万向传动轴设计(更新版)

图4-5 十字轴万向节的力偶矩
1 = b) 1 = /2， 1 =3 /2 a) 1 =0，
当主动叉 1 处于 /2和3 /2位置时 （图4-5b），同理可知 T2=0，主 动叉上的附加弯矩T1' =T1tanα。 分析可知，附加弯矩的大小是 在零与上述两最大值之间变化，其 变化周期为 ，即每一转变化两次。 附加弯矩可引起与万向节相连零部 件的弯曲振动，可在万向节主、从 动轴支承上引起周期性变化的径向 载荷，从而激起支承处的振动。因 此，为了控制附加弯矩，应避免两 轴之间的夹角过大。
2.转向驱动轮—等角速万向节；
3.驱动轴为独立悬架，驱动桥两侧，起半轴作用；
4.变速器、离合器与分动器非一体的情况下（越野 车）；
5.转向器；
6.功率输出箱—驱动绞盘之间。
7.远距离操纵变速箱
万向传动装置在汽车上的应用图(1)
万向传动装置在汽车上的应用图(2)
转向驱动桥配独立悬架 中使用的万向节
1 、球笼式等速万向节 组成：星形套 5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 星形套（内 钢球 球形壳（外 球分别装在由六组内 滚道） 滚道） 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）经钢球传到 球形壳8输出。 主动轴 保持架（球笼）
（4-1）
十字轴万向节传动的不等速性可用转速不均匀系数k 来表示
2 max 2 min k sin t an 1
（4-2）
如不计万向节的摩擦损失，主动轴转矩T1和从动轴转 矩T2与各自相应的角速度有关系式： T1 1= T2 2
1 sin 2 cos2 1 T2 T1 cos
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 万向节传动的运动分析和受力分析
第四节 万向节设计 第五节 传动轴结构分析与设计 第六节 中间支承结构分析与设计
第一节
万向传动轴一般是由 万向节、传动轴和中间 支承组成。主要用于在 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。
三销轴式万向节是由双联式万向节演变而来的准等 速万向节。
装合后，可形成Q1 — Q1’， Q2 — Q2’ ，R —R’三根 轴线。
三销轴式万向节最大特
点是允许相邻两轴有较 大的交角，最大可达45。 在转向驱动桥中采用这种万向节，可使汽车获得较小的转弯半径， 提高了汽车的机动性，缺点是所占空间较大。
二、双十字轴万向节传动
当输入轴与输出轴平行 时，直接连接传动轴的 两万向节叉所受的附加 弯矩（彼此平衡），使 传动轴发生如图中双点 划线所示的弹性弯曲， 从而引起传动轴的弯曲 振动。
二、双十字轴万向节传动
当输入轴与输出轴相交 时，传动轴两端万向节 叉上所受的附加弯矩方 向相同，不能彼此平衡， 传动轴发生如图中双点 划线所示的弹性弯曲。
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。
挠性万向节是靠弹性零件传递动力的，具有
缓冲减振作用。
第二节 万向节结构方案分析 1.十字轴万向节
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。 十字轴万向节结构简单，强度高，耐久性好， 传动效率高，生产成本低。但所连接的两轴夹角 不宜过大，当夹角由4°增至16°时，十字轴 万向节滚针轴承寿命约下降至原来的1/4。
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゜。 传动轴叉
十字轴
套筒
套筒叉
卡环
该万向节具有结构简单，传动效率高的优点，但在 轴承外圈（滚针） 两轴夹角α不为零的情况下，不能传递等角速转动。
(十字轴滚针轴承)轴向定位方式（图4-1）：
盖板式
卡环式
瓦盖固定式 塑料环定位式
球笼式等速万向节组成
外罩 球形壳（外滚道） 钢球
主动轴 星形套（内滚道）
保持架（球笼）
球笼式等速万向节装配动画
装星形套（内 装保持架 装外罩 装 装主动轴、 在外罩上 滚道） （球笼） 作剖视图 钢 装钢带箍 卡环 球 装球形壳 （外滚道） 动画结束
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
三、等速万向节的工作原理 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。（相当于一 对大小相等的锥齿轮 传动，空间同速点！ 节圆锥。）
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。
转向驱动桥配非独立悬架 中使用的万向节 汽车转向系中使用 的万向节
万向节分类
万向节按其刚度的大小可分为刚性万向节和挠性 万向节，前者的动力是靠零件的铰链式联接传递 的；而后者的动力则是靠弹性零件传递的，如橡 胶盘、橡胶块等，由于弹性元件的变形量有限， 因而挠性万向节一般用于两轴间夹角不大以及有 微量轴向位移的轴间传动。
第4节 万向节的设计计算
第5节 传动轴结构分析与设计 传动轴总成主要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。 传动轴在工作时，其长度和夹角是在一定范围变化的。 设计时应保证在传动轴长度处在最大值时，花键套与轴 有足够的配合长度；而在长度处在最小时不顶死。 传动轴夹角的大小直接影响到万向节的寿命、万向传动 的效率和十字轴旋转的不均匀性。
（4-3）
当2/ 1最小时，从动轴上的转矩T2为最大。
当2/ 1最大时，从动轴上的转矩T2为最小。
附加弯曲力偶矩的分析（略）
具有夹角 的十字轴万向节，仅在主 动轴驱动转矩和从动轴反转矩的作用下是 不能平衡的。从万向节叉与十字轴之间的 约束关系分析可知，主动叉对十字轴的作 用力偶矩，除主动轴驱动转矩T1之外，还 ' 有作用在主动叉平面的弯曲力偶矩 T。同 1 理，从动叉对十字轴也作用有从动轴反转 ' 矩T2和作用在从动叉平面的弯曲力偶矩T。 2 在这四个力矩作用下，使十字轴万向节得 以平衡。 当主动叉 1 处于0和 时位置时（图4
概述
万向传动轴设计应满足如下基本要求： 1.保证所连接的两根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。 3.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。 4.传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便， 维修容易等。
应用
1.变速器与驱动桥间；
双联式万向节结构示意图（图17—9） 万向节叉 油封 十字轴 万向节叉
球头
弹簧 球碗
双联叉
2、凸块式万向节（4-4）
特点：相当于双联式万向节，工作可靠，加 工简单，允许的夹角较大（50°），工作面为全 滑动摩擦，效率低，易磨损，对密封和润滑要 求高。

应用于越野车转向驱动桥，传递大扭矩。
3、三销轴式准等速万向节
伸缩型球笼式万向节
Rzeppa型球笼式万向节主 结构与一般球笼式相近，仅 仅外滚道为直槽。在传递转 要应用于转向驱动桥中，目前 矩时，星形套与筒形壳可以 应用较少。Birfield型球笼式 沿轴向相对移动，故可省去 万向节和伸缩型球笼式万向节 其它万向传动装置的滑动花 被广泛地应用在具有独立悬架 键。这不仅结构简单，而且 的转向驱动桥中，在靠近转向 由于轴向相对移动是通过钢 球沿内、外滚道滚动实现的， 轮一侧采用Birfield型万向节， 所以与滑动花键相比，其滚 靠近差速器一侧则采用伸缩型 动阻力小，传动效率高。这 球笼式万向节。伸缩型万向节 种万向节允许的工作最大夹 还被广泛地应用到断开式驱动 角为20°。 桥中。
润滑与密封： 双刃口复合油封 多刃口油封
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二、准等速万向节
1、双联式万向节
是由两个十字轴万向节组合 而成。为了保证两万向节连 接的轴工作转速趋于相等， 可设有分度机构。偏心十字 轴双联式万向节取消了分度 机构，也可确保输出轴与输 入轴接近等速。
双联叉
源自文库
双联式万向节的主要优点是允许两轴间的夹角较大（一 般可达50°，偏心十字轴双联式万向节可达60°），轴 承密封性好，效率高，工作可靠，制造方便。缺点是结 构较复杂，外形尺寸较大，零件数目较多。
圆弧槽滚道型
直槽滚道型
圆弧槽滚道型的球叉式万向节由两个万向节叉、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。
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。
直槽滚道型球叉式万向节，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。
2．球笼式万向节 球笼式万向节是目前 应用最为广泛的等速 万向节。Rzeppa 型 球笼式万向节是带分 Rzeppaz型球笼式万向节 度杆的，六个传力钢 1—球形壳 2—钢球 3—星形套 球2由球笼4保持在同 4—球笼 5—导向盘 6—分度杆 一平面内。 当万向节两轴之间的夹角变化时，靠比例合适的分度杆 经验表明，当轴间夹角较小时，分度杆是必要的；当轴 6 间夹角大于 拨动导向盘 11 5，并带动球笼 °时，仅靠球形壳和星形套上的子午滚 4使六个钢球2处于轴间夹 角的平分面上。 道的交叉也可将钢球定在正确位置。这种等速万向节可 在两轴之间的夹角达到35°～37°的情况下工作。
'
T1 必 -5a），由于T1作用在十字轴平面，
为零；而T2的作用平面与十字轴不共平面， 必有 T2'存在，且矢量 T2' 垂直于矢量T2； ' 合矢量 T2+T2指向十字轴平面的法线方向， 与T1大小相等、方向相反。这样，从动叉 上的附加弯矩 T2=T1sinα。
'
'
二、双十字轴万向节传动 当输入轴与输出轴之间 存在夹角α时，单个十 字轴万向节的输出轴相 对于输入轴是不等速旋 转的。为使处于同一平 面的输出轴与输入轴等 速旋转，可采用双万向 节传动，但必须保证同 传动轴相连的两万向节 叉应布置在同一平面内， 且使两万向节夹角α1与 α2相等。
主要用于转向驱动桥，目前应用较少。
Birfield型球笼式万向节
取消了分度杆，球形壳和星形套 的滚道做得不同心，使其圆心对 称地偏离万向节中心。这样，即 使轴间夹角为0°，靠内、外子午 滚道的交叉也能将钢球定在正确 位置。 当轴间夹角为0°时，内、外滚道的横断面为椭圆形， 接触点和球心的连线与过球心的径向线成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。
（4-1）
1为主动叉转角，主动叉所在平面与主从动轴所在 平面之间夹角 由于cos 1是周期为2的周期函数，所以2/1也为 同周期的周期函数。因此，当主动轴以等角速度转动 时，从动轴时快时慢，此即为普通十字轴万向节传动 的不等速性。
2 cos 1 1 sin 2 cos2 1
刚性万向节分为不等速万向节(如常见的十字轴 式)、准等速万向节（双联式、三销轴式）和等速 万向节（球叉式、球笼式等）。
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
当十字轴万向节的主动轴与从动轴存在一定夹角α时， 主动轴的角速度 与从动轴的角速度 2 之间存在如下的 关系
1
2 cos 1 1 sin 2 cos2 1
（4-1）
1为主动叉转角，主动叉所在平面与主从动轴所在 平面之间夹角
2 cos 1 1 sin 2 cos2 1