各类型万向节结构和工作原理

各类型万向节结构和工作原理
万向节是实现变角度动力传递的机件，
用于需要改变传动轴线方向的位置。

万向节的分类
按万向节在扭转方向上是否有明显的弹性可分为刚性万向节和挠性万向节。

刚性万向节又可分为不等速万向节（常用的为十字轴式）、准等速万向节（如双联式万向节）和等速万向节（如球笼式万向节）三种。

不等速万向节
十字轴式刚性万向节为汽车上广泛使用的不等速万向节，允许相邻两轴的最大交角为15゜～20゜。

图D－C4－2所示的十字轴式万向节由一个十字轴，两个万向节叉和四个滚针轴承等组成。

两万向节叉1和3上的孔分别套在十字轴2的两对轴颈上。

这样当主动轴转动时，从动轴既可随之转动，又可绕十字轴中心在任意方向摆动。

在十字轴轴颈和万向节叉孔间装有滚针轴承5，滚针轴承外圈靠卡环轴向定位。

为了润滑轴承，十字轴上一般安有注油嘴并有油路通向轴颈。

润滑油可从注油嘴注到十字轴轴颈的滚针轴承处。

图D－C4－2 十字轴万向节结构（12-2）
1- 套筒；2-十字轴；3-传动轴叉；4-卡环；5-轴承外圈；6-套筒叉
十字轴式刚性万向节具有结构简单，传动效率高的优点，但在两轴夹角α不为零的情况下，不能传递等角速转动。

设主动叉由图D－C4－1(a)所示初始位置转过φ1角，从动叉相应转过φ2角，由机械原理分析可以得出如下关系式：
tgφ1=tgφ2·cosα
图D－C4－3 十字轴式刚性万向节示意图
以主动叉转角φ1为横坐标，主动叉转角和从动叉转角之差φ1－φ2为纵坐标，可以画出φ1－φ2随φ1变化曲线图（见图D－C4－1(b)，图中画出了α＝10゜，α＝20゜，α＝30゜的情况）。

从这张图可以看出：
图D－C4－4 十字轴刚性万向节不等速特性曲线
如果主动叉匀速转了180゜，那么从动叉就经历了：比主动叉转得快→比主动叉转得慢→又比主动叉转得快这样一个过程。

但总起来讲，当主动叉转过90゜时，从动叉也转过90゜；当主动叉转过180゜时，从动叉也转过180゜。

从这张图还可以看出，万向节两轴夹角α越大，从动叉转角φ2和主动叉转角φ1之差也越大。

这说明，如果主动叉是匀速转动的，那么随着万向节两轴夹角的增大，从动叉转速的不均匀性越大。

单个十字轴万向节传动的不等速性，将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，影响零部件使用寿命。

既然十字轴式万向节可以将匀速转动变为非匀速转动，那么它就有可能将某种非匀速转动还原为匀速转动。

例如在变速器的输出轴和驱动桥的输入轴之间，采用如图D－C4－5(缺）所示的两个十字轴万向节和一根传动轴传动，就有可能实现这种传动。

D－C4－5
设变速器的输出轴由图D－C4－5所示初始位置转过ψ1角，传动轴相应转过ψ2角，驱动桥的输入轴相应转过ψ4角，则有以下关系：
tgψ1=tgψ2·cosα1
tgψ4=tgψ2·cosα2
若有α1＝α2，则有ψ4＝ψ1
也就是当满足以下两个条件时，可以实现由变速器的输出轴1到驱动桥的输入轴4的等角速传动：
（1）传动轴两端万向节叉处于同一平面内；
（2）第一万向节两轴间夹角α1与第二万向节两轴间夹角α2相等。

因为在行驶时，驱动桥要相对于变速器跳动，不可能在任何时候都有α1＝α2，实际上只能做到变速器到驱动桥的近似等速传动。

在以上传动装置中，轴间交角α越大，传动轴的转动越不均匀，产生的附加交变载荷也越大，对机件使用寿命越不利，还会降低传动效率，所以在总体布置上应尽量减小这些轴间交角。

等角速万向节工作原理
在有些场合下，无法布置开两个十字轴式万向节和一根传动轴，这就需要能单独实现等角速传动的万向节。

能实现等角速传动万向节的工作原理基本上分为以下两种：
（1）两个十字轴式万向节和一根传动轴等角速传动原理.
将这种等角速传动机构中的传动轴缩至最短，双联式（以及三销式，凸块式）等角速万向节就属于这一种。

（2）锥齿轮传动原理
两个同样的锥齿轮相互啮合传动（见图D－C4－6）(缺)汽车构造p269 3-69，从动齿轮与主动齿轮的转速必然是相同的。

这样的传动机构从原理上也可以这样描述：当万向节主动轴与从动轴之间传力点一直处于主动轴轴线和从动轴轴线夹角平分线上（或者说传力点距这两轴线的距离相等）时，必然能实现等角速传动。

图D－C4－6 等速万向节的工作原理
1,3-主动叉；2,4-从动叉
图D－C4－5 双万向节等速传动布置图
准等速万向节
常见的准等速万向节有双联式和三销轴式两种，它们的工作原理与上述双十字轴式万向节实现等速传动的原理是一样的。

图D－C4－7为双联式万向节工作原理图，它实际上是一套将传动轴长度减缩至最小的双十字轴式万向节等速传动装置，双联叉3相当于传动轴及两端处在同一平面上的万向节叉。

在D－C4－7所示的双联式万向节的结构实例中，设有保证输入轴与双联叉轴线间夹角α1和双联叉轴线与输出轴间夹角α2近似相等的分度机构。

在万向节叉6的内端有球头，在万向节叉1内端有导向套2。

球碗放于导向套内，被弹簧压向球头。

在两轴交角为0゜时，球头与球碗的中心与两十字轴中心的连线中点重合。

当万向节叉6相对万向节又1摆动时，如果球头与球碗的中心（实际上也输出轴与输入轴的交点）能沿两十字轴中心连线的中垂线移动，就能够满足α1＝α2 的条件，但是球头与球碗的中心（实际上就是
球头的中心）只能绕万向节叉6上的十字轴中心作圆弧运动。

在当输出轴与输入轴的交角较小时，处在圆弧上的两轴轴线交点离上述中垂线很近（D－C4－8），使得α1与α2 的差很小，能使两轴角速度接近相等，所以称双联式万向节为准等速万向节。

1,4-万向节叉；2-十字轴；3-油封；5-弹簧；6-球碗；7-双联叉； 8-球头
图D－C4－7 双联式万向节
1,2-轴；3-双联叉
图D－C4－8 双联式万向节工作原理图
等速万向节
目前轿车上常用的等速万向节为球笼式万向节，也有采用球叉式万向节或自由三枢轴万向节的。

（1）球笼式万向节的结构见图图D－C4－9。

星形套7以内花键与主动轴1相连，其外表面有六条弧形凹槽，形成内滚道。

球形壳8的内表面有相应的六条弧形凹槽，形成外滚道。

六个钢球6分别装在由六组内外滚道所对出的空间里，并被保持架4限定在同一个平面内。

动力由主动轴1（及星形套）经钢球6传到球形壳8输出。

1-主动轴 2,5-钢带箍；3-外罩 4-保持架（球笼）6-钢球；7-星形套（内滚道） 8-球形壳（外滚道） 9-卡环
图D－C4－9球笼式等速万向节
球笼式万向节的等速传动原理见图D－C4－10。

外滚道的中心A与内滚道的中心B分别位于万向节中心O的两边，且与O等距离，即AO=BO。

钢球在内滚道中滚动和钢球在外滚道中滚动时，钢球中心所经过的圆弧半径是一样的，图中钢球中心所处的C点正是这样两个圆弧的交点，所以有AC=BC。

又因为CO为△AOC与△BOC的公共边，所以可以导出
△AOC≌△BOC ，因而∠AOC=∠BOC ，也就是说当主动轴与从动轴处于任一夹角α（当然要在一定范围内）时，C点都处在主动与从动轴线的夹角平分线上。

处在C点的钢球中心到主动轴的距离a和到从动轴的距离b必然是一样的（用类似的方法可以证明其它钢球到两轴的距离也是一样的），从而保证了万向节的等速传动特性。

在图中上下两钢球处，内外滚道所夹的空间都是左宽右窄，钢球很容易向左跑出，为了将钢球定位，设置了保持架。

保持架的内外球面、星形套的外球面和球形壳的内球面均以万向节中心O为球心，并保证六个钢球球心所在的平面（主动轴和从动轴是以此平面为对称面的）经过O点。

当两轴交角变化时，保持架可沿内外球面滑动，这就限定了上下两钢球不能向左跑出。

O-万向节中心；A-外滚道中心；B-内滚道中心；C-钢球中心；a-两轴交角（指钝角）
图D－C4－10 球笼式万向节的等速性
球笼式等速万向节内的六个钢球全部传力，承载能力强，可在两轴最大交角为42゜情况下传递扭矩，其结构紧凑，拆装方便，得到广泛应用。

O-万向节中心；A-保持架（球笼）B-保持架内球面中心
图D－C4－11伸缩型球笼式万向节
图D－C4－12伸缩球笼式等角速万向节工作原理图
（2）自由三枢轴等速万向节
在富康轿车上，驱动轴采用了自由三枢轴等速万向节（见图D－C4－14a）
图D－C4－14a
这种万向节包括三个位于同一平面内互成120度的枢轴12-3（见图D－C4－14b），它们的轴线交于输入轴上一点，并且垂直于驱动轴。

图D－C4－14b
三个外表面为球面的滚子轴承，分别活套在各枢轴上。

一个漏斗形轴5，在其筒形部分加工出三个槽形轨道。

三个槽形轨道在筒形圆周上是均匀分布的，轨道配合面为部分圆柱面，三个滚子轴承分别装入各槽形轨道，可沿轨道滑动。

从以上装配关系可以看出：每个外表面为球面的滚子轴承能使其所在枢轴的轴线与相应槽形轨道的轴线相交。

当输出轴与输入轴交角为0゜时，由于三枢轴的自动定心作用，能自动使两轴轴线重合；当输出轴与输入轴交角不为0゜时，因为球形滚柱可沿枢轴轴线移动，所以它还可以沿各槽形轨道滑动。

这就保证了输入轴与输出轴之间始终可以传递动力，并且是等速传动（注2）。

1-锁定三角架；2-橡胶紧固件；3-保护罩；4-保护罩卡箍；5-漏斗形轴； 6-止推块；7-垫圈；8-外座圈
图D－C4－14 12-3自由三枢轴等速万向节
注2：关于自由三枢轴万向节传动等速性的证明比较复杂，其证明可见北京理工大学出版社出版伍德荣等同志译的“万向节与传动轴“。

挠性万向节
挠性万向节（见图D－C4－15）是由橡胶件将主被动轴叉交错连接而成，依靠橡胶件的弹性变形，能够实现转动轴线的小角度（3゜～5゜）偏转和微小轴向位移，吸收传动系中的冲击载荷和衰减扭转振动，具有结构简单，无需润滑等优点。

1螺丝 2橡胶 3中心钢球4黄油嘴 5传动凸缘 6球座
图D－C4－15 挠性万向节
（等速万向接头原理）。