第5章 万向节与传动轴设计
第五章 万向传动装置
汽车在行使过程中，变速器与驱动桥的相对 位置经常变化，影响动力传动；故传动轴中 设有由滑动叉和花键轴组成的滑动花键连接， 实现传动轴长度的变化，防止了传动轴运动 干涉。
传动轴较长时，一般做成两段。目的是避免 传动轴过长，自振频率降低而产生共振；同 时提高了传动轴的临界转速和工作可靠性。 传动轴上贴有平衡片，以防止传动轴高速旋 转时质量的偏移而导致剧烈振动。
汽车行驶时有 异响
汽车行驶时有异 响且车身抖动
万向传动装置组成
万向节——变角度传动 传动轴（伸缩）——变距离传动 中间支承——远距离传动
万向传动装置在汽车上应用： 1、用于发动机前置后轮驱动汽车 变速器输出轴与驱动桥输入轴不能用刚性连 接，必须采用两个万向节和一个传动轴连接。 长距离加中间支承
2、多轴驱动的越 野车 两轴驱动的越野 车汽车变速器与 分动器间，由于 装配、制造及传 动的误差，它们 间装有万向节和 传动轴。 三轴驱动的越野 车汽车，中、后 桥间有贯通式和 非贯通式传动。 贯通式装有万向 节；非贯通式装 有中间支承。
球笼（保持架）
星形套（内滚道） 钢球
球形壳（外 滚道）
外滚道中心A与内滚道中心B分别位于万向节中心O的两侧， 且到O点的距离相等。球滚动时，同时以A、B为球心滚动， 所以CA=CB，所以，两轴相交任意角度时，传力刚球的中 心都位于角交的平分面上。
承载能力强，结构紧凑，拆装方便，两轴最 大交角为42°
故：主动叉转速大于从动叉转速。
ω1
B
α
oαLeabharlann ω2结论： 单个十字轴万向节在有夹角传动时，若主动轴匀速转动 （ω 1=常数），则从动轴的角速度ω 2将在ω 1/cosα ～ ω 1cosα 之间时快时慢地周期性变化——不等速性。 不等速性是指从动轴在一周中角速度不匀而言的，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α 愈大，转角差愈大，万向节传动的不等速性愈严 重。 不等速性危害：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 现代汽车采用双十字轴万向节串联安装（用传动轴把两个万 向节连接起来）的办法来实现两轴间的等速传动。
传动轴和万向节设计
目录传动轴与十字轴万向节设计1.1结构方案选择 (02)1.2计算传动轴载荷 (03)1.3传动轴强度校核 (04)1.4十字轴万向节设计 (04)1.5传动轴转速校核及安全系数 (07)1.6参考文献 (09)1.传动轴与十字轴万向节设计要求1.1万向传动轴总体概述万向传动轴是汽车传动系的重要组成部件之一。
传动轴选用与设计的合理与否直接影响传动系的传动性能。
选用、设计不当会给传动系增添不必要的和设计未能估算在内的附加负荷，可能导致传动系不能正常运转..。
传动轴是将发动机输出的转知经分动器传递给前驱和后驱的传动机构，转速达3000~7000r/min,振动是传动轴总成设计需考虑的首要问题。
尽管采取涂层技术来减小滑移阻力，但产生的滑移阻力仍为等速万向节的10~40倍，而滑移阻力将产生振动。
为选型设计提供依据，传动轴分为CJ+CJ型、BJ+BJ型（靠花键产生滑移)BJ+DOJ型、BJ+TJ型、BJ+LJ型5种类型。
传动布置型式的选择万向节传动轴是汽车传动系的重要组成部件之一。
传动轴选用与设计布置的合理与否直接影响传动系的传动性能。
选用与布置不当会给传动系增添不必要的和设计未能估算在内的附加动负荷，可能导致传动系不能正常运转和早期损坏。
车辆的万向节传动，主要应用于非同心轴间和工作中相对位置不断改变的两轴之间的动力传递。
装在变速器输出轴与前后驱动桥之间。
变速器的动力输出轴和驱动桥的动力输入轴不在一个平面内。
有的装载机在车桥与车架间装有稳定油缸、铰接式装载机在转向时均会使变速箱与驱动桥之间的相对位置和它们的输出、输出入轴之间的夹角不断发生变化。
这时常采用一根或多根传动轴、两个或多个十字轴万向节的传动[7]。
图2.1为用于汽车变速箱与驱动桥之间的不同万向传动方案。
（a）单轴双万向节式（b）两轴三万向节式图2.1 汽车的万向传动方案[7]1.2 计算传动轴载荷由于发动机前置后驱，根据表4-1，位置采用：用于变速器与驱动桥之间①按发动机最大转矩和一档传动比来确定T se1=k d T emax ki1i fη/nT ss1= G2 m’2φr r/ i0i mηm发动机最大转矩T emax=235.3Nm驱动桥数n=1，发动机到万向传动轴之间的传动效率η=0.85，液力变矩器变矩系数k={(k0 -1）/2}+1=1.6满载状态下一个驱动桥上的静载荷G2=65%m a g=0.65*950*9.8=6051.5N，发动机最大加速度的后轴转移系数m’2=1.2，轮胎与路面间的附着系数φ=0.85，车轮滚动半径r r=0.35主减速器从动齿轮到车轮之间传动比i m=1,主减速器主动齿轮到车轮之间传动效率ηm=η发动机η离合器=0.9*0.85=0.765，因为0.195 m a g/T emax<16,f j>0，所以猛接离合器所产生的动载系数k d=2，主减速比i0=3.98所以：T se1=k d T emax ki1i fη/n=198.315.26.13.2352⨯⨯⨯⨯⨯=7491.952NT ss1= G2 m’2φr r/ i0i mηm=765.0198.335 .085.02.15.6051⨯⨯⨯⨯⨯=709.556N ∵T1=min{ T se1, T ss1} ∴T1= T ss1=709.556N1.3 传动轴强度校核按扭转强度条件τT=T/W T≈9550000Pn0.2D c3(1-(d c/D c)4)≤[τT]式中，τT为扭转切应力，取轴的转速n=4000r/min，轴传递的功率P=65kw，D c=60mm，d c=81mm分别为传动轴的外内直径，根据机械设计表15-3得[τT]为15-25 Mpa∴τT =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⨯4360521602.04000659550000=8.242 Mpa<[τT ] 故传动轴的强度符合要求1.4 十字轴万向节设计万向节类型的选择对万向节类型及其结构进行分析，并结合技术要求选择合适的万向节类型。
黄庄职业高中汽车制造与维修专业汽车底盘精品教案：第五章 万向传动装置
教案课题：第五章万向传动装置项目一概述教学目的：掌握万向传动装置基础知识教学重点：万向传动装置基础知识教学难点：万向传动装置基础知识教学方法：讲练结合类型：新授课时：1教学手段：模型与实物第五章万向传动装置项目一概述一、万向传动装置的组成和功用万向传动装置在汽车上有很多应用，结构也稍有不同，但其功用都是一样的，即在轴线相交且相互位置经常发生变化的两转轴之间传递动力。
如图所示为在汽车中最常见的应用，位于变速器与驱动桥之间的万向传动装置。
由于汽车布置、设计等原因，变速器输出轴和驱动桥输入轴不可能在同一轴线上，并且变速器虽然是安装在车架（车身）上，可以认为位置是不动的，但驱动桥会由于悬架的变形而引起其位置经常发生变化，所以在变速器和驱动桥之间装有万向传动装置正好可以满足这些使用、设计的要求。
1．组成：万向节和传动轴，当传动轴比较长时，还要加中间支承。
2．功用：在轴线相交且相对位置经常变化的两转轴间传递动力。
二、万向传动装置在汽车上的应用场合1．变速器与驱动桥之间2．变速器与分动器之间、分动器与驱动桥之间3．驱动桥与驱动轮之间小结：概述本节作业：练习册对应部分反思课题：项目二万向节项目三传动轴和中间支承教学目的：掌握万向节结构与工作原理理解传动轴和中间支承教学重点：万向节结构与工作原理教学难点：万向节结构与工作原理教学方法：讲练结合类型：新授课时：2教学手段：模型与实物引入：复习上节知识，以故障现象进入本节复习上节知识，以故障现象进入本节项目二万向节在汽车上使用的万向节可以从不同的角度分类。
按其刚度大小，可分为刚性万向节和柔性万向节。
刚性万向节按其速度特性分为不等速万向节（常用的为十字轴式）、准等速万向节（双联式和三销轴式）和等速万向节（包括球叉式和球笼式）。
目前在汽车上应用较多的是十字轴式刚性万向节和等速万向节。
十字轴式刚性万向节主要用于发动机前置后轮驱动的变速器与驱动桥之间，等角速万向节主要用于发动机前置前轮驱动的内、外半轴之间。
第5章 万向节与传动轴设计
3）将传动轴做成空心的（无缝钢管或1.5～3mm厚的 薄钢板卷焊）
35
提高传动轴动平衡的方法
传动轴两端点焊平衡片
❖扭转强度 应保证有足够的扭转强度, 轴管的扭转切应力应满足
c
16 DcT1
( Dc4
d
4 c
)
c
300 MPa
36
37
38
2n
按驱动轮打滑 来确定
按日常平均使 用转矩来确定
TSS1
G2m2 i0imm
rr
TSF1
Ft rr i0immn
TSS2
G1m1 rr 2i m m
TSF 2
Ft rr 2i mm n
静强度计算时, 计算载荷TS取TSe1和TSS1 （或TSe2和TSS2 ）的较小 值；
进行疲劳寿命计算时, 计算载荷TS取TSF1或TSF2。
12
十字轴万向节构造
• 万向节叉 十字轴、套筒、轴承盖
万向节叉
套筒
十字轴
13
速度特性
当叉轴1以等角速度
1旋转，A点的瞬
时线速度可求:
A= 1r=
2rcos
2> 1
当叉轴1转过900后，
B点的瞬时线速度可
求:
B= 1rcos =
2r
2<
1
不等速性
14
不等速性曲线图
15
准等速万向节
2.双联式万向节
0
1
f
d1 r
2 tan
( 25时)
❖通常约为97%～99％
30
三、球笼式万向节设计
Rzeppa型球笼式万向节设计
假定六个传力钢球均匀受载，则钢球的直径 可按下列经验公式确定:
万向节和传动轴设计
万向节和传动轴设计1.引言万向节是一种能够在不同角度传动转矩和旋转动力的机械零件，主要用于在非直线传输轴或传动系统中实现旋转传动。
传动轴则是将功率从原动机传递到负载的一种传动装置。
在机械设计中，万向节和传动轴的设计至关重要，因为它们直接决定了传输系统的力学性能和运动传动的效率。
本文将详细介绍万向节和传动轴的设计原理及其在实际工程中的应用。
2.万向节的设计原理和应用万向节的设计原理基于其能够在多个平面上旋转，如X、Y和Z轴，从而实现非常灵活的角度传输。
万向节通常由两个旋转连接部分组成，具有两个旋转轴。
其中一个旋转轴称为输入轴，另一个旋转轴称为输出轴。
两个旋转轴的交点称为万向节的中心。
通过合理设计万向节的结构，可以实现不同的角度传输和旋转。
万向节广泛应用于汽车工业、航空航天、船舶和机械制造等领域。
在万向节的设计中，需要考虑以下几个方面：1)承受的转矩：根据传动系统的需求，确定万向节需要承受的转矩大小。
这个参数将直接影响到万向节的尺寸和材料选择。
2)角度范围：确定万向节需要实现的角度传输范围。
这个参数将决定万向节的结构设计。
3)装配空间：根据实际的装配空间限制，确定万向节的尺寸和形状。
3.传动轴的设计原理和应用传动轴是将原动机的动力传递到负载的一种传动装置。
传动轴的设计原理基于承受和传递转矩的难度及传输效率的要求。
在传动轴的设计中，需要考虑以下几个方面：1)轴材料的选择：根据传动系统的要求，选择合适的轴材料。
常用的轴材料有铁、钢和铝等。
材料的强度和刚度是选择的重要考虑因素。
2)圆整度和平行度：传动轴的圆整度和平行度对传动的效率和平稳度有很大影响。
在轴的制造过程中，需要保证其圆整度和平行度的要求。
3)轴的结构设计：根据传动系统的要求，确定轴的结构设计。
包括轴的直径、轴的长度、轴的形状等。
传动轴广泛应用于各种机械传动系统中，如汽车变速器、工业机械和机床。
在设计传动轴时，需要综合考虑功率传输、转速、扭矩、材料的选择和轴的结构设计等因素，以满足传动系统的要求。
第五章 万向传动装
安全阀
十字轴
万向节叉
3）十字轴润滑油道
油封 油封挡盘 注油嘴
采用橡胶油封， 采用橡胶油封，当 十字轴内腔油压过 大时， 大时，多余的润滑 油会从橡胶油封内 圆表面与轴颈接触 处溢出。 处溢出。
4）十字轴式刚性万向节
采用滑动万向节叉，可以使连接的两 轴之间有较大的相对运动空间。
5）滚针轴承轴向定位方式： 滚针轴承轴向定位方式：
2）特点：正反转六个钢球全部参加工作，因而磨损 小，寿命长，承载能力强。最大夹角42～47°，灵 活性好。 3）应用：广泛用于转向驱动桥上。 奥迪100型和上 海桑塔纳轿车半 轴外万向节所采 用的碗形球笼式 万向节。
球笼式等速万向节
主动轴 球笼（保持架） 球笼（保持架）
星形套（内滚道） 星形套（内滚道）
变速器
分动器
万向节传Biblioteka 轴3、转向驱动桥中的主减速 器与转向驱动轮之间 转向驱动桥有： 独立悬架一 边有两个万向节；非独立悬 架一边有一个万向节。 4 4、转向盘与转向器之间
§5-2 万向节
保证不在同一轴 线上的两轴之间可靠 地传递动力。 分类： 1、刚性万向节 （1）不等速万向节 （2）准等速万向节 （3）等速万向节 2、挠性万向节
第五章 万向传动装置
§5-1 概述
一、功用： 功用：
在 轴线相交且相对位置及轴间夹角经常 变化的转轴之间传动力。
驱动桥
二、组成： 组成：
万向节 传动轴 中间支承
万向节
中间传动轴 主传动轴 中间支承
万向传动装置工作演示
三、万向传动装置在汽车上的应用： 万向传动装置在汽车上的应用：
1、变速器与驱动桥之间 变速器输出轴与驱动桥输入轴之间的交角、位置不断变化， 必须用万向传动装置连接。 万向传动装置连接。 2、变速器与分动器之间 两轴驱动的越野车汽车变速器与分动器间，由于装配、制 造及传动的误差，它们间装有万向节和传动轴。
传动轴和万向节设计
传动轴和万向节设计一、传动轴的结构传动轴是连接发动机和驱动轴的重要传动部件，其主要结构包括中心轴、连接部件和连接套管。
中心轴是传动轴的主体，其外形通常为圆柱形。
连接部件用于连接中心轴与其他传动部件，常用的连接方式有接合螺母和套筒连接。
连接套管则用于安装传动轴，起到支撑和保护的作用。
二、传动轴的设计要求传动轴作为汽车传动系统的关键零部件，其设计需要满足以下几个主要要求：1.良好的刚度和强度：传动轴在传递发动机动力的同时，还需要承受车辆行驶过程中的各种载荷。
因此，传动轴的设计需要保证足够的刚度和强度，以防止变形和断裂。
2.良好的动平衡性能：传动轴在高速旋转过程中会产生振动和不平衡力，对汽车驾驶稳定性产生不利影响。
因此，传动轴的设计需要考虑动平衡性能，采取相应的平衡措施。
3.重量轻、体积小：随着汽车动力性能和燃油经济性要求的提高，传动轴的质量也要求尽量减小，以减轻整车质量，提高燃油经济性。
4.良好的耐久性和可靠性：传动轴在汽车使用过程中会受到多种因素的影响，如冲击、杂乱加载和腐蚀等。
因此，传动轴的设计需要保证其良好的耐久性和可靠性，减少故障发生的概率。
三、万向节的结构和工作原理万向节用于连接传动轴和车轮之间，是一种能够在不同角度下实现传动的装置。
常见的万向节结构有三个球式和常角度式两种。
其中，三个球式万向节是一种可以实现任意角度传动的结构，由两个内圈、两个外圈和三个转动球组成。
常角度式万向节则适用于需要固定角度传动的场合，常用于前驱汽车。
万向节的工作原理是通过球和轴之间的球座和滚道实现传递动力。
当传动轴转动时，球会在轴上转动，通过球面与内圈、外圈的滚道接触传递动力。
相对于三个球式万向节，常角度式万向节的结构相对简单，其工作原理类似。
四、常见问题及解决方法1.传动轴产生振动：造成传动轴振动的原因有很多，可能是由于不平衡、轴材质问题或连接部件松动等原因。
解决方法可以是进行动平衡修正或更换质量较好的传动轴。
万向节传动轴设计PPT学习教案
2021年4月30日7时45分
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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。
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。
传动轴动画演示
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2021年4月30日7时45分
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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。
图4-1 球叉式万向节
a直)圆槽弧滚槽滚道道型型球叉b)直式槽万滚向道节型（ 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。
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。
传动轴和万向节设计
传动轴和万向节设计一、传动轴设计原理传动轴是将发动机产生的动力传递到车辆的驱动轮上的一个重要部件。
其主要功能是在发动机和驱动轮之间传递扭矩，并且能够适应车辆悬挂系统的运动。
传动轴一般采用圆柱形或者扁平形的结构，其内部有若干根同轴排列的精密钢管。
在正常情况下，传动轴的转速较低，承受的扭矩相对较小，所以设计上一般使用空心结构，以减轻重量，并提高整车的燃油经济性。
在传动轴的设计过程中，需要考虑以下几个方面：1.强度设计：传动轴在传递高扭矩时需要具备足够的弯曲强度和抗扭强度，以防止其发生破坏。
强度设计一般采用有限元分析方法，考虑材料的强度和结构的几何形状，以确保传动轴的可靠性。
2.动平衡设计：传动轴在旋转时会产生一定的离心力，为了避免引起车辆的振动和噪音问题，需要进行动平衡设计。
动平衡主要通过改变传动轴的结构和通过在不平衡部位安装平衡块的方式来实现。
3.转向角度设计：传动轴需要能够适应车辆悬挂系统的运动，所以需要根据车辆的悬挂行程和转向角度来设计传动轴的长度和角度。
过大的转向角度会造成传动轴的变形和断裂，过小的转向角度则会影响车辆的灵活性。
二、万向节设计原理万向节是传动轴和车轮之间连接的关键部件，其主要功能是实现传动轴与驱动轮间的角度传递，并在转向时能够适应轮胎的转向角度。
万向节一般由内球和外球组成，内球有两个半球形的凹槽，外球有两个凸槽，内外球通过一个钢球来连接。
当传动轴发生转动时，内外球可以相对转动，以适应车轮的角度变化。
在万向节的设计中，需要考虑以下几个因素：1.角度传递：万向节需要能够在不同角度下传递扭矩，并且保持稳定的工作状态。
在设计中需要注意内外球的形状和尺寸，以确保扭矩的传递效果和稳定性。
2.脱落力设计：万向节在工作过程中会产生较高的脱落力，为了保证其可靠性，需要进行脱落力分析和设计。
一般采用优化设计或者增加连接脱落力的结构，以确保万向节在承受高负荷时不发生脱落。
3.寿命设计：万向节在工作过程中会产生较大的摩擦和磨损，所以需要进行寿命设计。
工程机械设计课件万向节与传动轴设计-
工程机械设计课件万向节与传动轴设计-万向节与传动轴是工程机械中常见的传动装置，它们在工程机械的操作中起着至关重要的作用。
本文将介绍万向节与传动轴的设计原理和方法。
一、万向节的设计原理和方法万向节是一种用于传递旋转运动的装置，它可以在不同角度和方向上传递动力。
在工程机械中，常见的万向节为CV型万向节，它由外套、内套、球和轴承等组成。
万向节的设计原理主要包括以下几个方面：1.尺寸设计：根据传动装置的输出转矩和转速等数据，确定万向节的尺寸。
尺寸设计要考虑到传动装置的可靠性和使用寿命，确保万向节能够承受工作条件下的载荷。
2.材料选择：万向节的材料选择要考虑到其工作环境和使用条件。
常见的万向节材料有铸铁、铸钢和铝合金等，不同材料的选择会影响到万向节的承载能力和使用寿命。
3.结构设计：万向节的结构设计要考虑到其传递旋转运动的要求。
常见的万向节结构有单球面型和双球面型，根据实际需要选择合适的结构。
在万向节的设计过程中，还需要进行强度计算和寿命评估等工作。
强度计算主要是考虑万向节在工作条件下的受力情况，确保其能够满足强度要求。
寿命评估则是通过分析万向节的工作条件和使用环境，预测其寿命和使用寿命。
二、传动轴的设计原理和方法传动轴是用于传递工程机械的功率和扭矩的装置，它可以连接两个或多个部件，将动力传递给各个部件。
在工程机械中，常见的传动轴有直线轴和弯曲轴等。
传动轴的设计原理主要包括以下几个方面：1.功率计算：根据传动装置的输入功率和输出功率等数据，计算传动轴所需的功率。
功率计算要考虑到传动装置的效率和传动损失等因素，确保传动轴能够满足工作条件下的功率要求。
2.转矩计算：根据传动装置的输出转矩和传动比等数据，计算传动轴所需的转矩。
转矩计算要考虑到传动装置的动力要求和传动比的影响，确保传动轴能够承受工作条件下的转矩。
3.结构设计：传动轴的结构设计要考虑到其受力情况和工作环境。
常见的传动轴结构有圆柱轴和齿轮轴等，根据实际需要选择合适的结构。
万向节传动轴的设计论文
万向节传动轴的设计摘要：采用优化设计方法及可靠性分析方法进行万向传动轴的设计。
针对传动系的传动性能进行传动轴选用与布局设置，以减少附加负荷，通过对两轴之间的夹角的优化和对中间支承刚度的选取以优化结构的布局及减小支承刚度，增加传动轴的传动效率，减小能量的损耗。
基于传动轴的强度及扭转刚度可靠性分析, 以可靠度要求作为约束条件, 建立传动轴的可靠性优化设计模型。
关键词：万向节；传动轴；可靠性分析；优化设计引言万向节传动轴是传动系统的重要组成部分之一。
传动轴选用与设计布置的合理与否直接影响到传动系的传动性能。
选用和布置不当会给传动系增添不必要的和设计未能估算在内的附加动负荷，可能导致传动系不能正常运转和过早的损坏。
因而为使传动系能良好地发挥其应有的性能和正常运转，设计传动轴的布局以研究其性能的影响，是提高传动效率和寿命的研究方向。
1 万向传动轴的介绍万向传动轴主要是由万向节、传动轴和中间支承组成。
其主要用于工作过程中相对位置不断改变的两根轴间传递转矩。
例如万向传动轴在汽车底盘的的应用如图1。
图1 汽车主转动轴而伴随着传动技术的发展，为满足不同工况的需求形成了各种万向节，万向节可以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）；挠性万向节是靠弹性零件传递动力的，具有缓冲减振作用。
目前，十字轴式刚性万向节传动轴在汽车传动系中用得最广泛。
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，采用挠性万向传动轴。
对于万向传动轴设计应满足如下基本要求：1.保证所需要连接的两根轴相对位置在预定的范围内变动时，能够可靠地传递动力距。
2.保证所需要连接两轴尽可能等速运转。
3.由万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声应都应在允许的范围内。
4.尽量达到传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等要求。
万向节
第一节概述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。
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。
第五章 万向节与传动轴
中南大学 杨忠炯
如图5-3（a）所示，设原动轴P1的叉面与纸成垂直，从动轴P2的叉面在 纸面内， P1的角速度恒为1，P2在此位臵时的角速度为1’，两轴的夹角为 当十字轴视为与P2轴一起转动时，A点的速度vA-2为
' v A 2 2 r
当十字轴视为与P1轴一起转动时，A点的速度vA-1为
同理，在任何位臵继续找都可以找到同样的结果。
夹角仅允许用到300，否则中间传动轴的旋转不均 匀度太大， 角应尽量小些。
中南大学 杨忠炯
二、铰接式车架万向节的布臵
对于铰接车架，其中间铰接点O必须布臵在纵向中心 线上，但究竟是靠前轴好一点？还是靠后轴好一点或前后 轴等距离好一点？
到目前为止，这个问题还没有一个定论，在设计时往 往由总体布臵时各机构配臵的具体需要来确定。 不过铰接点如距前后等距离，则转弯时前后轮沿同一 车辙滚动，否则就有内轮差，行驶时注意即可。
中南大学 杨忠炯
中南大学 杨忠炯
2、滚针接触强度
由赫芝-别辽耶夫公式导出
1 1 Q [ j ] j 272 .3 d j dz l ( MPa)
式中 Q – 每一个滚轴承的滚针数； k – 轴承特征系数，此种结构取k=1； dj – 十字轴轴颈直径（mm）； dz – 滚针轴承滚针直径（mm）； l – 滚针有效工作长度（mm）； [j] – 许用接触强度， [j] <=3000～3200 MPa。
中南大学 杨忠炯
双万向节可以连接两平行轴（图5-5（a）），也可连 接两相交轴（图5-5（b））。
注意： 并不说采用了双万向节就解决了瞬时速度比始终等 于1的问题。欲使任何瞬时主动轴与从动轴的角速度始 终相等，还要满足下列两个条件： 1、中间轴C与原动轴P1之间的夹角必须等于中间轴C与 从动轴P2之间的夹角，即1= 2； 2、中间轴C两端的叉面在同一平面内。
工程机械设计课件：万向节与传动轴设计 -
主要內容
萬向傳動軸設計的基本 要求和萬向節的基本結 構形式；
“十字軸”萬向節的運 動和受力分析及其強度 計算；
傳動軸的結構方案與強 度計算。
重點與難點
重點：“十字軸”萬 向節的運動和受力分 析及其強度計算， “球籠式”萬向節的 傳動及設計原則。 難點：“十字軸”萬 向節的運動和受力分 析。
1)当1 0,180,360 时
2 1 1 cos
即2max
1
cos
1
2)当1 90,270时
2 1
cos
即2min
cos 1
➢當主動軸以等角速度轉動時，從動軸時快時慢，這就是十
字軸萬向節傳動的不等速性。
➢用轉速不均勻係數K來表示：
K 2max 2min sin tg 1
α越大，K越大，轉動越不均勻
• 萬向節叉、十字軸、套筒、軸承蓋
萬向節叉
套筒
十字軸
1
速度特性
當叉軸1以等角速度 1旋轉，A點的暫態 線速度可求： A= 1r= 2rcos 2>1
當叉軸1轉過900後， B點的暫態線速度可 求： B= 1rcos = 2r 2< 1
不等速性
1
不等速性曲線圖
1
准等速萬向節
2.雙聯式萬向節
雙聯叉相當於兩個在 同一平面內的萬向節 叉
比传递运动；但在其它角度下工作时，瞬时角
向 万向节
节
速度比近似等于 1 的万向节。
等速 输出轴和输入轴以等于 1 的瞬时角速度比传
万向节 递运动的万向节。
挠性万向节 万向节的扭转方向有弹性的万向节。
1
2 萬向節結構方案分析
1.十字軸萬向節
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7
4.采用独立悬架的汽车差速器之间
8
5.转向驱动车桥的差速器与车轮之间
9
6.转向操纵机构中
10
四、万向节的分类
分 类 不等速 刚 性 万 向 节 准等速 万向节 等速 万向节 挠性万向节 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； 但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。 万向节的扭转方向有弹性的万向节。
T1′、T2 ′呈周期性变化，每转一周变化两次
23
5.附加弯曲力矩的影响
T2′使从动叉轴支承受周期性变化的径向载荷
T2 T1 sin F2 j L2 L2
T1′使主动叉轴支承受周期性变化的径向载荷
F2c T1tg L2 cos
附加弯矩会激起支撑处的振动，使传动轴产生应力、变形， 从而降低传动轴的疲劳强度
不等速性
14
不等速性曲线图
15
准等速万向节
2.双联式万向节
双联叉相当于两个在 同一平面内的万向节 叉 欲使两轴角速度相等， 应保证α1=α2 特点：允许有较大的 轴间夹角，轴承密封 性好、效率高、制造 工艺简单、加工方便、 工作可靠，但外形尺 寸大。多用于越野汽 车。
16
准等速万向节
第五章 万向节与传动轴设计
主要内容
万向传动轴设计的基本 要求和万向节的基本结 构形式；
重点与难点
重点：“十字轴”万 向节的运动和受力分 析及其强度计算， “球笼式”万向节的 传动及设计原则。 难点：“十字轴”万 向节的运动和受力分 析。
“十字轴”万向节的运 动和受力分析及其强度 计算；
传动轴的结构方案与强 度计算。
3.三销轴式万向节
由双联式万向节演变而来 特点：允许相邻两轴间有较大 的夹角，但外形尺寸大，零件 形状复杂，多用于一些越野车 的转向驱动桥。
4.凸块式万向节
特点：工作可靠、加工简单、 允许的万向节夹角较大，但效 率低，多用于中型以上越野车 的转向驱动桥。
17
等速万向节
等速原理
保证万向节在工作过程中的传 力点永远位于两轴交角的平分 面上
5.球叉式万向节
特点：结构简单，在夹角小于 32°-33°的条件下能正常工作， 但磨损较快，多用于轻、中型 越野车的转向驱动桥。
18
等速万向节
6.球笼式万向节
特点：工作可靠、传动效率高、 结构紧凑，但制造精度要求高， 成本高，广泛应用于独立悬架 的转向驱动桥。
19
第三节
1、转速关系
万向传动的运动和受力分析
11
第二节
1.十字轴万向节
万向节结构方案分析
特点：结构简单、传动可靠，效率高，应用较为普遍
12
十字轴万向节构造
• 万向节叉 十字轴、套筒、轴承盖 万向节叉
套筒
十字轴
13
速度特性
当叉轴1以等角速度 1旋转，A点的瞬时 线速度可求： A= 1r= 2rcos 2>1 当叉轴1转过900后， B点的瞬时线速度可 求： B= 1rcos = 2r 2< 1
应避免两轴之间夹角过大
24
二、双十字轴万向节传动
倘若主动轴等速转动，则从动轴不等速转动，且α愈大，转 动的不等速性愈大 对于双万向节传动轴，若要使输入轴和输出轴等速旋转， 需满足以下条件： 传动轴两端的万向节叉位于同一平面内 两万向节夹角相等，即α1= α2
25
附加弯矩引起的变形
两万向节叉所受的附加弯 矩彼此平衡，使传动轴发 生弹性弯曲，从而引起传 动轴的弯曲振动
3)球笼宽度 B1=1.8d 4)星形套滚道底径 D1=2.5d 5)万向节外径 D=4.9d 6)球笼厚度 b=0.185d 7)球笼槽(孔)宽度 b1=d 8)球笼槽(孔)长度 L=(1.33-1.8)d(普通型取下限，长型取上限) 9)滚道中心偏置距 h=0.18d 10)轴颈直径 d′≥1.4d 11)星形套花键外径 D2≥1.55d 12)球形壳外滚道长度 L1=2.4d 13)中心偏移角 δ ≥6°
靠地传递动力
2. 保证所连接的两轴尽可能等速运转 3. 万向节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
4
三、万向节的应用
1.变速器与驱动桥之间
5
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
Байду номын сангаас
6
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）
其中：Lb 为滚针工作长度(mm)， Lb L (0.15 ~ 1.00)d0 L为滚针总长度(mm) Fn为单个滚针所受的最大载荷(N)
Fn 4.6 F iZ
i——滚针列数； Z——每列中的滚针数。
许用接触应力[σj]=3000～3200MPa
29
4、万向节叉的强度计算
危险截面：与十字轴轴孔中心线成45º 的B—B截面处
两万向节叉所受的附加弯 矩方向相同，不能平衡， 传动轴发生弹性弯曲，对 两端十字轴产生大小相等、 方向相反的径向力
26
第四节
一 、计算载荷Ts
位置 计算方法 按
万向节设计计算
用于变速器与 驱动桥之间
用于转向驱动桥
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
Tse1
22
4.附加弯曲力矩 当十字轴万向节具有夹角时，除主动轴驱动转矩T1、从动轴 反转矩T2之外，还有作用在主动叉平面的弯曲力矩T1 ′、从动叉 平面的弯曲力矩T2 ′
1 0、时， T1 0 T2 T1 sin
1 / 2、 3 / 2时， T1 T1tg T2 0
16DcT1 c c 300MPa 4 4 ( Dc d c )
36
37
38
假定六个传力钢球均匀受载，则钢球的直径可按下 列经验公式确定：
d 3
T1 4 2.110
d为钢球直径（mm） T1计算转矩（N.mm） 计算钢球直径应圆整并取最接近国家标准的直径。
31
其他零件尺寸的确定
当钢球的直径d确定后，其中的球笼、星形套等零件及有关结构 尺寸，可按如下关系确定：
1)钢球中心分布圆半径 R=1.71d 2)星形套宽度 B=1.8d
32
3.挠性万向节设计 盘式挠性万向节橡胶盘的拉应力和挤压应力应满足
Tmax L L iRb( R1 R2 d 0 )
j
Tmax j iRbd0
Tmax为万向节静强度计算转矩，i为一个万向节叉上的 螺栓数，R为橡胶盘平均半径，R1、R2为橡胶盘外、内 半径，b为橡胶盘厚度，d0为螺栓孔直径 许用拉应力12-15MPa，许用挤压应力8MPa。
33
第五节
1.传动轴总成
传动轴结构分析与设计
由传动轴及其两端焊接的花键和万向节叉组成。传动轴 中一般设有由滑动叉和花键轴组成的滑动花键，以实现传动 长度的变化。
2.传动轴的结构形式
实心－用于转向驱动桥、断开式驱 动桥、微型车万向传动装置 空心－用于FR传动系的万向传动轴
34
3.传动轴的参数
长度、夹角：长度最大时不脱落；最小时不顶死 夹角影响传动效率、旋转不均匀性、寿命 临界转速：发生共振时的工作转速 共振：质量不均衡引起的离心力使传动轴剧烈振动
弯曲应力
w
F .e w = 50~80MPa W
扭转应力
F .a = 80～160MPa Wt
5、十字轴万向节的传动效率
0 1 f
d1 2 tan ( 25时) r
通常约为97%～99％
30
三、球笼式万向节设计
Rzeppa型球笼式万向节设计
用转速不均匀系数K来表示：
2 max 2 min K sin tg 1
α越大，K越大，转动越不均匀
21
3.从动轴转矩T2 若忽略摩擦损失，则输入、输出轴上的功应相等：
T11 T22
T2 1 sin 2 cos 2 1 cos T1
假设输入轴转矩T1不变，则： 2 T1 当 最小时，T2达到最大，T2 max ; 1 cos 当 2 最大时，T2达到最小，T2 min T1 cos 。 1 当T1与α一定时， T2在最大值与最小值之间变化，且 每转一转变化两次
一 、单十字轴万向节传动
2 cos 由机械原理知识可以得到： 1 1 sin 2 cos 2 1
20
2、不等速性分析（假设主动轴等速转动）
1)当1 0,180,360 时
2 1 1 cos
即2 max 1 1 cos
2)当1 90,270时 2 cos 即 2 min cos 1 1 当主动轴以等角速度转动时，从动轴时快时慢，这就是 十字轴万向节传动的不等速性。
8 临界转速 n k 1.2 10 2 2 Dc dc
L2c
提高临界转速的办法： 1）缩短传动轴长度； 2）总长度不变的情况下，将传动轴分成几段； 3）将传动轴做成空心的（无缝钢管或1.5～3mm厚的薄 钢板卷焊）
35
提高传动轴动平衡的方法
传动轴两端点焊平衡片
扭转强度 应保证有足够的扭转强度，轴管的扭转切应力应满足
1
第五章 万向节与传动轴设计
第一节
概述
第二节
第三节
万向节结构方案分析