汽車設(shè)計(jì)-4 .第四章萬向傳動(dòng)軸

第四章

萬向傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)第四章萬向傳動(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)的設(shè)計(jì)計(jì)算

第五節(jié)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

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

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

萬向傳動(dòng)軸一般是由萬向節(jié)、傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)。萬向傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)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(jì)范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，能可靠而穩(wěn)定地傳遞動(dòng)力。

2、保證所連接兩軸盡可能等速運(yùn)轉(zhuǎn)。3、由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動(dòng)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(dòng)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(dòng)器輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋輸入軸之間普遍采用十字軸萬向傳動(dòng)軸。在轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋中，多采用等速萬向傳動(dòng)軸。當(dāng)后驅(qū)動(dòng)橋?yàn)楠?dú)立的彈性，采用萬向傳動(dòng)軸。第一節(jié)概述萬向節(jié)的應(yīng)用(a）變速器與驅(qū)動(dòng)橋之間

(b)多軸驅(qū)動(dòng)的汽車的分動(dòng)器與驅(qū)動(dòng)橋之間或驅(qū)動(dòng)橋與驅(qū)動(dòng)橋之間

(c)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)部件）

(d)采用獨(dú)立懸架的汽車差速器之間

(e)轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)車橋的差速器與車輪之間

(f)汽車的動(dòng)力輸出裝置和轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu)中貨車萬向傳動(dòng)變速箱驅(qū)動(dòng)橋桑塔納前懸架桑塔納萬向傳動(dòng)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(shí)，輸出軸和輸入軸之間以變化的瞬時(shí)角速度比傳遞運(yùn)動(dòng)的萬向節(jié)。準(zhǔn)等速萬向節(jié)是指在設(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)，而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)。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)，稱之為等速萬向節(jié)。撓性萬向節(jié)是靠彈性零件傳遞動(dòng)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(dòng)叉、從動(dòng)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(diǎn)：工作可靠、拆裝方便，但零件數(shù)量多。

有時(shí)將彈性蓋板6點(diǎn)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(dòng)時(shí)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(dòng),并避免了由于這種竄動(dòng)所造成的傳動(dòng)軸動(dòng)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(diǎn)：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(gè)整體，而是分成兩半，再用螺釘連接起來。特點(diǎn)：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(dòng)配合裝入萬向節(jié)叉到正確位置時(shí)，將塑料溢出時(shí)，表明塑料已充滿環(huán)槽。特點(diǎn)：定位可靠，十字軸軸向竄動(dòng)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(dòng)將使傳動(dòng)軸的動(dòng)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(qiáng)度高，耐久性好，傳動(dòng)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(shí)，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(dòng)軸P1的叉面與紙成垂直，從動(dòng)軸P2的叉面在紙面內(nèi)，P1的角速度恒為1，P2在此位置時(shí)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(dòng)時(shí)，A點(diǎn)的速度vA-2為當(dāng)十字軸視為與P1軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，A點(diǎn)的速度vA-1為在此位置A點(diǎn)的瞬時(shí)切線速度只能有一個(gè)，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(shí)的角速度為2‘，同理取B點(diǎn)為參考點(diǎn)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(shí)角速度2就從2’變成2’’，依此類推，因此兩軸的傳動(dòng)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(dòng)，這不利于機(jī)器以均勻的速度運(yùn)行。解決辦法：采用雙萬向節(jié)。如圖5-5所示。

用傳動(dòng)軸C與兩個(gè)萬向節(jié)將原動(dòng)軸P1與從動(dòng)軸P2連接起來，傳動(dòng)軸C的兩部分用滑鍵（花鍵軸與花鍵套）相連，允許它自動(dòng)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(shí)速度比始終等于1的問題。欲使任何瞬時(shí)主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的角速度始終相等，還要滿足下列兩個(gè)條件：1、中間軸C與原動(dòng)軸P1之間的夾角必須等于中間軸C與從動(dòng)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(shí)，才能得到恒等于1的傳動(dòng)比。

設(shè)開始時(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)，多余的潤滑油會(huì)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(gè)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(jī)構(gòu)。偏心十字軸雙聯(lián)式萬向節(jié)取消了分度機(jī)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(diǎn)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(diǎn)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(dòng)橋時(shí)，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(diǎn)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(dòng)橋雙萬向節(jié)等速傳動(dòng)（雙聯(lián)式萬向節(jié)）兩個(gè)在同一平面內(nèi)的萬向節(jié)叉當(dāng)a1=a2

時(shí)，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(gè)萬向節(jié)叉以及兩個(gè)不同形狀的特殊凸塊組成，兩個(gè)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(diǎn)：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(dòng)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(dòng)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(gè)偏心軸叉、兩個(gè)三銷軸和六個(gè)滾針軸承及其密封件等組成。特點(diǎn)：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(dòng)來補(bǔ)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(gè)別中、重型越野車轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)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(gè)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(gè)伸縮花鍵作用的軸向槽內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)通過三個(gè)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(gè)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(gè)萬向節(jié)叉、四個(gè)傳力鋼球和一個(gè)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(dòng)任何角度時(shí)，傳力鋼球中心始終在滾道中心兩圓的交點(diǎn)上，從而保證輸出軸與輸入軸等速轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)橋；（2）直槽滾道型直槽滾道型球叉式萬向節(jié)（圖4-7b），兩個(gè)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(gè)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(gè)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(dòng)。主要用于斷開式驅(qū)動(dòng)橋，當(dāng)半軸擺動(dòng)時(shí)，用它可以補(bǔ)償半軸的長度變化而省去滑動(dòng)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(gè)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(shí)，靠比例合適的分度桿6撥動(dòng)導(dǎo)向盤5，并帶動(dòng)球籠4使六個(gè)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(yàn)表明，當(dāng)軸間夾角較小時(shí)，分度桿是必要的；當(dāng)軸間夾角大于11°時(shí)，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(dòng)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(shí)，內(nèi)、外滾道的橫斷面為橢圓形，接觸點(diǎn)和球心的連線與過球心的徑向線成45°角，橢圓在接觸點(diǎn)處的曲率半徑選為鋼球半徑的1.03～1.05倍。當(dāng)受載時(shí)，鋼球與滾道的接觸點(diǎn)實(shí)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(shí)六個(gè)鋼球均同時(shí)參加工作，其承載能力和耐沖擊能力強(qiáng)，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(shí)，星形套與筒形殼可以沿軸向相對移動(dòng)，故可省去其它萬向傳動(dòng)裝置的滑動(dòng)花鍵。這不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且由于軸向相對移動(dòng)是通過鋼球沿內(nèi)、外滾道滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，所以與滑動(dòng)花鍵相比，其滾動(dòng)阻力小，傳動(dòng)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(dòng)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(dú)立懸架的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)不發(fā)生機(jī)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(dòng)軸叉交錯(cuò)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(dòng)裝置。如有的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器之間、變速器與分動(dòng)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(dòng)的影響。撓性萬向節(jié)吸收傳動(dòng)系中的沖擊載荷和衰減扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡單，無需潤滑等優(yōu)點(diǎn)。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)

當(dāng)十字軸萬向節(jié)的主動(dòng)軸與從動(dòng)軸存在一定夾角α?xí)r，主動(dòng)軸的角速度與從動(dòng)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(shí)，達(dá)最大值且為；當(dāng)為/2、3/2時(shí)，有最小值且為。因此，當(dāng)主動(dòng)軸以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)軸時(shí)快時(shí)慢，此即為普通十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)的不等速性。十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)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(shí)，從動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩為最大；當(dāng)最大時(shí)，從動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩為最小。T1與一定時(shí)，T2在其最大值與最小值之間每一轉(zhuǎn)變化兩次。如不計(jì)萬向節(jié)的摩擦損失，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩T1和從動(dòng)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(dòng)軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和從動(dòng)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(dòng)叉對十字軸的作用力偶矩，除主動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1之外，還有作用在主動(dòng)叉平面的彎曲力偶矩。同理，從動(dòng)叉對十字軸也作用有從動(dòng)軸反轉(zhuǎn)矩T2和作用在從動(dòng)叉平面的彎曲力偶矩

。在這四個(gè)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(dòng)叉處于0和時(shí)位置時(shí)（圖4必存在，且矢量垂直于矢量T2；處于/2和3/2位置時(shí)-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(dòng)叉上的附加彎矩=T1sinα。當(dāng)主動(dòng)叉（圖4-10b），同理可知=0，主動(dòng)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(dòng)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(dòng)叉軸支承間的距離。此時(shí)，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(dòng)叉軸的支承承受。同樣，使主動(dòng)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(dòng)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(dòng)，在萬向節(jié)主從動(dòng)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(dòng)，使轉(zhuǎn)動(dòng)軸產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形從而降低傳動(dòng)軸的疲勞強(qiáng)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(dòng)叉軸轉(zhuǎn)速不變，則從動(dòng)叉軸周期地加速、減速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的慣性力矩為：為從動(dòng)叉軸旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為從動(dòng)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(shí)，由于從動(dòng)叉軸旋轉(zhuǎn)的不均勻加劇所產(chǎn)生的慣性力矩，可能會(huì)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(dòng)

當(dāng)輸入軸與輸出軸之間存在夾角α?xí)r，單個(gè)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(dòng)，但必須保證同傳動(dòng)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(dòng)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(shí)（圖4-11a），直接連接傳動(dòng)軸的兩萬向節(jié)叉所受的附加彎矩，使傳動(dòng)軸發(fā)生如圖4-11b中雙點(diǎn)劃線所示的彈性彎曲，從而引起傳動(dòng)軸的彎曲振動(dòng)。

當(dāng)輸入軸與輸出軸相交時(shí)（圖4-11c），傳動(dòng)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(dòng)軸發(fā)生如圖4-11d中雙點(diǎn)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(dòng)

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

式中，為多萬向節(jié)傳動(dòng)的當(dāng)量夾角；為主動(dòng)叉的相位角；為主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角。上式(4—7)表明，多萬向節(jié)傳動(dòng)輸出軸與輸入軸的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，如同具有夾角而主動(dòng)叉具有初相位θ的單萬向節(jié)傳動(dòng)一樣。假如多萬向節(jié)傳動(dòng)的各軸軸線均在同一平面，且各傳動(dòng)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(hào)這樣確定：當(dāng)?shù)谝蝗f向節(jié)的主動(dòng)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(dòng)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(dòng)的輸出軸與輸入軸等速旋轉(zhuǎn)，應(yīng)使萬向節(jié)傳動(dòng)輸出軸與輸入軸的轉(zhuǎn)角差會(huì)引起動(dòng)力總成支承和懸架彈性元件的振動(dòng)，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(jì)多萬向節(jié)傳動(dòng)時(shí)，總是希望其當(dāng)量夾角盡可能小，一般設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)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(dòng)

以雙聯(lián)式萬向節(jié)為例分析其運(yùn)動(dòng)特性，雙聯(lián)式萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)簡圖如圖4-12所示。它具有兩個(gè)擺動(dòng)中心A、B。當(dāng)主動(dòng)軸偏轉(zhuǎn)角時(shí)，其擺動(dòng)中心A移到，從動(dòng)軸的擺動(dòng)中心B移到，擺動(dòng)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(shí)現(xiàn)等角速傳動(dòng)，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(shí)現(xiàn)近似等角速傳動(dòng)。（4-10）（4-11）五、等速萬向節(jié)傳動(dòng)（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(shí)現(xiàn)傳力鋼球位于主、從動(dòng)軸夾角的平分面上，以滿足等角速傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)要求。

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

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(shí)，十字軸萬向節(jié)便應(yīng)報(bào)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(jì)十字軸萬向節(jié)時(shí)，應(yīng)保證十字軸軸頸有足夠的抗彎強(qiáng)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(dòng)的計(jì)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(dòng)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(huì)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(shí)，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(shí)，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(gè)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(shí)，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選取；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(dòng)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(shí)可按下式計(jì)算

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

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(diǎn)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(huì)造成磨損而損壞。由于星形套滾道接觸點(diǎn)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(jì)算較復(fù)雜，目前還沒有統(tǒng)一的計(jì)算方法。

假定球籠式萬向節(jié)在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)六個(gè)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(jì)算轉(zhuǎn)矩(N·mm)，。計(jì)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(jì)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(jì)

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(jì)算轉(zhuǎn)矩(N.mm)

，；為使用因素，對于無振動(dòng)的理想傳動(dòng)取1.0，有輕微振動(dòng)的取1.2~1.5，有中等振動(dòng)的取1.7~2.0，振動(dòng)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(jì)

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(qiáng)度計(jì)算用轉(zhuǎn)矩(N·mm)

，i為一個(gè)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(dòng)軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸總成主要由傳動(dòng)軸及其兩端焊接的花鍵和萬向節(jié)叉組成。傳動(dòng)軸中一般設(shè)有由滑動(dòng)叉和花鍵軸組成的滑動(dòng)花鍵，以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)長度的變化。

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

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

（r/min）為

在設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸時(shí)，取安全系數(shù)K=nk/nmax=1.2～2.0，K=1.2用于精確動(dòng)平衡、高精度的伸縮花鍵及萬向節(jié)間隙比較小時(shí)，nmax為傳動(dòng)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(hào)同前。

傳動(dòng)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(qiáng)度。軸管的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力應(yīng)滿足當(dāng)傳動(dòng)軸長度超過1.5m時(shí)，為了提高nk以及總布置上的考慮，常將傳動(dòng)軸斷開成兩根或三根，萬向節(jié)用三個(gè)或四個(gè)，而在中間傳動(dòng)軸上加設(shè)中間支承。

對于傳動(dòng)軸上的花鍵軸，通常以底徑計(jì)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(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩（N.mm

）dh花鍵軸的花鍵內(nèi)徑（mm）

。

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

式中，為傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩(N·mm)