第四章萬向節(jié)設(shè)計(jì)

1、第四章第四章 萬向傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)萬向傳動(dòng)軸設(shè)計(jì) 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析 第三節(jié) 萬向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析 第四節(jié) 萬向節(jié)設(shè)計(jì) 第五節(jié) 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)第四章 萬向傳動(dòng)軸設(shè)計(jì) 第一節(jié) 概述 一、萬向傳動(dòng)軸應(yīng)滿足的基本要求 1. 所連接的兩軸，在一定的軸間夾角變化范圍內(nèi)， 能可靠地傳遞動(dòng)力; 2. 保證所連接的兩軸能均勻運(yùn)轉(zhuǎn)； 3. 由于萬向節(jié)夾角的存在而產(chǎn)生的附加載荷振動(dòng)和噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi)。 4. 傳動(dòng)效率高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造維修容易。二、萬向傳動(dòng)軸的組成萬向傳動(dòng)軸由三部分組成萬向節(jié)傳動(dòng)軸中間支承分 類 定 義 不等速 萬向節(jié) 萬向節(jié)連接的兩軸夾角大于零時(shí)， 輸出軸

2、和輸入軸之間以變化的瞬時(shí)角速度比傳遞運(yùn)動(dòng)， 但平均角速度比為 1 的萬向節(jié)。 準(zhǔn)等速 萬向節(jié) 在設(shè)計(jì)角度下工作時(shí)， 以等于 1 的瞬時(shí)角速度比傳遞運(yùn)動(dòng)，在其它角度下工作時(shí)，瞬時(shí)角速度比近似等于 1 的萬向節(jié)。 剛性萬向節(jié) 等速 萬向節(jié) 輸出軸和輸入軸以等于 1 的瞬時(shí)角速度比傳遞運(yùn)動(dòng)的萬向節(jié)。 撓性萬向節(jié) 萬向節(jié)的扭轉(zhuǎn)方向有彈性的萬向節(jié)。 三 分類 1. 萬向節(jié)分類2.傳動(dòng)軸分類獨(dú)立懸架不能傳遞縱向力時(shí)，用閉式萬向節(jié)，萬向節(jié)傳動(dòng)軸包在管內(nèi)，由管傳遞縱向力到車架或車身 。開 式 復(fù) 式 單 式 三萬向節(jié)、兩軸傳動(dòng) 四萬向節(jié)、兩軸傳動(dòng) 閉 式 一、萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析第二節(jié) 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析準(zhǔn)等速

3、萬向節(jié) 等速萬向節(jié) 球叉式萬向節(jié) 球籠式萬向節(jié) 形式 特點(diǎn) 十字軸萬向節(jié) 雙聯(lián)式萬向節(jié) 凸塊式萬向節(jié) 三銷軸式萬向節(jié) 圓弧槽式 直槽式 Birfield型 伸縮型 結(jié)構(gòu) 簡單 復(fù)雜 簡單 復(fù)雜 簡單 簡單，緊湊 多 零件 少 多 少，形狀復(fù)雜 多，形狀復(fù)雜 少，形狀復(fù)雜 形狀復(fù)雜 形狀簡單 夾角 小 大 5060 大 50 大 45 3233 20 42 20 效率 高 （0.970.99） 高 低 高 高 效率 高 （0.970.99） 高 低 高 高 壽命 長 長 較短 長 短 尺寸 小 大 較大 大 較小 較小 對(duì)密封性要求 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 對(duì)潤滑要求 良好 良好 良

4、好 良好 良好 良好 制造 容易 容易 容易 難 難 容易 要求精度高 工作可靠性 可靠 可靠 可靠 可靠 不可靠 可靠 繼上表繼上表制造成本 低 稍高 高 稍高 高 應(yīng)用 普遍 中型越野車 中，重型越野車 輕，中型越野車 斷開式驅(qū)動(dòng)橋 廣泛，獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋上 夾角由4增至16，滾針軸承壽命降至原來的25%工作面為滑動(dòng)摩擦低，且易磨損壽命短只有傳力鋼球與滾道之間有預(yù)緊力作用時(shí)，才能保證等角速傳動(dòng)。當(dāng)磨損后，預(yù)緊力消失，兩球叉可軸向竄動(dòng)，破壞了傳動(dòng)等速性。 二、十字軸萬向1.組成 主、從動(dòng)叉十字軸滾針軸承滾針軸承的軸向定位件橡膠密封件 2.滾針軸承的軸向定位方式（圖4-1）蓋板式 卡環(huán)式 定

5、位方式 特點(diǎn) 普通型 彈性 外卡式 內(nèi)卡式 瓦蓋固定式 塑料環(huán)定位式 零件數(shù) 多 少 少 多 少 結(jié)構(gòu) 復(fù)雜 簡單 簡單 復(fù)雜 簡單 質(zhì)量 大 小 小 大 小 拆裝 方便 方便 方便 方便 不方便 工作 可靠 可靠 可靠 可靠 可靠 制造工藝 簡單 簡單 簡單 復(fù)雜 簡單 十字軸軸向竄動(dòng) 有 沒有 很小 很小 有 很小 有軸向竄動(dòng)將使傳動(dòng)軸的動(dòng)平衡狀態(tài)遭受破壞。 3.撓性萬向節(jié)：兩軸之間通過橡膠盤、橡膠金屬套筒、鉸接塊、六角環(huán)形橡膠圈等之一的彈性元件來實(shí)現(xiàn)連接。主要特點(diǎn)有：1)能減少傳動(dòng)系的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)； 2)能減少傳動(dòng)系的動(dòng)載荷； 3)能減少的噪聲； 4)無需潤滑； 5) 結(jié)構(gòu)簡單； 6)適用于

6、軸間夾角不大（35）和有很小的軸向移動(dòng)處。如變速器與分動(dòng)器之間等。第三節(jié) 萬向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析一 、單十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)研究運(yùn)動(dòng)學(xué)的目的：求得保證所連接的兩軸能夠均勻等速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件是什么？由機(jī)械原理可知： （1）由（1）式得： （2） 假設(shè)：=常數(shù)將（2）式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，得到角速度：cos21tgtgcos12tgarctgdtddtd11222cossin1cos11dtd主動(dòng)軸角速度22dtd從動(dòng)軸角速度12212cossin1cos又=常數(shù)cos ，sin皆為常數(shù)，則 1212cosf 是周期為180的函數(shù)， 也是周期為180的周期函數(shù)。 12cos12若 =常數(shù)，則 每轉(zhuǎn)一周變化兩次

7、。 12分析：1.當(dāng) 時(shí) 則 （4） 為最大值，若 常數(shù)，則 360,180,011cos1cos1coscossin1cos21221211max2cos12.當(dāng) 時(shí)則 為最小值，則270,9010cos1cos12121min2cos將從動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度時(shí)快、時(shí)慢現(xiàn)象，稱之為運(yùn)動(dòng)的不等速性。用轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)K來表示不等速性：1min2max2K111coscos1coscos1coscos12tg sin只要知道 ，就可求得K3.從動(dòng)軸上力矩M2的變化 忽略摩擦損失后，輸入、輸出軸上的功應(yīng)相等：2211TT1221TT 將（3）式代入上式，得： coscossin112212TT（5） 設(shè)

8、 不變，則 為 。 1T2112TT212fT當(dāng) 最小時(shí)， 達(dá) ： 122Tmaxcos1max2TT當(dāng) 最大時(shí)， 達(dá) ：122Tmincos1min2 TT從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩變化范圍如下： coscos121TTT結(jié)論：當(dāng) 與 一定時(shí)， 在最大值與最小值之間每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)變化兩次，其振幅依賴角不同而變化。不希望存在上述扭轉(zhuǎn)振動(dòng)力矩，為了減少這個(gè)附加載荷，要求：1) 減少 角；2) 采用撓性萬向節(jié)；1T2T二、雙十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)若只有一個(gè)萬向節(jié)傳動(dòng)軸，由 可知：1)主動(dòng)軸等速轉(zhuǎn)動(dòng)，則從動(dòng)軸為不等速轉(zhuǎn)動(dòng)；2) 愈大，轉(zhuǎn)動(dòng)的不等速性愈大。 與 和 關(guān)系如下圖所示：cos21tgtg121圖中表明：1) 從 時(shí)

9、， 為負(fù)值，即從動(dòng)軸比主動(dòng)軸轉(zhuǎn)的快；2) 從 時(shí)， 為正值，即從動(dòng)軸比主動(dòng)軸轉(zhuǎn)的慢；3) 主動(dòng)軸轉(zhuǎn)一周，從動(dòng)軸有兩次比它快，兩次比它慢；4） 角愈大，在同一個(gè) 值時(shí)，其 之差也愈大。 09012119018021121雙十字軸萬向節(jié)如下圖所示： 主動(dòng)軸轉(zhuǎn)過 角，軸轉(zhuǎn)過 角，則有：（6）同時(shí)軸轉(zhuǎn)過 角，則有： （7）用式（7）除以式（6）得：12121cos tgtg1223cos tgtg2131coscostgtg若 21則31結(jié)論：滿足雙萬向節(jié)傳動(dòng)軸等速旋轉(zhuǎn)的條件是：1) ；2）傳動(dòng)軸上兩端叉子應(yīng)位于同一平面內(nèi)。 21第四節(jié) 萬向節(jié)設(shè)計(jì)一 、計(jì)算載荷Ts位置 計(jì)算方法 用于變速器與 驅(qū)動(dòng)橋

10、之間 用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋 按1max,iTe來確定 nikiTkTsef1maxed1 n2iikiTkTse0f1maxed2 按驅(qū)動(dòng)輪打滑來確定 mm0r221SSiirmGT mmr112SSi 2rmGT 按日常平均使用轉(zhuǎn)矩來確定 niirFTmm0rt1SF ni 2rFTmmrt2SF 其中： Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩()；n為計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋數(shù)； 為變速器一檔傳動(dòng)比； 為發(fā)動(dòng)機(jī)到萬向傳動(dòng)軸之間的傳動(dòng)效率；k為液力變矩器變矩系數(shù)； 為滿載狀態(tài)下一個(gè)驅(qū)動(dòng)橋上的靜載荷(N)； 為汽車最大加速度時(shí)的后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)； 為輪胎與路面間的附著系數(shù)； 為車輪滾動(dòng)半徑(m)； 為主減速器傳動(dòng)比； 為主減

11、速器從動(dòng)齒輪到車輪之間的傳動(dòng)比； 為主減速器主動(dòng)齒輪到車輪之間的傳動(dòng)效率；1i2G2mrr0imim 為滿載狀態(tài)下轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋上的靜載荷(N)； 為汽車最大加速度時(shí)的前軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，對(duì)于轎車，對(duì)于貨車； 為日常平均牽引力(N)； 為分動(dòng)器傳動(dòng)比； 為猛接離合器所產(chǎn)生的動(dòng)載系數(shù)。 1G1mtFfidk應(yīng)用：1.靜強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，計(jì)算載荷 取 和 的最小值，或取 和 的最小值；2.進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算時(shí)，計(jì)算載荷取或。 Ts2Tse2Tss1Tse1Tss二、十字軸萬向節(jié)設(shè)計(jì) 1.損壞形式：1)十字軸軸頸，滾針軸承磨損；2)十字軸軸頸，滾針軸承碗表面出現(xiàn)壓痕和剝落；3)十字軸軸頸根部處折斷。2.抗彎強(qiáng)度：

12、 設(shè)各滾針對(duì)十字軸軸頸中點(diǎn)作用力為F則 為萬向傳動(dòng)的最大夾角。cosr2TsFwwWSF324241ddwMPaw3502503.剪切應(yīng)力)dd(F42221式中， =80120 MPa 。4.滾針軸承接觸應(yīng)力 為一個(gè)滾針?biāo)艿淖畲筝d荷(N) I 為滾針列數(shù)； Z為每列中的滾針數(shù)。 bn01jLF)d1d1(272nFZiF6 .4Fn3000jMPa32005.材料 材料 熱處理 表面硬度HRC 十字軸 萬向節(jié)叉 軸承碗 20CrMnTi、20Cr、20MnVB 40 號(hào)或 45 號(hào)中碳鋼 GCr15 滲碳淬火 調(diào)質(zhì)處理 5864 1833 三、球籠式萬向節(jié)設(shè)計(jì) 1.失效形式1)工作表面（鋼

13、球與接觸滾道表面）的疲勞點(diǎn)蝕；2)磨損損壞。 2.主要尺寸的確定1)鋼球直徑dd應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)2）其它相關(guān)尺寸按P95提供的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定 32101 . 2Tsd第五節(jié) 傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)一、傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)分析1.滑動(dòng)叉和花鍵軸構(gòu)成滑動(dòng)花鍵要求：車橋下落時(shí)兩者不脫落車橋上跳時(shí)兩者不頂死2.為減少花鍵處滑動(dòng)阻力和磨損要求：1)對(duì)花鍵齒進(jìn)行磷化處理或噴涂尼龍層；2)以滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，提高傳動(dòng)效率（在花鍵槽中放入滾針、滾柱或滾珠等滾動(dòng)元件）；3)涂潤滑油，并防塵；4)應(yīng)按標(biāo)記裝配，防止破壞動(dòng)平衡。二、計(jì)算1.計(jì)算傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速傳動(dòng)軸由壁厚1.852.50mm左右薄壁鋼管，在兩端焊有接頭制成。 由

14、于：1)軸管壁厚不均勻，即材料本身質(zhì)量分布不均勻，使質(zhì)量質(zhì)心與轉(zhuǎn)動(dòng)中心不重合；2)制造誤差，如動(dòng)平衡不好；3)裝配誤差使傳動(dòng)軸質(zhì)心與轉(zhuǎn)動(dòng)中心不重合，于是旋轉(zhuǎn)著的傳動(dòng)軸因質(zhì)量偏心而產(chǎn)生離心慣性力，它并且是引起傳動(dòng)軸彎曲振動(dòng)的干擾力。此干擾力頻率與傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速相同。當(dāng)傳動(dòng)軸的工作轉(zhuǎn)速等于它的彎曲振動(dòng)固有頻率時(shí)出現(xiàn)共振，使振幅急劇增加，傳動(dòng)軸有折斷危險(xiǎn)。此轉(zhuǎn)速稱臨界轉(zhuǎn)速nk。假設(shè)：沿全長傳動(dòng)軸斷面尺寸相同，兩端自由支承梁的最大撓度 ym發(fā)生在Lc/2處 r/min 2c2c2c8kLdD102 . 1n使用時(shí)傳動(dòng)軸可能產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)速若是nmax，則設(shè)計(jì)時(shí)要求滿足下述條件： 0 . 22 . 1maxnnKk分析：1)欲 nk應(yīng)縮短Lc，且效果顯著；2)欲 nk應(yīng)增加Dc，dc經(jīng)驗(yàn)：Lc1.5m時(shí)，應(yīng)斷開，采用中間支承結(jié)構(gòu)。 2.軸管扭轉(zhuǎn)應(yīng)力3.花鍵軸處扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 為花鍵軸的花鍵內(nèi)徑 安全系數(shù)取23c)dD(TsD16c4c4ccc MPac300h3hhdTs16hd4.花鍵軸的擠壓應(yīng)力y常用矩