第四章 万向节设计

第四节 万向节设计 一 、计算载荷Ts
位置 计算方法 按 Te max , i1 来确定 按驱动轮打 滑来确定 按日常平均 使用转矩来 确定 用于变速器与 驱动桥之间 用于转向驱动桥
k d Te max ki1i f k d Te max ki1i f i 0 Tse1 Tse 2 n 2n
第三节 万向传动的运动和受力分析
一 、单十字轴万向节传动
研究运动学的目的： 求得保证所连接的两轴能够均匀等速运转的条件 是什么？
由机械原理可知： tg1 tg 2 cos （1） 由（1）式得： tg1 2 arctg （2） cos 假设： α=常数 将（2）式对时间求导数，得到角速度ω： d 2 d1 cos 2 2 dt 1 sin cos 1 dt d1 1 ——主动轴角速度 dt
1 与1 2 和 关系如下图所示：
图中表明： 1 2 为负值，即从动轴比主动 1) 1 从0～90 时， 轴转的快； 1 2 为正值，即从动轴比主动 180 时， 90 ～ 2) 1 从 轴转的慢； 3) 主动轴转一周，从动轴有两次比它快，两次比它 慢； 4） 角愈大，在同一个 1 值时，其 1 2 之差也 愈大。
2. 保证所连接的两轴能均匀运转； 3. 由于万向节夹角的存在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，制造维修容易。
二、万向传动轴的组成
万向传动轴由三部分组成
分 类 不等速 刚 性 万 向 节 准等速 万向节 等速 万向节 万向节 定 义 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。 在设计角度下工作时， 以等于 1 的瞬时角速度 比传递运动，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。
结论：
T2 在最大值与最小 当 T1 与 一定时， 值之间每转一转变化两次，其振幅依赖角 不同而变化。 不希望存在上述扭转振动力矩，为了 减少这个附加载荷，要求： 1) 减少 角； 2) 采用挠性万向节；
二、双十字轴万向节传动 若只有一个万向节传动轴，由tg1 tg 2 cos 可知： 1)主动轴等速转动，则从动轴为不等 速转动； 2) 愈大，转动的不等速性愈大。
—— 为主减速器主动齿轮到车轮之间的传动效率； m
G 1——为满载状态下转向驱动桥上的静载荷(N)；
对于轿车，对于货车； Ft ——为日常平均牵引力(N)； i f ——为分动器传动比；
——为汽车最大加速度时的前轴负荷转移系数， m1
k d ——为猛接离合器所产生的动载系数。
应用： 1.静强度计算时，计算载荷 Ts 取 T se1和 T ss1 的最小 值，或取 T se2和 T ss2 的最小值； 2.进行疲劳寿命计算时，计算载荷取或。
二、计算
1.计算传动轴临界转速 传动轴由壁厚1.85～2.50mm左右薄壁钢管，在两端 焊有接头制成。 由于： 1)轴管壁厚不均匀，即材料本身质量分布不均匀，使 质量质心与转动中心不重合； 2)制造误差，如动平衡不好； 3)装配误差 使传动轴质心与转动中心不重合，于是旋转着的传 动轴因质量偏心而产生离心惯性力，它并且是引起传动轴 弯曲振动的干扰力。此干扰力频率与传动轴的转速相同。 当传动轴的工作转速等于它的弯曲振动固有频率时出现共 振，使振幅急剧增加，传动轴有折断危险。此转速称临界 转速nk。
高
（0.97～0.99）
高
继上表
高 效率 （0.97～ 0.99） 寿命 尺寸 对密封 性要求 对润滑 要求 长 小 可靠 长 大 可靠 较短② 较大 可靠 长 大 可靠 短 较小 可靠 较小 可靠 高 低② 高 高
良好
良好
良好
良好
良好
良好 要求 精度 高 可靠
制造
容易
容易
容易
难
难
容 易
工作可 靠性
TSS1
G 2 m 2 rr i 0i m m
TSS2
rr G1m1 2i m m
TSF1
Ft rr i 0 i m m n
TSF 2
Ft rr 2i m m n
其中：
Temax——为发动机最大转矩()； n——为计算驱动桥数； i 1——为变速器一档传动比； ——为发动机到万向传动轴之间的传动效率； k——为液力变矩器变矩系数； G 2——为满载状态下一个驱动桥上的静载荷(N)； 2 m—— 为汽车最大加速度时的后轴负荷转移系数； ——为轮胎与路面间的附着系数； rr——为车轮滚动半径(m)； i 0——为主减速器传动比； im ——为主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比；
三、球笼式万向节设计 1.失效形式
1)工作表面（钢球与接触滚道表面）的疲 劳点蚀； 2)磨损损坏。 2.主要尺寸的确定 1)钢球直径d
Ts d 2.1 102
3
d应符合国家标准 2）其它相关尺寸按P95提供的经验数据确
定
第五节
传动轴结构分析与设计
一、传动轴结构分析 1.滑动叉和花键轴构成滑动花键要求： 车桥下落时两者不脱落 车桥上跳时两者不顶死 2.为减少花键处滑动阻力和磨损要求： 1)对花键齿进行磷化处理或喷涂尼龙层； 2)以滚动摩擦代替滑动摩擦，提高传动效率 （在花键槽中放入滚针、滚柱或滚珠等滚动元件）； 3)涂润滑油，并防尘； 4)应按标记装配，防止破坏动平衡。
4.6F Fn i Z
I ——为滚针列数；

j
Z——为每列中的滚针数。 ～ 3200 MPa 3000
5.材料
表面硬度 HRC 58～64 18～33
材料 十字轴 万向节叉 轴承碗
热处理
20CrMnTi、20Cr、20MnVB 渗碳淬火 40 号或 45 号中碳钢 GCr15 调质处理
（5）
1 为T2 f 。 2
2 T2 达 max ： 当 最小时， 1
T2 max
T1 cos
2 T2 达 min： 当 最大时， 1
T2 min T1 cos
∴从动轴的转矩变化范围如下：
T1 T1 cos T2 cos
2 cos 则 1
2 ∴ 为最小值，则 2 min cos 1 1
将从动轴转动的角速度时快、时慢现象，称 之为运动的不等速性。 用转速不均匀系数K来表示不等速性： 2 max 2 min K 1 1 1 cos 1 cos 1 1 cos cos 1 cos2 cos ∴只要知道 ，就可求得K
挠性万向节 万向节的扭转方向有弹性的万向节。
2.传动轴分类
开 复 单 式 动 式 式 动 闭 式※ 三万向节、两轴传 四万向节、两轴传
※独立悬架不能传递纵向力时，用闭式万向节，万向 节传动轴包在管内，由管传递纵向力到车架或车身 。
第二节 万向节结构方案分析
一、万向节结构方案分析
形式 十字轴 双联式万 万向节 向节 特点 结构 简单 复杂 简单 少，形 零件 少 多 状复 杂 夹角 小
二、十字轴万向节设计
1.损坏形式： 1)十字轴轴颈，滚针轴承磨损； 2)十字轴轴颈，滚针轴承碗表面出现压痕和 剥落； 3)十字轴轴颈根部处折断。
2.抗弯强度：
设各滚针对十字轴轴颈中点作用力为F
Ts 则 F 2r cos
为万向传动的最大夹角。 F S w [ w ] W
d w
sin tg
3.从动轴上力矩M2的变化 忽略摩擦损失后，输入、输出轴上的功应相等： T11 T2 2 T1 2 T2 1 将（3）式代入上式，得：
1 sin 2 cos2 1 T2 T1 cos
1 设 T1 不变，则 T2 T1 2
可靠
可靠
可靠
可靠
不可靠③
继上表
制造成 本 中型越野 中，重型越 应用 普遍 车 野车 型越野 车 轻，中 断开式 驱动桥 架转向驱动桥 上 广泛，独立悬 低 稍高 高 稍高 高
①夹角由4°增至16°，滚针轴承寿命降至原来的25% ②工作面为滑动摩擦∴η低，且易磨损寿命短 ③只有传力钢球与滚道之间有预紧力作用时，才能保证等角速传动。 当磨损↑后，预紧力消失，两球叉可轴向窜动，破坏了传动等速性。
双十字轴万向节如下图所示：
主动轴Ⅰ转过1角，轴Ⅱ转过 2角，则有： tg1 tg 2 cos1 （6） 1 角，则有： 同时轴Ⅲ转过 tg 3 tg 2 cos 2 （7） 用式（7）除以式（6）得： tg1 cos1 tg 3 cos 2 ∴若 1 2 则 1 3 结论： 满足双万向节传动轴等速旋转的条件是： 1) 1 2 ； 2）传动轴上两端叉子应位于同一平面内 。
第四章 万向传动轴设计
• 第一节 概述 • 第二节 万向节结构方案分析 • 第三节 万向传动的运动和受力分析 • 第四节 万向节设计 • 第五节 传动轴结构分析与设计
第四章 万向传动轴设计
第一节 概述
一、万向传动轴应满足的基本要求
1. 所连接的两轴，在一定的轴间夹角变化范围内， 能可靠
地传递动力;
d 2 2 ——从动轴角速度 dt cos ∴ 2 1 1 sin 2 cos2 1
又∵α=常数∴cosα ，sinα皆为常数，则
2 f cos2 1 1
2 ∵cos 1是周期为180°的函数，∴ 也是周期为 1
2
180°的周期函数。
若 1 =常数，则 2 每转一周变化两次。
瓦盖固 定式 多 复杂 大 方便 可靠 复杂 有
塑料环定 位式 少 简单 小 不方便 可靠 简单 很小