auto4清华大学汽车底盘设计

s——力作用点到轴颈根部的距离。
弯曲应力应不大于 250～350N/mm2。十字轴轴颈的剪应力
τ = 4⋅F π ⋅ (d12 − d 22 )
（4－17）
应不大于 80～120N/mm2。
滚针轴承的接触应力
σ j = 272 ⋅
( 1 + 1 ) ⋅ Fn d1 d L
式中，d——滚针直径，mm；
界转速为：
nk = 1.2 ×108 ⋅
D2 + d2 L2
（4－20）
式中，nk——临界转速，r/min；
L——传动轴长度（两万向节中心之间的距离），mm；
D，d——传动轴轴管的外径和内径，mm。
从上式可知，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
系式为：
tgϕ1 = tgϕ 2 ⋅ cosα
（4－1）
式中：ϕ1 —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；ϕ2－从动轴（即从动叉）转角；α—主动轴
与从动轴之间的夹角。
4－
5
汽车底盘设计——第四章 万向节和传动轴设计
下面推导关系式（4－1）。参见图 4－2。
4－
6
动时； （2） 保证传动尽可能同步（两轴的转速尽可能一样）； （3） 振动、噪音以及附加载荷（万向节传动引起的）在允许
范围内）； （4） 传动效率高，使用寿命长； （5） 结构简单、制造方便、维修容易。
4—2 万向节传动的运动分析
一．单万向节传动（普通十字轴式万向节）
参见图 4－2。普通十字轴万向节的主动轴与从动轴转角间的关
原因之一。
在设计传动轴时，要使传动轴的最高转速小于 0.7nk。这样一般
4－ 17
汽车底盘设计——第四章 万向节和传动轴设计 就可获得满意的结果。
下面谈谈传动轴总成的平衡问题。在工作过程中传动轴要高速旋 转，如果它不平衡，就会引起振动和噪音。为减少这种振动与噪音， 就要设法改善传动轴的平衡度。采用措施减小十字轴的轴向窜动，缩 短传动轴长度，提高其刚度，提高滑动花键的耐磨性和配合精度都有 助于降低传动轴的不平衡度。在传动轴装车以前一般要经过动平衡调 整（利用专用试验机）。为平衡传动轴，一般往传动轴上的适当位置 点焊平衡片。应等冷却后再进行不平衡度的检验，这样可以消除点焊 时的热影响。
连的两万向节叉上所受到的附加弯矩方向相同，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。这个径 向力作用在滚针轴承上，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（虚线）。
三、多万向节传动 多万向节传动的运动分析，是建立在单万向节运动分析的基础上
的。 下面分析三万向节传动的等速条件。参见图 4－7。
下，转速比ω2/ω1 也是个周期为 180°的周期性函数。如果认为ω1
保持不变，则ω2 每一转变化两次。
下面看看主动轴转矩 T1 和从动轴转矩 T2 之间的关系。如果不计
万向节里的摩擦损失，应该保持功率平衡，即
T1⋅ω1 = T 2 ⋅ω2
（4－3）
所以
T 2 = ω1 = 1− sin2 α ⋅ cos2 ϕ1
最大转矩 Temax、变速器一档 ；（2）满载驱动轮附着系数为 0.8。取
其中的较小者作为 T；
r——合力作用线与十字轴中心之间的距离；
α——万向节的最大夹角。
十字轴轴颈根部的弯曲应力，
σ = 32 ⋅ d1⋅ F ⋅ s π ⋅ (d14 − d 24)
（4－16）
式中，d1——十字轴轴颈直径；
d2——十字轴油道孔直径；
汽车底盘设计——第四章 万向节和传动轴设计
第四章 万向节和传动轴设计
4－1 概述 汽车上的万向节传动，常由万向节和传动轴组成。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。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。
4－
1
汽车底盘设计——第四章 万向节和传动轴设计
汽车底盘设计——第四章 万向节和传动轴设计
tgϕI = tgϕIII ⋅ cosα1⋅ cosα 2
tgϕI = cosα1⋅ cosα 2
tgϕ IV
cosα 3
4-3 万向节设计
（4－13） （4－14）
一、十字轴万向节设计
图 4-8 示出十字轴万向节的典型结构。十字轴轴颈通过滚针轴承
装在万向节叉的孔中，由于滚针轴承不能承受轴向力，所以在结构上
用有另外的力偶矩 Ts－附加弯矩。附加弯矩 （又称为二阶弯矩）
是周期性变化的，可激起与万向节相连机件的弯曲振动。在万向节轴
承上引起周期性变化的径向载荷，从而激起支承处的振动。当万向节
夹角α不太小时，附加弯矩的作用不可忽视。
4－
8
汽车底盘设计——第四章 万向节和传动轴设计
图 4－3 十字轴万向节的力偶矩平衡与附加弯矩
(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，参见图 4－1b。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°。
图 4－1 万向节传动在汽车传动系中的应用
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
T1 ω2
cosα
（4－4）
下面谈谈“十字轴万向节的力偶矩平衡”问题，参见图 4－3。
这是个夹角为α的十字轴万向节，它受到主动轴的转矩 T1。其十字轴
受到 T1 和从动轴的反转矩 T2。可以看出，这两个转矩向量互成一角
度，所以不能使万向节的十字轴达到受力平衡。而在工作时，万向节
的力偶矩是平衡的。因此，除 T1 和 T2 外，万向节十字轴上必然还作
3000～3200N/mm2。
4－4．传动轴设计
传动轴设计的主要内容是选择传动轴长度和断面尺寸。在选择传
动轴长度和断面尺寸时，要着重考虑使传动轴有足够高的临界转速—
—远超过最高工作转速。
假设传动轴为断面均匀一致、两端自由支承的弹性梁（简支弹性
梁），由机械振动理论可知，对应其弯曲振动的第一阶固有频率的临
图 4-4 两种通常采用的双万向节传动方案 下面分析在以上两种布置方案中附加的弯矩的影响。参见图 4－ 5 和图 4－6。
4－ 10
汽车底盘设计——第四章 万向节和传动轴设计
图 4－5 在两种通常采用的双万向节传动方案中附加的弯矩的影 响
图 4－6 在两种通常采用的双万向节传动方案中附加弯矩对传动 轴的作用
汽车底盘设计——第四章 万向节和传动轴设计
图 4－2 普通十字轴万向节运动分析图
设万向节夹角α保持不变，将式（4—1）对时间求导，并且把ϕ2 用ϕ1 表示，则得：
4－
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汽车底盘设计——第四章 万向节和传动轴设计
ω2 =
cosα
ω1 1− sin2 α ⋅ cos2 ϕ1
（4－2）
由于 cos2ϕ1 是周期为 180°的周期性函数，所以在α保持不变的条件
另外，滚针轴承中滚针直径差别要小，否则会加重载荷在滚针间 分配的不均匀性（即直径大的滚针承受较大的分配载荷，容易损坏）， 一般把直径差控制在 0.003mm 以内，而且滚针轴承的径向间隙不能过 大，否则承受载荷的滚针数减少，有出现滚针卡住的可能性；间隙过 小时有时出现受热卡住或因脏物阻滞卡住。合适的间隙为 0.009～ 0.095mm；而滚针轴承的周向总间隙以 0.08～0.3mm 为好。
（4－8）
tgϕI = cosα1 tgϕIV cosα 2 ⋅ cosα3
（4－9）
（2）在图 4－7b 所示方案中，
tgϕI = tgϕII ⋅ cosα1 tgϕII = tgϕIII ⋅ cosα 2 tgϕIV = tgϕIII ⋅ cosα3
（4－10） （4－11） （4－12）
4－ 13
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4
汽车底盘设计——第四章 万向节和传动轴设计 向节和柔性万向节。其中，柔性万向节在扭转方向有明显弹性变形； 刚性万向节无明显变形。刚性万向节可分为：不等速万向节（常用的 是普通十字轴式万向节）；等速万向节（球叉式、球笼式等）；准等速 万向节（双联式、凸块式、三销轴式等）。
对万向节传动的要求： （1） 能可靠传递动力，当两轴的相对位置在预计的范围内变
二．双万向节传动 由一个十字轴万向节输入轴与输出轴转速关系式可以看出，一个
4－
9
汽车底盘设计——第四章 万向节和传动轴设计 十字轴万向节的输出轴相对于输入轴是不等速旋转的（当输入轴与输 出轴之间有一定夹角α时）。为使处于同一个平面内的输出轴与输入轴 等速旋转，在汽车传动系中常采用双万向节传动。图 4-4 示出两种通 常采用的方案。其共同的特点：（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，即α1＝α2。 在这样布置的情况下，可以保证等角速传动，即ϕ1＝ϕ3。
4－ 12ຫໍສະໝຸດ 汽车底盘设计——第四章 万向节和传动轴设计
图 4－7 三万向节传动的等速条件
（1）在图 4－7a 所示方案中，
tgϕI = tgϕII ⋅ cosα1
（4－5）
tgϕIII = tgϕII ⋅ cosα 2
（4－6）
tgϕIV = tgϕIII ⋅ cosα3
（4－7）
tgϕIV = tgϕII ⋅ cosα 2 ⋅ cosα3
4－
2
汽车底盘设计——第四章 万向节和传动轴设计
下谈谈几种万向传动装置的方案： （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），参见图 4－1a。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），参见图 4－1b。 下面介绍一下万向节所连两轴之间的夹角范围：