汽车设计-第4章 万向节传动轴设计

第二节 万向节结构方案分析
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。 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。
盖板式轴承轴向定位方式的一般结构(图4—1a)是用螺栓1和盖板3将套筒5固定在万向 节叉4上，并用锁片2将螺栓锁紧。它工作可靠、拆装方便，但零件数目较多。有时将弹性盖 板6点焊于轴承座7底部(图4—1b)，装配后，弹性盖板对轴承座底部有一定的预压力，以免 高速转动时由于离心力作用，在十字轴端面与轴承座底之间出现间隙而引起十字轴轴向窜 动，从而避免了由于这种窜动造成的传动轴动平衡状态的破坏。卡环式可分为外卡 式(图 4—1c)和内卡式(图4—1d)两种。它们具有结构简单、工作可靠、零件少和质量小的优点。 瓦盖固定式结构(图4—1e)中的万向节叉与十字轴轴颈配合的圆孔不是一个整 体， 而是分成 两半用螺钉联接起来。这种结构具有拆装方便、使用可靠的优点，但加工工艺较复杂。塑料 环定位结构(图4—1f)是在轴承碗外圆和万向节叉的轴承孔中部开一环形槽，当滚针轴承动
直槽滚道型球叉式万向节(图4—6b)， 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。 圆弧槽型球叉式万向节主要应用于轻、 中型越野车的转向驱动桥中。 直槽型球叉式万向 节主要应用于断开式驱动桥中， 当半轴摆动时， 用它可补偿半轴的长度变化而省去滑动花键。 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。为了不至于在万向节转角接近最大值时，放置传力 钢球的主、 从动叉的交叉槽趋于平行位置导致钢球无法约束而自动散开， 造成万向节装配关 系的破坏， 在设计时应使两叉的最大夹角大于车轮的最大转角， 同时万向节中心应位于转向 主销轴线上。另外，应保证在万向节处于最大转角时，各传力钢球与定心钢球之间不接触， 至少使传力钢球与定心钢球在此情况下的间隙不小于5mm，且使各钢球与万向节轴头均匀地 预紧在一起， 使得在任意方向旋转时能通过万向节的两个传力钢球来传递转矩， 避免靠一个 钢球来传递，从而防止产生过载现象。
3．三销轴式万向节三销轴式万向节 (图4—5)是由双联式万向节演变而来。 它主要由两个偏心轴叉、 两个三销轴和六个滚针 轴承组成。三销轴式万向节允许所连接的两轴最大夹角为45°，易于密封。但其外形尺寸较 大，零件形状较复杂，毛坯需要精确模锻。由于在工作中三销轴间有相对轴向滑动，万向节 的两轴受有附加弯矩和轴向力， 所以主动轴一侧需装轴向推力轴承。 这种结构目前用于个别 中、重型越野车的转向驱动桥。
杂，外形尺寸较大，零件数目较多。当应用于转向驱动桥时，由于双联式万向节轴向尺寸较 大， 为使主销轴线的延长线与地面交点到轮胎的接地印迹中心偏离不大， 就必须用较大的主 销内倾角。
2．凸块式万向节 对于凸块式万向节(图4—4)， 就运动副来看也是一种双联式万向节。 它主要由两个万向 节叉1和4以及两个特殊形状的凸块2和3组成。 两凸块相当于双联万向节装置中两端带有位于 同一平面上的两万向节叉的中间轴及两十字销，因此可以保证输入轴与输出轴近似等速。 这 种结构工作可靠，加工简单，允许的万向节夹角较大(可达50°)。但是由于工作面全为滑动 摩擦，所以效率低，摩擦表面易磨损，且对密封和润滑要求较高。它主要用于中型以上越野 车的转向驱动桥。
配合装入万向节叉到正确位置时， 将塑料经万向节叉上的小孔压注到环槽中， 待万向节叉上 另一与环槽垂直的小孔有塑料溢出时，表明塑料已充满环槽。这种结构轴向定位可靠，十字 轴轴向窜动小，但拆装不方便。为了防止十字轴轴向窜动和发热，保证在任何工况下十字轴 的端隙始终为零，有的结构在十字轴轴端与轴承碗之间加装端面止推滚针或滚柱轴承。 滚针轴承的润滑和密封好坏直接影响着十字轴万向节的使用寿命。毛毡油封由于漏油 多，防尘、防水效果差，在加注润滑油时，在个别滚针轴承中可能出现空气阻塞而造成缺 油，已不能满足越来越高的使用要求。结构较复杂的双刃口复合油封(图4—2a)，其中反装 的单刃口橡胶油封用作径向密封， 另一双刃口橡胶油封用作端面密封。 当向十字轴内腔注入 润滑油时， 陈油、 磨损产物及多余的润滑油便从橡胶油封内圆表面与十字轴轴颈接触处溢出， 不需安装安全阀，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为一轿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。
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—6a)由两个万向节叉、四个传力钢球和一个定心钢 O1和O2到万向节中心O 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， 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。这种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。由于四个钢球在单向传动中只有两个传递动 力，故单位压力较大，磨损较快。另外，这种万向节只有在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。 预紧力用选择不同尺寸级别的传力钢球来保证。 在使用中， 随着磨损的增加，预紧力逐渐减小以至消失，这时两球叉之间便发生轴向窜动，从而破坏了 传动的等速性，严重时会造成钢球脱落。
四、挠性万向节 挠性万向节依靠其中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。 盘式挠性万向节的弹性元件通常是4～12层的橡胶纤维或橡胶帘布片结构，并用金属零 件加固。在挠性万向节装配时，通常使纤维层依次错开，以便于当挠性盘变形时，保证纤维 帘布层承受最小的力。 六角环形橡胶挠性万向节的橡胶与用钢或铝合金制成的金属骨架硫化 在一起。为了使橡胶与金属可靠地结合，在硫化之前，骨架镀一层黄铜覆盖层。使用这种万 向节时， 为了保证高速转动时传动轴总成有良好的动平衡， 常在万向节所连接的两轴端部设 专门机构保证对正中心。图4—8a为具有球面对中机构的环形挠性万向节。这种结构中装有 无需润滑的球形滑动对中轴承， 如能正确选择轴承配合， 可使其内部在装配后具有适当的预 紧力。为使万向节有必要的寿命，总是设法使其轴向位移引起的轴向力、侧向位移引起的侧 向力和万向节工作角引起的力矩尽可能小， 使挠性万向节主要传递工作转矩。 有的结构允许
目前结构较为简单、应用较为广泛的是Birfield型球笼式万向节(图4—7b)。它取消了 分度杆，球形壳和星形套的滚道做得不同心，令其圆心对称地偏离万向节中心。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、 外滚道决定的钢球中心轨迹的夹角稍大于11°， 这是能可靠地确定钢球正确位置的最小 角度。滚道的横断面为椭圆形，接触点和球心的连线与过球心的径向线成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。 由于工作时球的每个方向都有机会传递转矩， 且由于球和球笼的配合是球 形的， 因此对这种万向节的润滑应给予足够的重视。 润滑剂的使用主要取决于传动的转速和 角度。在转速高达1500r／min时，一般使用防锈油脂。若转速和角度都较大时，则使用润滑 油。 比较好的方法是采用油浴和循环油润滑。 另外， 万向节的密封装置应保证润滑剂不漏出， 根据传动角度的大小采取不同形式的密封装置。 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。但是滚道的制造精度高，成本较高。 伸缩型球笼式万向节(图4—7c)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中的滑动花键。 这不仅使结构简单，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°。 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。
二、准等速万向节 1． 双联式万向节 双联式万向节(图4—3)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。五分度杆的双联式万向节，在军用越野车的转向驱动桥中用得 相当广泛。此时采用主销中心偏离万向节中心1．0～3. 5mm的方法，使两万向节的工作转速 接近相等。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
第一节
概述Leabharlann 万向传动轴由万向节和传动轴组成， 有时还加装中间支承。 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。 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。 万向传动轴在汽车上应用比较广泛。 在发动机前置后轮或全轮驱动的汽车上， 由于弹性 悬架的变形， 变速器或分动器输出轴与驱动桥输入轴的轴线相对位置经常变化， 所以普遍采 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，这时多采 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。 万向节按扭转方向是否有明显的弹性， 可分为刚性万向节和挠性万向节。 刚性万向节是 靠零件的铰链式连接传递动力的，可分成不等速万向节(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)。挠性万向节是靠弹性零 件传递动力的，具有缓冲减振作用。 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，但平均角速度比为1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。