万向传动轴设计

第二节 万向节结构方案分析
• 万向节结构
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）见。
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
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
杂，外形尺寸较大，零件数目较多。
2. 凸块式万向节：它主要由两个万向节叉l和4以及两个特殊
形状的凸块2和3组成。
优点：可以暴露在外，不需外加球壳和密封装置；
允许连接的两轴夹角较大，可达45°； 缺点：尺寸大、零件形状复杂、受附加婉拒和轴向力（需装轴向推 力轴承）
3. 三销轴式万向节：是由双联式万向节演变而来。它主要由
直槽式
伸缩型
大
50°~60°
大
ຫໍສະໝຸດ Baidu
≯32° ~33°
50°
低
②
45°
≯20°
42°
高
20°
高
效率
高
（0.97～0.99）
高
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 见图。
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。 目前常见的滚针轴承轴向定位方式有盖板式(图4-l a、 b)、卡环式(图4-lc、d)、固定式(图4-le)和塑料环定位式 (图4-lf)等。
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。
两个偏心轴叉、两个三销轴和六个滚针轴承组成。
3. 三销轴式万向节
三销轴式万向节的最大特点是允许相邻两轴有较大的交 角，最大可达450。
4. 球面滚轮式万向节：应用广泛。
三个球面滚轮的轴线始终位于或近似位于万向节两轴夹角的等分 面上。工作夹角可达43°。
5. 准等速万向节小结 1.双联式 (越野车转向驱动桥） 2.凸块式（中重型汽车转向驱动桥） 3.三销轴式（中重型越野车转向驱动桥） 4．球面滚轮式万向节 凸块式和三销式都是由双联式演变而来。 十字轴可认为是四销轴，三销轴实际上 是将十字轴中的一个轴去掉后的结构。
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
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
例合适的分度杆6拨动导向盘5，
一、十字轴万向节滚针轴承的轴向定位方式
1.盖板式 （普通盖板、 弹性盖板） 2.卡环式 （外卡、内卡） 3.瓦盖固定式 （类似于轴瓦） 4.塑料环固定式
3、滚针轴承的润滑密封方式
1. 毛毡油封 2. 双刃口油封 3. 多刃口油封
二、准等速万向节 Near Constant Velocity Universal Joint 1. 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
第四章
万向传动轴设计
第四章
• • • • • • 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节
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 传动轴结构分析与设计 传动轴结构分析与设计 中间支承结构分析与设计
万向传动系统
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，应用有：
一、单十字轴万向节传动 • 主动叉在水平位置，并且十字轴平面与从动轴垂 直时的情况 。当主、从动叉转到所述位置时，从 动轴转速小于主动轴转速。
此时主动叉与十字 轴连接点a的线速度va 在平行于从动叉的平面 内，并且垂直于主动轴。 va> va’，而va’=vb。 因此，va> vb，即当 主、从动叉转到所述位 置时，从动轴转速小于 主动轴转速。
一、单十字轴万向节传动
图表示两轴转角差1 2 随主动轴转角1 的变化关系。必须注意的 是，所谓的“传动的不等速性”，是指从动轴在一周中角速度不均而言。 而主、从动轴的平均转速是相等的，即主动轴转过一周从动轴也转过一 周。 两轴交角 越大，转角差 1 2 越大，即万向节转动的不等速性 越严重。 单万向节转动的不等速 性，将使从动轴及与其 相连的传动部件产生扭 转振动，从而产生附加 的交变载荷，影响部件 寿命。
第一节 概述
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。
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。
高
第二节 万向节结构方案分析
一、结构方案分析
形式 十字轴 双联式万 万向节 向节 向节 特点 结构 简单 复杂 简单 少，形 多，形 零件 少 多 状复 状复杂 杂 夹角 小
①
准等速万向节 凸块 式万 三销轴 式万向 圆弧槽式 节 复杂 简单
等速万向节 球叉式万向节 球笼式万向节 Birfield 型 简单，紧凑 多 少，形状复杂 形状复 杂 大 形状简 单
①
准等速万向节 凸块 式万 三销轴 式万向 圆弧槽式 节 复杂 简单
等速万向节 球叉式万向节 球笼式万向节 Birfield 型 简单，紧凑 多 少，形状复杂 形状复 杂 大 形状简 单
直槽式
伸缩型
大
50°~60°
大
≯32° ~33°
50°
低
②
45°
≯20°
42°
高
20°
高
效率
高
（0.97～0.99）
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。
四、挠性万向节 Joint

Flexible Universal


组成： 橡胶件 主、被动轴 弹性变形： 3～5度的小角度 和微轴向位移 吸振、无需润滑
四、挠性万向节 Joint
1螺丝 2橡胶 3中心钢球 4黄油嘴 5传动凸缘
Flexible Universal
6球座 （等速万向接头原理）
第三节 万向传动的运动和受力分析
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。
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°。
一、单十字轴万向节传动
一、单十字轴万向节传动
十字轴式刚性万向节传动的不等速性，单个十 字轴式刚性万向节在输入轴和输出轴之间有夹角的情 况下，其两轴的角速度是不相等的。
• 主动叉在垂直位置，并且十字轴平面与主动 轴垂直的情况
当万向节传动时，十 字轴是绕o点转动的，其上 a、b两点于十字轴平面内 的线速度在数值上应相等， 即vb’=va。因此， vb>va。由此可知，当主、 从动叉转到这位置时，从 动轴的转速大于主动轴的 转速。
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 1 与从动轴的角速度 2 之间存在如下的关系 2 cos 1 1 - sin 2 cos2 1 （4-1） 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。 2 当 1为0、 时， 2 达最大值 2 max 且为1 / cos ；当 1 为 /2、3 /2时， 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 2 min k 2 max sin tan （4-2） 1 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 T22 （功率相等），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。
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
万向传动装置在汽车上的应用：
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。
万向节动画演示
第二节 万向节结构方案分析
一、结构方案分析
形式 十字轴 双联式万 万向节 向节 向节 特点 结构 简单 复杂 简单 少，形 多，形 零件 少 多 状复 状复杂 杂 夹角 小