传动轴的原理

十字轴式万向传动轴的原理及其结构

十字轴式万向传动轴是应用于两相交轴或两平行轴之间的动力或运动的传递装置。由于它结柯简单、运行可靠、使用维护方便而被广泛应用于各类机械传动中。如：交通运输，建筑工程．冶金矿山、轧钢以及军工器械等。其传避的扭矩小至几N ·m ，大到几百kN ·m ，它的结构也从单接头，双接头发展到多根联接的万向传动链。

图1是常见的双接头万向传动轴属于刚性非等速率传椭十字轴式万向传动轴。

使用于不同场台的传动轴，其结构型式和技术性能要求也有所不同。准确、台理地选用和维护传动轴，对保证机槭稳定、可靠地运行以及延长其使用寿命十分重要。

一、传动轴的运动特性

一套完整的传动轴是由不同数量的万向节以不同的联接方式组合而成。

1、单接头万向节的运动特性

图2是单接头万向传动轴的原理图。它由两个分别与主动轴和从动轴相连接的叉头与一个轴承组成，两轴成一定的角度β相交。Β称为输入或输出轴的轴间折角。

由图2可以看到，当主动轴旋转一周时，从动轴也旋转一周，因而它们的旋转周数始终相等，即传动比始终等于1。但是，当我们观察其瞬时传动情况时会发现，由于轴间折角的存在，它的传动比是变化的，即当主动轴以角速度ω1匀速转动时，从动轴由于叉子所处的位置不同而以ω2转动，并且随着叉子角位移φ1的变化而变化：

()[]1

2122sin cos 1/cos ωβϕβω•-=

角速度的差异必然出现二轴转角的差异 ()211cos ϕβϕtg tg -=

图3为单接头万向轴的运动特性描述，从图中我们可以得出如下结论：

图1 双接头万向传动轴

（1）由于轴f可折角的存在(β≠0，其瞬时的传动比发生变化(i≠1），并以输人轴转角的π为周期交替变化，表明输入、输出轴之间为等周数而非等速率传动。

（2）轴间折角越大，瞬时传动比变化也越大，当轴间折角趋于9O°时，传动比趋于零，表明机构将会卡死，

不能传动。

（3）角位移差的存在，表明输入、输出轴之间出现异相，从而产生传动误差，降低了两轴间的传动精度。

（4）从动轴角速度的变化，必产生角加速度，由此系统的附加惯性矩引起冲击和振动，从而影响传动效率，降低机械及传莉轴的使用寿命。

（5）结构上的对称性，可以实现逆向传动。

2、双接头万向节和双联接万向节的运动特性

图4所示是按下列条件组合两个单接头万向节而形成的双接头十字轴式万向传动轴的结构。其组合条件是轴同折角必须相等β1=β2；中间联接轴两端叉头的轴承孔中心必须处在同一平面内；主，从动轴和中间联接轴的轴线必须处在同一平面内。

由图4我们可以看到．双接头万向轴与单接头万向轴在运动特性上的区别：

（1）传动过程中两个万向节的不等速性互补，正好实现主、从动轴之间的等速率传动，即ω1=ω2；

（2）中间联接轴仍然具有不等角速度转动的特点。因而，上述的组合条件称为十字轴式万向传动轴的等速条件。图5是按等速条件组成的双联中心球节十字轴式万向传动轴。

图2 单接头万向节的原理

图3 单接头万向传动轴的运动特性

图4 双接头万向传动轴结构示意图

图5 双联中心球节十字万向轴

二、传动轴的主要参数与确定

1、扭矩

扭矩是表明传动轴传递能力的重要参数，按不同的定义，在设计过程中．可以分为如下几种：

设计扭矩Md：是根据传动轴的十字轴和轴承的承载能力经计算得出的，通常也称样本扭矩。

极限扭矩ML：是传动轴在折角为零的状态下，发生破坏的最大静扭极限。

最大扭矩Mm：是传动轴在不产生永久变形的情况下所能传递的最大扭矩。

疲劳扭矩Mdw：是传动轴在一定的寿命要求下所能承受的持续交变载荷的能力。

它们的关系需符台：ML>Mm>Md>Mdw

在实际应用中，传动轴的实际工作扭矩受多方面因素的影响．如结构性因素(动力机类型、折角大小等)，工况性因素(冲击、振动等)。通常按下列方式来确定传动轴的工作扭矩：M=Mn·K1·K2＜Md

式中：Mn为需要传递的名义扭矩；K1为结构性系数l～5，当动力机为电动机时，寿命要求小于5000h，折角为3°时，K1=1；K2为工况系数，轻微冲击时取K2=1.1～1.5，中等冲击时取1.5～2，重型冲击时取2～3，赶重型冲击时取3～6。

2、传动轴折角

传动轴运行的平稳性取决于传动轴的折角、转动速度和中间联接轴的惯量等因素。在通常情况下，以一定的速度来限定传动轴的折角以确保传动轴的运行较为平稳，保证一定的使用寿命，特性值计算如下：

D=n·β<[D]

式中：n一一传动轴转速．r/min

β一一传动轴折角，[°]

[D]——许用特性值，[°]·r/min

在实际应用中最大的折角控制在≤35°为佳。

特别指出的是对大扭矩、高转速条件下运行的传动轴，其双接头传动轴中输入、输出轴折角的差异应有所限制，一般不得大于1°～1.5°否则，对传动轴的运行和寿命将产生很大影响。

3、传动轴的转速

除了短而刚性大的传动轴以外，对一般具有一定长度而且转速较高的轴，除了考虑其运行的平稳性以外，我们还必须考虑其转速稳定性。事实上，一根轴的转速达到与轴的横向自振角频率相同时，轴的运转出现不平稳、变形和振动，即所谓的临界转速。同时，由于轴存在结构、制造、安装等误差，不可能处于绝对平衡。不平衡外力加速了运转的不稳定，使临界转速趋于下降。

因而，在实际确定轴的转速时，规定轴的最高许用转速不得超过临界转速的80%，在双接头万向传动轴的设计和制造过程中。一方面考虑采用较大直径的薄璧轴管怍为中间联接轴，另一方面，尽量减少轴的不平衡量，以提高其临界转速和减少运动的干扰力。

当转速高于500～1000r/min时，传动轴需要进行动平衡处理。常用的平衡品质等级有G16和G40两种。

4、传动轴长度

传动轴的长度取决于输入、输出装置之间的距离以及折角变动所需的伸辅长度。固而万向轴的实际工作长度是变动的。传动轴的最佳工作长度以取其最大值与最小值之中间值为适宜。

三、传动轴的结构与布置

传动轴的组合和布置根据不同的使用要求可以有多种多样。现只介绍目前常用的双接头万向传动轴的结构及其组合和布置形式。

1、万向轴的结构

图6为常用的双接头万向传动轴的结构系列。

A系列：适用于输入、输出单元之间距离较长，且有伸缩要求（或折角变动）的场合。

B系列：适用于输入、输出单元之间距离较短，但有伸缩要求（或折角变动）的场合。

C系列：适用于输入、输出单元之间距离较短，无伸缩要求（或折角变动）的场合。