等速万向节回转方向间隙过大、内部零件之间发生干涉时，等速万向节会产生冲击、噪音，此外，
它还会受其它驱动系的影响产生振动。所以，对大幅度减少回转方向间隙的要求比较强烈，在目前批量生
产的等速万向节中，只有交叉槽型等速万向节可以没有回转方向间隙，因其传递力矩的钢球在动作时起滚
阻力，只能通过改进以降低滑移阻力。实践证明减少万向节的滑移阻力仅靠低摩擦润滑脂效果不大，必须
对结构进行改进，改进之一是加大保持架窗口和钢球之间的配合，即出现间隙配合，ＮＴＮ公司开发了ＤＯＪ ＲＦＣ 型及ＤＯＪ—ＲＰＣＦ型等速万向节，并已形成批量生产【２】。
５．附加弯矩
如图３，万向节的扭矩传递矢量关系图，当万向节输入轴与输出轴之间的夹角不为零时，作用在内、