汽車設(shè)計-4 .第四章萬向傳動軸

第四章

萬向傳動軸設(shè)計第四章萬向傳動軸設(shè)計

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)萬向傳動的運動和受力分析

第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計計算

第五節(jié)傳動軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

第六節(jié)中間支承結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計第一節(jié)概述

在汽車傳動系統(tǒng)中，變速箱的輸出軸線與驅(qū)動橋的動力輸入軸往往不在一條直線上，這時就需要折線傳力。第一節(jié)概述

萬向傳動軸一般是由萬向節(jié)、傳動軸（軸管）及其伸縮花鍵和中間支承組成。主要用于在工作過程中相對位置不斷改變的兩根軸間傳遞轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運動。萬向傳動軸設(shè)計應(yīng)滿足如下基本要求：

1、保證所連接的兩軸夾角和相對位置在預(yù)計范圍內(nèi)變動時，能可靠而穩(wěn)定地傳遞動力。

2、保證所連接兩軸盡可能等速運轉(zhuǎn)。3、由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動和噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi)，在使用車速范圍內(nèi)不出現(xiàn)共振現(xiàn)象。4、傳動效率高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易等。

變速器或分動器輸出軸與驅(qū)動橋輸入軸之間普遍采用十字軸萬向傳動軸。在轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，多采用等速萬向傳動軸。當(dāng)后驅(qū)動橋為獨立的彈性，采用萬向傳動軸。第一節(jié)概述萬向節(jié)的應(yīng)用(a）變速器與驅(qū)動橋之間

(b)多軸驅(qū)動的汽車的分動器與驅(qū)動橋之間或驅(qū)動橋與驅(qū)動橋之間

(c)發(fā)動機與變速器之間（由于車架的變形造成軸線間相互位置變化的兩傳動部件）

(d)采用獨立懸架的汽車差速器之間

(e)轉(zhuǎn)向驅(qū)動車橋的差速器與車輪之間

(f)汽車的動力輸出裝置和轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)中貨車萬向傳動變速箱驅(qū)動橋桑塔納前懸架桑塔納萬向傳動萬向節(jié)的分類不等速萬向節(jié)是指萬向節(jié)連接的兩軸夾角大于零時，輸出軸和輸入軸之間以變化的瞬時角速度比傳遞運動的萬向節(jié)。準(zhǔn)等速萬向節(jié)是指在設(shè)計角度下工作時以等于1的瞬時角速度比傳遞運動，而在其它角度下工作時瞬時角速度比近似等于1的萬向節(jié)。輸出軸和輸入軸以等于1的瞬時角速度比傳遞運動的萬向節(jié)，稱之為等速萬向節(jié)。撓性萬向節(jié)是靠彈性零件傳遞動力的，具有緩沖減振作用。一、十字軸萬向節(jié)

典型的十字軸萬向節(jié)主要由主動叉、從動叉、十字軸、滾針軸承及其軸向定位件和橡膠密封件等組成。第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析

軸向定位方式：蓋板式、卡環(huán)式、瓦蓋固定式、塑料環(huán)定位式。一、十字軸式萬向節(jié)2.滾針軸承的軸向定位方式

最普通的蓋板式軸承軸向定位：螺栓1和蓋板3將套筒5固定在萬向節(jié)叉4上，并用鎖片2將螺栓鎖緊。特點：工作可靠、拆裝方便，但零件數(shù)量多。

有時將彈性蓋板6點焊在軸承座7的底部,裝配后,彈性蓋板對軸承座底部有一定的預(yù)壓力,用來防止高速轉(zhuǎn)動時由于離心力作用,在十字軸端面與軸承座底之間出現(xiàn)間隙而引起十字軸軸向竄動,并避免了由于這種竄動所造成的傳動軸動平衡狀態(tài)的破壞。

卡環(huán)式又分為外卡環(huán)(上圖左)和內(nèi)卡環(huán)(上圖右)兩種。特點：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、零件數(shù)量少和質(zhì)量小。

瓦蓋固定式結(jié)構(gòu)中的萬向節(jié)叉與十字軸頸配合的圓孔不是一個整體，而是分成兩半，再用螺釘連接起來。特點：拆裝方便、使用可靠，但加工工藝復(fù)雜。

塑料環(huán)定位結(jié)構(gòu)：在軸承碗外圓和萬向節(jié)叉的軸承中部開一環(huán)形槽，當(dāng)滾針軸承動配合裝入萬向節(jié)叉到正確位置時，將塑料溢出時，表明塑料已充滿環(huán)槽。特點：定位可靠，十字軸軸向竄動小，但拆裝不方便。一、十字軸式萬向節(jié)2.滾針軸承的軸向定位方式比較※有軸向竄動將使傳動軸的動平衡狀態(tài)遭受破壞。

潤滑與密封：雙刃口復(fù)合油封、多刃口油封。

十字軸萬向節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，強度高，耐久性好，傳動效率高，生產(chǎn)成本低。但所連接的兩軸夾角不宜過大，當(dāng)夾角由4°增至16°時，十字軸萬向節(jié)滾針軸承壽命約下降至原來的1/4。

如圖5-3（a）所示，設(shè)原動軸P1的叉面與紙成垂直，從動軸P2的叉面在紙面內(nèi)，P1的角速度恒為1，P2在此位置時的角速度為1’，兩軸的夾角為當(dāng)十字軸視為與P2軸一起轉(zhuǎn)動時，A點的速度vA-2為當(dāng)十字軸視為與P1軸一起轉(zhuǎn)動時，A點的速度vA-1為在此位置A點的瞬時切線速度只能有一個，即

兩軸轉(zhuǎn)過900，P1軸的叉面在紙面內(nèi)而P2軸的叉面又與紙面垂直，如圖5-3（b）所示。設(shè)P2軸此時的角速度為2‘，同理取B點為參考點得vB-1=1r同理因VB-2=2’rcos

VB-2=VB-1得

每轉(zhuǎn)900，P2軸的瞬時角速度2就從2’變成2’’，依此類推，因此兩軸的傳動比其變化情況如右上圖5-4所示。

從圖上我們可以看出，單萬向節(jié)在兩軸夾角越大，角速度2的變化幅度也就越大，因而產(chǎn)生角加速度，產(chǎn)生振動，這不利于機器以均勻的速度運行。解決辦法：采用雙萬向節(jié)。如圖5-5所示。

用傳動軸C與兩個萬向節(jié)將原動軸P1與從動軸P2連接起來，傳動軸C的兩部分用滑鍵（花鍵軸與花鍵套）相連，允許它自動調(diào)節(jié)其長度。

雙萬向節(jié)可以連接兩平行軸（圖5-5（a）），也可連接兩相交軸（圖5-5（b））。注意：

并不說采用了雙萬向節(jié)就解決了瞬時速度比始終等于1的問題。欲使任何瞬時主動軸與從動軸的角速度始終相等，還要滿足下列兩個條件：1、中間軸C與原動軸P1之間的夾角必須等于中間軸C與從動軸P2之間的夾角，即1=2；2、中間軸C兩端的叉面在同一平面內(nèi)。

比萬向節(jié)只有在滿足上述兩條件時，才能得到恒等于1的傳動比。

設(shè)開始時中間軸C上P1端的叉面位于軸P1與C所在的平面內(nèi)，這時C上P2端的叉面亦在此平面內(nèi)，即如圖5-5（a）所示位置。就C軸與P1軸而言c=1cos1就C軸與P2軸而言2=2cos2如果1=2則1=2同理，在任何位置繼續(xù)找都可以找到同樣的結(jié)果。

夾角僅允許用到300，否則中間傳動軸的旋轉(zhuǎn)不均勻度太大，角應(yīng)盡量小些。十字軸潤滑油道油封油封擋盤注油嘴采用橡膠油封，當(dāng)十字軸內(nèi)腔油壓過大時，多余的潤滑油會從橡膠油封內(nèi)圓表面與軸頸接觸處溢出。滾針軸承為了潤滑軸承，十字軸上一般安有注油嘴并有油路通向軸頸。潤滑油可從注油嘴注到十字軸軸頸的滾針軸承處。二、準(zhǔn)等速萬向節(jié)1、雙聯(lián)式萬向節(jié)雙聯(lián)式萬向節(jié)是由兩個十字軸萬向節(jié)組合而成。為了保證兩萬向節(jié)連接的軸工作轉(zhuǎn)速趨于相等，可設(shè)有分度機構(gòu)。偏心十字軸雙聯(lián)式萬向節(jié)取消了分度機構(gòu)，也可確保輸出軸與輸入軸接近等速。第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析

雙聯(lián)式萬向節(jié)的主要優(yōu)點是允許兩軸間的夾角較大（一般可達(dá)50°，偏心十字軸雙聯(lián)式萬向節(jié)可達(dá)60°），軸承密封性好，效率高，工作可靠，制造方便。缺點是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，外形尺寸較大，零件數(shù)目較多。當(dāng)應(yīng)用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋時，由于雙聯(lián)式萬向節(jié)軸向尺寸較大，為使主銷軸線的延長線與地面交點到輪胎的印跡中心偏離不大，就必須使用較大的主銷內(nèi)傾角。用途：多用于軍用越野轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋雙萬向節(jié)等速傳動（雙聯(lián)式萬向節(jié)）兩個在同一平面內(nèi)的萬向節(jié)叉當(dāng)a1=a2

時，軸1和軸2的角速度相等

2.凸塊式萬向節(jié)（P117圖4-4）結(jié)構(gòu)：主要由兩個萬向節(jié)叉以及兩個不同形狀的特殊凸塊組成，兩個凸塊相當(dāng)于雙聯(lián)萬向節(jié)裝置中兩端帶有位于同一平面上的兩萬向節(jié)叉的中間軸及兩十字銷，因此可以保證輸入軸與輸出軸近似等速。特點：相當(dāng)于雙聯(lián)式萬向節(jié)，工作可靠，加工簡單，允許的夾角較大（50°），工作面為全滑動摩擦，效率低，易磨損，對密封和潤滑要求高。用途：多用于中型以上越野車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋。3.三銷軸式萬向節(jié)（圖4-5）

結(jié)構(gòu)：由雙聯(lián)式萬向節(jié)演變而來，主要由兩個偏心軸叉、兩個三銷軸和六個滾針軸承及其密封件等組成。特點：可直接暴露在外面，并不需要加外球殼和密封裝置，萬向節(jié)與轉(zhuǎn)向節(jié)的同心度要求不太嚴(yán)，中心不一致可以由萬向節(jié)內(nèi)三銷的軸向滑動來補充，允許的最大夾角可達(dá)45°，易于密封，外形尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，毛坯需精鍛。用途：個別中、重型越野車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋4、球面滾輪式萬向節(jié)（圖4-6）球面滾輪式萬向節(jié)是應(yīng)用較為廣泛的準(zhǔn)等速萬向節(jié)。裝在萬向節(jié)軸端部的三個銷軸上的球面滾輪，可以沿與萬向節(jié)節(jié)軸相連的圓管并在圓管上開有三個伸縮花鍵作用的軸向槽內(nèi)移動，同時通過三個球面滾輪與軸向槽壁之間傳遞轉(zhuǎn)矩，其結(jié)構(gòu)應(yīng)保證沿圓周等分的三個球面滾輪的軸線始終位于或近似位于萬向節(jié)兩軸夾角的等分面上，這種結(jié)構(gòu)可使兩軸間的工作夾角達(dá)43°，加工也比較容易。三、等速萬向節(jié)1、球叉式萬向節(jié)。球叉式萬向節(jié)按其鋼球滾道形狀不同可分為圓弧槽和直槽兩種形式（1）圓弧槽滾道型圓弧槽滾道型的球叉式萬向節(jié)（圖4-7a）由兩個萬向節(jié)叉、四個傳力鋼球和一個定心鋼球組成。兩球叉上的圓弧槽中心線是以O(shè)1和O2為圓心而半徑相等的圓，O1和O2到萬向節(jié)中心O的距離相等。當(dāng)萬向節(jié)兩軸繞定心鋼球中心O轉(zhuǎn)動任何角度時，傳力鋼球中心始終在滾道中心兩圓的交點上，從而保證輸出軸與輸入軸等速轉(zhuǎn)動。球叉式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)較簡單，可以在夾角不大于32°～33°的條件下正常工作。磨損快，用于輕中型越野車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋；（2）直槽滾道型直槽滾道型球叉式萬向節(jié)（圖4-7b），兩個球叉上的直槽與軸的中心線傾斜相同的角度，彼此對稱。在兩球叉間的槽中裝有四個鋼球。由于兩球叉中的槽所處的位置是對稱的，這便保證了四個鋼球的中心處于兩軸夾角的平分面上。這種萬向節(jié)加工比較容易，允許的軸間夾角不超過20°，在兩叉間允許有一定量的軸間滑動。主要用于斷開式驅(qū)動橋，當(dāng)半軸擺動時，用它可以補償半軸的長度變化而省去滑動花鍵。2．球籠式萬向節(jié)

（1）Rzeppa型球籠式萬向節(jié)球籠式萬向節(jié)是目前應(yīng)用最為廣泛的等速萬向節(jié)。Rzeppa型球籠式萬向節(jié)（圖4-8a）是帶分度桿的，六個傳力鋼球2由球籠4保持在同一平面內(nèi)。當(dāng)萬向節(jié)兩軸之間的夾角變化時，靠比例合適的分度桿6撥動導(dǎo)向盤5，并帶動球籠4使六個鋼球2處于軸間夾角的平分面上。（1）Rzeppa型球籠式萬向節(jié)經(jīng)驗表明，當(dāng)軸間夾角較小時，分度桿是必要的；當(dāng)軸間夾角大于11°時，僅靠球形殼和星形套上的子午滾道的交叉也可將鋼球定在正確位置。這種等速萬向節(jié)可在兩軸之間的夾角達(dá)到35°～37°的情況下工作。以前主要用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋上，目前應(yīng)用較少。(2)Birfield型球籠式萬向節(jié)Birfield型球籠式萬向節(jié)（圖4-8b）取消了分度桿，球形殼和星形套的滾道做得不同心，使其圓心對稱地偏離萬向節(jié)中心。這樣，即使軸間夾角為0°，靠內(nèi)、外子午滾道的交叉也能將鋼球定在正確位置。當(dāng)軸間夾角為0°時，內(nèi)、外滾道的橫斷面為橢圓形，接觸點和球心的連線與過球心的徑向線成45°角，橢圓在接觸點處的曲率半徑選為鋼球半徑的1.03～1.05倍。當(dāng)受載時，鋼球與滾道的接觸點實際上為橢圓形接觸區(qū)。這種萬向節(jié)允許的工作角可達(dá)42°。由于傳遞轉(zhuǎn)矩時六個鋼球均同時參加工作，其承載能力和耐沖擊能力強，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便，應(yīng)用較為廣泛。但是滾道的制造精度高，成本較高。(2)Birfield型球籠式萬向節(jié)圖4-8（b）Birfield型球籠式萬向節(jié)

(3)伸縮型球籠式萬向節(jié)

伸縮型球籠式萬向節(jié)（圖4-8c）結(jié)構(gòu)與一般球籠式相近，僅僅外滾道為直槽。在傳遞轉(zhuǎn)矩時，星形套與筒形殼可以沿軸向相對移動，故可省去其它萬向傳動裝置的滑動花鍵。這不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且由于軸向相對移動是通過鋼球沿內(nèi)、外滾道滾動實現(xiàn)的，所以與滑動花鍵相比，其滾動阻力小，傳動效率高。這種萬向節(jié)允許的工作最大夾角為20°。圖4-8(c)伸縮型球籠式萬向節(jié)

圖4-8(c)伸縮型球籠式萬向節(jié)

Rzeppa型球籠式萬向節(jié)主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，目前應(yīng)用較少。Birfield型球籠式萬向節(jié)和伸縮型球籠式萬向節(jié)被廣泛地應(yīng)用在具有獨立懸架的轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，在靠近轉(zhuǎn)向輪一側(cè)采用Birfield型萬向節(jié)，靠近差速器一側(cè)則采用伸縮型球籠式萬向節(jié)。伸縮型萬向節(jié)還被廣泛地應(yīng)用到斷開式驅(qū)動橋中。四、撓性（柔性）萬向節(jié)

撓性萬向節(jié)依靠其彈性件的彈性變形來保證在相交兩軸間傳動時不發(fā)生機械干涉。彈性件采用橡膠盤、橡膠金屬套筒、鉸接塊、六角形橡膠圈等結(jié)構(gòu)。撓性萬向節(jié)是由橡膠件將主被動軸叉交錯連接而成，依靠橡膠件的彈性變形，因彈性件的彈性變形有限，故柔性萬向節(jié)適用于兩軸間夾角不大(3°～5°)和微量軸向位移的萬向傳動裝置。如有的汽車發(fā)動機與變速器之間、變速器與分動器之間裝有柔性萬向節(jié)，以消除制造安裝誤差和車架變形對傳動的影響。撓性萬向節(jié)吸收傳動系中的沖擊載荷和衰減扭轉(zhuǎn)振動，具有結(jié)構(gòu)簡單，無需潤滑等優(yōu)點。第三節(jié)萬向傳動的運動和受力分析

一、單十字軸萬向節(jié)傳動

當(dāng)十字軸萬向節(jié)的主動軸與從動軸存在一定夾角α?xí)r，主動軸的角速度與從動軸的角速度之間存在如下的關(guān)系

（4-1）由于cos是周期為2的周期函數(shù)，所以也為同周期的周期函數(shù)。當(dāng)為0、時，達(dá)最大值且為；當(dāng)為/2、3/2時，有最小值且為。因此，當(dāng)主動軸以等角速度轉(zhuǎn)動時，從動軸時快時慢，此即為普通十字軸萬向節(jié)傳動的不等速性。十字軸萬向節(jié)傳動的不等速性可用轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)k來表示

（4-2），這樣有

顯然，當(dāng)最小時，從動軸上的轉(zhuǎn)矩為最大；當(dāng)最大時，從動軸上的轉(zhuǎn)矩為最小。T1與一定時，T2在其最大值與最小值之間每一轉(zhuǎn)變化兩次。如不計萬向節(jié)的摩擦損失，主動軸轉(zhuǎn)矩T1和從動軸轉(zhuǎn)矩T2與各自相應(yīng)的角速度有關(guān)系式（4-3）附加彎曲力偶矩的分析

具有夾角的十字軸萬向節(jié)，僅在主動軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和從動軸反轉(zhuǎn)矩的作用下是不能平衡的。從萬向節(jié)叉與十字軸之間的約束關(guān)系分析可知，主動叉對十字軸的作用力偶矩，除主動軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T1之外，還有作用在主動叉平面的彎曲力偶矩。同理，從動叉對十字軸也作用有從動軸反轉(zhuǎn)矩T2和作用在從動叉平面的彎曲力偶矩

。在這四個力矩作用下，使十字軸萬向節(jié)得以平衡。a)=0，=

b)=/2，=3/2

當(dāng)主動叉處于0和時位置時（圖4必存在，且矢量垂直于矢量T2；處于/2和3/2位置時-10a），由于T1作用在十字軸平面，為零；而T2的作用平面與十字軸不共平面，必有合矢量+T2指向十字軸平面的法線方向，與T1大小相等、方向相反。這樣，從動叉上的附加彎矩=T1sinα。當(dāng)主動叉（圖4-10b），同理可知=0，主動叉上的附加彎矩

=T1tanα。

圖4-10十字軸萬向節(jié)的力偶矩

分析可知，附加彎矩的大小是在零與上述兩最大值之間變化，其變化周期為，即每一轉(zhuǎn)變化兩次。

使得從動叉軸支承承受周期性變化的徑向載荷為：為萬向節(jié)中心至從動叉軸支承間的距離。此時，萬向節(jié)也承受與上述力大小相等、方向相反的力。與此方向相反的反作用力矩則由主動叉軸的支承承受。同樣，使主動叉軸支承承受周期性變化的徑向載荷，萬向節(jié)也承受與其大小相等、方向相反的力。在從動軸支承和萬向節(jié)上造成大小相等、方向相反的側(cè)向載荷為：附加彎矩可引起與萬向節(jié)相連接零部件的彎曲振動，在萬向節(jié)主從動軸支承上引起周期性變化的徑向載荷，從而激起支承處的振動，使轉(zhuǎn)動軸產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形從而降低傳動軸的疲勞強度。因此，為了控制附加彎矩，應(yīng)避免兩軸之間的夾角過大。如果十字軸萬向節(jié)的主動叉軸轉(zhuǎn)速不變，則從動叉軸周期地加速、減速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的慣性力矩為：為從動叉軸旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的轉(zhuǎn)動慣量為從動叉軸的角加速度通過對式（4-1）求導(dǎo)得出：可見，當(dāng)輸入軸轉(zhuǎn)速很高，且輸入、輸出軸之間夾角較大時，由于從動叉軸旋轉(zhuǎn)的不均勻加劇所產(chǎn)生的慣性力矩，可能會超過結(jié)構(gòu)許用值，應(yīng)采取有效方法降低此慣性力矩。二、雙十字軸萬向節(jié)傳動

當(dāng)輸入軸與輸出軸之間存在夾角α?xí)r，單個十字軸萬向節(jié)的輸出軸相對于輸入軸是不等速旋轉(zhuǎn)的。為使處于同一平面的輸出軸與輸入軸等速旋轉(zhuǎn)，可采用雙萬向節(jié)傳動，但必須保證同傳動軸相連的兩萬向節(jié)叉應(yīng)布置在同一平面內(nèi)，且使兩萬向節(jié)夾角α1與α2相等（圖4-11）。在雙向萬向節(jié)傳動中，直接與輸入軸和輸出軸相連的萬向節(jié)叉所受的附加彎矩分別由相應(yīng)軸的支承反力平衡。當(dāng)輸入軸與輸出軸平行時（圖4-11a），直接連接傳動軸的兩萬向節(jié)叉所受的附加彎矩，使傳動軸發(fā)生如圖4-11b中雙點劃線所示的彈性彎曲，從而引起傳動軸的彎曲振動。

當(dāng)輸入軸與輸出軸相交時（圖4-11c），傳動軸兩端萬向節(jié)叉上所受的附加彎矩方向相同，不能彼此平衡，傳動軸發(fā)生如圖4-11d中雙點劃線所示的彈性彎曲，因此對兩端的十字軸產(chǎn)生大小相等、方向相反的徑向力。此徑向力作用在滾針軸承碗的底部，并在輸入軸與輸出軸的支承上引起反力。三、多十字軸萬向節(jié)傳動

多萬向節(jié)傳動的從動叉相對主動叉的轉(zhuǎn)角差的計算公式與單萬向節(jié)相似，可寫成

式中，為多萬向節(jié)傳動的當(dāng)量夾角；為主動叉的相位角；為主動軸轉(zhuǎn)角。上式(4—7)表明，多萬向節(jié)傳動輸出軸與輸入軸的運動關(guān)系，如同具有夾角而主動叉具有初相位θ的單萬向節(jié)傳動一樣。假如多萬向節(jié)傳動的各軸軸線均在同一平面，且各傳動軸兩端萬向節(jié)叉平面之間的夾角為0或π／2，則當(dāng)量夾角為：式中，等為各萬向節(jié)的夾角。式中的正負(fù)號這樣確定：當(dāng)?shù)谝蝗f向節(jié)的主動叉處在各軸軸線所在的平面內(nèi)，在其余的萬向節(jié)中，如果其從動叉平面與此平面重合定義為正，與此平面垂直定義為負(fù)。為使多萬向節(jié)傳動的輸出軸與輸入軸等速旋轉(zhuǎn)，應(yīng)使萬向節(jié)傳動輸出軸與輸入軸的轉(zhuǎn)角差會引起動力總成支承和懸架彈性元件的振動，還能引起與輸出軸相連齒輪的沖擊和噪聲及駕駛室內(nèi)的諧振噪聲。因此，在設(shè)計多萬向節(jié)傳動時，總是希望其當(dāng)量夾角盡可能小，一般設(shè)計時應(yīng)使空載和滿載兩種工況下的不大于3°。對多萬向節(jié)傳動輸出軸的角加速度幅值加以限制。對于乘用車，≤350rad/s2

；對于貨車，≤600rad/s2四、準(zhǔn)等速萬向節(jié)傳動

以雙聯(lián)式萬向節(jié)為例分析其運動特性，雙聯(lián)式萬向節(jié)的運動簡圖如圖4-12所示。它具有兩個擺動中心A、B。當(dāng)主動軸偏轉(zhuǎn)角時，其擺動中心A移到，從動軸的擺動中心B移到，擺動中心間的距離保持不變，即，并等于中間架前后萬向節(jié)叉孔間的距離。由圖4-12中的并根據(jù)正弦定理有：將代人式（4-9）中得（4-9）為了實現(xiàn)等角速傳動，應(yīng)使代人式（4-10），可得對于結(jié)構(gòu)已確定的雙聯(lián)式萬向節(jié)，a和b值是確定的，則與只在某一轉(zhuǎn)角下才能相等，因此雙聯(lián)式萬向節(jié)在不同轉(zhuǎn)角下只能實現(xiàn)近似等角速傳動。（4-10）（4-11）五、等速萬向節(jié)傳動（自學(xué)）

對于帶分度桿的型球籠式萬向節(jié)，必須合理地選擇分度桿的結(jié)構(gòu)尺寸（圖4-13），才能實現(xiàn)傳力鋼球位于主、從動軸夾角的平分面上，以滿足等角速傳動的運動學(xué)要求。

第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計計算一、萬向節(jié)傳動軸的計算載荷萬向傳動軸因布置位置不同，計算載荷也不同。計算方法主要有三種。一、計算載荷日常平均牽引力計算載荷應(yīng)用：靜強度計算時，計算載荷TS取TSe1和TSS1（或TSe2和TSS2）較小值進(jìn)行疲勞壽命計算時，計算載荷TS取TSF1或TSF2二、十字軸萬向節(jié)設(shè)計

十字軸萬向節(jié)的損壞形式主要有十字軸軸頸和滾針軸承的磨損，十字軸軸頸和滾針軸承碗工作表面出現(xiàn)壓痕和剝落。一般情況下，當(dāng)磨損或壓痕超過0.15mm時，十字軸萬向節(jié)便應(yīng)報廢。十字軸的主要失效形式是軸頸根部處的斷裂，所以在設(shè)計十字軸萬向節(jié)時，應(yīng)保證十字軸軸頸有足夠的抗彎強度。設(shè)各滾針對十字軸軸頸作用力的合力為F(圖4—14)，則（4-13）

式中，為萬向傳動的計算轉(zhuǎn)矩，；

r為合力F作用線到十字軸中心之間的距離；

α為萬向傳動的最大夾角。

十字軸軸頸根部的彎曲應(yīng)力和切向力應(yīng)滿足

（4-14）（4-15）

為十字軸軸頸直徑（mm）；為十字軸油道孔直徑（mm）；s為合力F作用線到軸頸根部的距離（mm）；為彎曲應(yīng)力的許用值，為250~350MPa;為切應(yīng)力的許用值，為80~120MPa

十字軸滾針軸承中的滾針直徑一般不小于1.6mm,以免壓碎，而且尺寸差別要小，否則會加重載荷在滾針間分配的不均勻性，公差帶控制在0.003mm以內(nèi)。

滾針軸承徑向間隙過大時，承受載荷的滾針數(shù)減少，有出現(xiàn)滾針卡住的可能性；而間隙過小時，有可能出現(xiàn)受熱卡住或因臟物阻滯卡住，合適的間隙為0.009～0.095mm，滾針軸承的周向總間隙以0.08～0.30mm為好。

滾針的長度一般不超過軸頸的長度，使其既有較高的承載能力，又不致因滾針過長發(fā)生歪斜而造成應(yīng)力集中。滾針在軸向的游隙一般不應(yīng)超過0.2～0.4mm。

為滾針直徑(mm)，為滾針工作長度(mm),,L為滾針總長度(mm)，為合力F作用下一個滾針?biāo)艿淖畲筝d荷(N)，由下式確定(4-17)i為滾針列數(shù)，z為每列中的滾針數(shù)十字軸滾針軸承的接觸應(yīng)力為（4-16）

當(dāng)滾針和十字軸軸頸表面硬度在58HRC以上時，許用接觸應(yīng)力為3000～3200MPa。萬向節(jié)叉與十字軸組成連接支承。在力F作用下產(chǎn)生支承反力，與十字軸軸孔中心線成45°的B—B截面處，萬向節(jié)叉承受彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，其彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)滿足（4-18）（4-19）

分別為界面B-B處的抗彎截面系數(shù)和抗扭截面系數(shù)，矩形截面：；橢圓形截面：；h、b分別為矩形截面的高和寬或橢圓形截面的長軸和短軸；k是與h/b有關(guān)的系數(shù)，按表4-3選??；e、a如圖4-14所示；彎曲應(yīng)力的許用值為50~80MPa,扭應(yīng)力的許用值為80~160MPa.

十字軸萬向節(jié)的傳動效率與兩軸的軸間角、十字軸支承結(jié)構(gòu)和材料、加工和裝配精度以潤滑條件等有關(guān)。當(dāng)≤25°時可按下式計算

為十字軸萬向節(jié)傳動效率；f為軸頸與萬向節(jié)叉的摩擦因數(shù)，滑動軸承：f=0.15~0.20,滾針軸f=0.05~0.10。其他符號意義同前。通常情況下，十字軸萬向節(jié)傳動效率約為97％～99％。

十字軸常用材料為20CrMnTi、20Cr、20MnVB等低碳合金鋼，軸頸表面進(jìn)行滲碳淬火處理，滲碳層深度為0.8～1.2mm，表面硬度為58～64HRC，軸頸端面硬度不低于55HRC，芯部硬度為33～48HRC。萬向節(jié)叉一般采用40或45中碳鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為18～33HRC，滾針軸承碗材料一般采用GCrl5。三、球籠式萬向節(jié)設(shè)計

球籠式萬向節(jié)的失效形式主要是鋼球與接觸滾道表面的疲勞點蝕。在特殊情況下，因熱處理不妥、潤滑不良或溫度過高等，也會造成磨損而損壞。由于星形套滾道接觸點的縱向曲率半徑小于外半軸滾道的縱向曲率半徑，所以前者上的接觸橢圓比后者上的要小，即前者的接觸應(yīng)力大于后者。因此，應(yīng)控制鋼球與星形套滾道表面的接觸應(yīng)力，并以此來確定萬向節(jié)的承載能力。不過，由于影響接觸應(yīng)力的因素較多，計算較復(fù)雜，目前還沒有統(tǒng)一的計算方法。

假定球籠式萬向節(jié)在傳遞轉(zhuǎn)矩時六個傳力鋼球均勻受載，則鋼球的直徑可按下式確定（4-21）式中，d為傳力鋼球直徑(mm)；為萬向節(jié)的計算轉(zhuǎn)矩(N·mm)，。計算所得的鋼球直徑應(yīng)圓整并取最接近標(biāo)準(zhǔn)的直徑。鋼球的標(biāo)準(zhǔn)直徑可參考GB7549—87。當(dāng)球籠式萬向節(jié)中鋼球的直徑d確定后，其中的球籠、星形套等零件及有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸可參見圖4—15，并按如下關(guān)系確定：鋼球中心分布圓半徑R=1.71d

星形套寬度B=1.8d

球籠寬度B1=1.8d1、Rzeppa型球籠式萬向節(jié)設(shè)計星形套滾道底徑D1=2.5d萬向節(jié)外徑D=4.9d球籠厚度b=0.185d球籠槽寬度b1=d球籠槽長度L=(1.33～1.80)d(普通型取下限，長型取上限)滾道中心偏移距h=0.18d軸頸直徑d'≥1.4d星形套花鍵外徑D2≥1.55d球形殼外滾道長度L1=2.4d中心偏移角δ≥6°2、Birfield型球籠萬向節(jié)設(shè)計

對于Birfield型球籠萬向節(jié)，以與星形套連接軸的直徑（mm）作為萬向節(jié)的基本尺寸，即

為萬向節(jié)的計算轉(zhuǎn)矩(N.mm)

，；為使用因素，對于無振動的理想傳動取1.0，有輕微振動的取1.2~1.5，有中等振動的取1.7~2.0，振動十分嚴(yán)重的取2.7~3.6

Birfield型球籠萬向節(jié)的其他尺寸可根據(jù)基本尺寸查表4-4確定。球形殼和星形套采用15NiMo制造，并經(jīng)滲碳、淬火、回火處理；選用軸承用鋼球，材料為GCr15。四、撓性萬向節(jié)設(shè)計

盤式撓性萬向節(jié)中橡膠盤的拉應(yīng)力和擠應(yīng)力應(yīng)滿足（4-23）（4-24）

為萬向節(jié)靜強度計算用轉(zhuǎn)矩(N·mm)

，i為一個萬向節(jié)叉上的螺栓數(shù)，R為橡膠盤的平均半徑(mm);R1、R2為橡膠盤的外半徑和內(nèi)半徑，b為橡膠盤的厚度(mm);

d0為螺栓孔的直徑，許用拉應(yīng)力；MPa許用擠壓應(yīng)力MPa第五節(jié)傳動軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計傳動軸總成主要由傳動軸及其兩端焊接的花鍵和萬向節(jié)叉組成。傳動軸中一般設(shè)有由滑動叉和花鍵軸組成的滑動花鍵，以實現(xiàn)傳動長度的變化。

傳動軸在工作時，其長度和夾角是在一定范圍變化的。設(shè)計時應(yīng)保證在傳動軸長度處在最大值時，花鍵套與軸有足夠的配合長度；而在長度處在最小時不頂死。傳動軸夾角的大小直接影響到萬向節(jié)的壽命、萬向傳動的效率和十字軸旋轉(zhuǎn)的不均勻性。式中，Lc為傳動軸長度（mm），即兩萬向節(jié)中心之間的距離；dc和Dc分別為傳動軸軸管的內(nèi)、外徑（mm）。（4-26）

在長度一定時，傳動軸斷面尺寸的選擇應(yīng)保證傳動軸有足夠的強度和足夠高的臨界轉(zhuǎn)速。所謂臨界轉(zhuǎn)速，就是當(dāng)傳動軸的工作轉(zhuǎn)速接近于其彎曲固有振動頻率時，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以致振幅急劇增加而引起傳動軸折斷時的轉(zhuǎn)速。傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速nk

（r/min）為

在設(shè)計傳動軸時，取安全系數(shù)K=nk/nmax=1.2～2.0，K=1.2用于精確動平衡、高精度的伸縮花鍵及萬向節(jié)間隙比較小時，nmax為傳動軸的最高轉(zhuǎn)速（r/min）。（4-5）式中，[]為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，為300Mpa；其余符號同前。

傳動軸軸管斷面尺寸除滿足臨界轉(zhuǎn)速的要求外，還應(yīng)保證有足夠的扭轉(zhuǎn)強度。軸管的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力應(yīng)滿足當(dāng)傳動軸長度超過1.5m時，為了提高nk以及總布置上的考慮，常將傳動軸斷開成兩根或三根，萬向節(jié)用三個或四個，而在中間傳動軸上加設(shè)中間支承。

對于傳動軸上的花鍵軸，通常以底徑計算其扭轉(zhuǎn)切力(MPa)，許用切應(yīng)力一般按安全系數(shù)為2～3確定，即(4-28)

式中，T1為傳動軸的計算轉(zhuǎn)矩（N.mm

）dh花鍵軸的花鍵內(nèi)徑（mm）

。

當(dāng)傳動軸花鍵的齒側(cè)擠壓應(yīng)力(MPa)應(yīng)滿足：

式中，為傳動軸的計算轉(zhuǎn)矩(N·mm)