萬向節(jié)傳動軸設(shè)計(jì)

第七章萬向傳動軸設(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)萬向傳動的運(yùn)動和受力分析

第四節(jié)傳動軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)6/29/2023

第一節(jié)概述

萬向傳動軸一般是由萬向節(jié)、傳動軸和中間支承組成。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。萬向傳動軸設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下基本要求：保證所連接的兩根軸相對位置在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)變動時，能可靠地傳遞動力。

保證所連接兩軸盡可能等速運(yùn)轉(zhuǎn)。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)。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?yàn)楠?dú)立的彈性，采用萬向傳動軸。6/29/2023第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析

萬向節(jié)分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié)。剛性萬向節(jié)可分為不等速萬向節(jié)（如十字軸式）、準(zhǔn)等速萬向節(jié)（如雙聯(lián)式、凸塊式、三銷軸式等）和等速萬向節(jié)（如球叉式、球籠式等）。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(yùn)動的萬向節(jié)。準(zhǔn)等速萬向節(jié)是指在設(shè)計(jì)角度下工作時以等于1的瞬時角速度比傳遞運(yùn)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(yùn)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。萬向節(jié)動畫演示6/29/2023一、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。十字軸萬向節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，強(qiáng)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。二、準(zhǔn)等速萬向節(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(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。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。6/29/2023三、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。圓弧槽滾道型的球叉式萬向節(jié)（圖4-1a）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(diǎn)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。圖4-1球叉式萬向節(jié)a)圓弧槽滾道型b)直槽滾道型

直槽滾道型球叉式萬向節(jié)（圖4-1b），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。6/29/20232．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4-2）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。經(jīng)驗(yàn)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。圖4-2Rzeppaz型球籠式萬向節(jié)1—球形殼2—鋼球3—星形套4—球籠5—導(dǎo)向盤6—分度桿

6/29/2023Birfield型球籠式萬向節(jié)Birfield型球籠式萬向節(jié)（圖4-3）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(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，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)矩時六個鋼球均同時參加工作，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。圖4-3Birfield型球籠式萬向節(jié)

6/29/2023伸縮型球籠式萬向節(jié)

伸縮型球籠式萬向節(jié)（圖4-4）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(shí)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4-4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(dú)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。6/29/2023第三節(jié)萬向傳動的運(yùn)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）如不計(jì)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，這樣有

（4-3）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。

6/29/2023附加架彎曲榮力偶叛矩的陷分析具有音夾角善的飛十字戰(zhàn)軸萬真向節(jié)哲，僅鏈在主掃動軸荒驅(qū)動張轉(zhuǎn)矩丸和從鈴動軸收反轉(zhuǎn)勻矩的洪作用障下是兩不能聯(lián)平衡貸的。李從萬筆向節(jié)煉叉與濾十字球軸之盾間的芽約束兵關(guān)系絡(luò)分析就可知迎，主圣動叉適對十運(yùn)字軸障的作內(nèi)用力躬偶矩胞，除形主動醋軸驅(qū)紀(jì)動轉(zhuǎn)綱矩T1之外藝，還榮有作口用在輪主動扮叉平品面的鈔彎曲鴿力偶穩(wěn)矩誰。同炒理，村從動掠叉對扇十字誰軸也燈作用壇有從座動軸架反轉(zhuǎn)歸矩T2和作行用在鼠從動弟叉平才面的燒彎曲膽力偶刪矩。在披這四閣個力澆矩作斃用下宅，使園十字謀軸萬含向節(jié)平得以睡平衡茶。圖4-刑5十字儉軸萬姻向節(jié)報(bào)的力滴偶矩a)=0，b)/2，=3/2當(dāng)主嫩動叉處于0和時位巾置時苦（圖4必存在喊，且妥矢量掠垂福直于頂矢量T2；處于/2位置青時-5織a），值由于T1作用勤在十極字軸躬平面蹄，為零斯；而T2的作職用平著面與尸十字住軸不晉共平崗面，必有合矢難量+T2指向叫十字細(xì)軸平天面的貧法線漸方向變，與T1大小硬相等蔥、方資向相葬反。舉這樣完，從買動叉上的評附加酬彎矩=T1si恐nα。當(dāng)主述動叉（圖4-乏5b），心同理急可知=0，主動叉痕上的純附加寨彎矩=T1ta姥nα。分析階可知鍬，附輩加彎增矩的雅大小宋是在舊零與膊上述進(jìn)兩最賽大值焦之間凳變化絨，其旺變化跑周期挪為，即謠每一濤轉(zhuǎn)變寫化兩慮次。駱附加恰彎矩硬可引博起與旁萬向童節(jié)相乖連零旋部件叛的彎江曲振己動，散可在原萬向怎節(jié)主巷、從朱動軸饞支承仆上引床起周柳期性引變化衡的徑屠向載渣荷，薦從而脖激起已支承掉處的翠振動總。因托此，鉤為了厘控制粗附加饑彎矩?fù)?，?yīng)擦避免異兩軸希之間授的夾牽角過冶大。6/織26婦/2素02床3二、等雙十肆字軸塊萬向嬌節(jié)傳絡(luò)動當(dāng)輸響入軸匙與輸贈出軸汪之間柜存在件夾角α?xí)r，刻單個虛十字錢軸萬巴向節(jié)括的輸星出軸慕相對攀于輸毛入軸愁是不鈔等速姥旋轉(zhuǎn)粒的。編為使核處于耍同一且平面碼的輸走出軸夜與輸展入軸者等速軟旋轉(zhuǎn)鼠，可匙采用潤雙萬固向節(jié)聽傳動裙，但元必須喘保證級同傳狠動軸玩相連妨的兩島萬向驗(yàn)節(jié)叉畝應(yīng)布笛置在箱同一班平面吃內(nèi)，敬且使姜兩萬烏向節(jié)牽夾角α1與α2相等秩（圖4-疑6）。當(dāng)輸周入軸目與輸鎖出軸糕平行巾時（異圖4-亂6a），貸直接冬連接患傳動腦軸的底兩萬遷向節(jié)昌叉所物受的喜附加翁彎矩萬，使婆傳動右軸發(fā)笨生如刻圖4-疊6b中雙下點(diǎn)劃配線所都示的般彈性拉彎曲府，從擺而引新起傳倍動軸堵的彎復(fù)曲振帝動。當(dāng)輸并入軸陪與輸竭出軸割相交宴時（飄圖4-貓6c），銳傳動曲軸兩嬸端萬似向節(jié)釣叉上畜所受鄙的附濫加彎性矩方浴向相蜓同，不能爪彼此分平衡，傳動副軸發(fā)麻生如氏圖4-偶6d中雙豆點(diǎn)劃納線所蘭示的破彈性孟彎曲會。圖4-必6附加頁彎矩搞對傳憐動軸建的作禮用6/他26匆/2戴02并3第四禾節(jié)覺傳宮動軸得結(jié)構(gòu)薄分析悟與設(shè)角計(jì)傳動床軸總陡成主磨要由修傳動裹軸及沫其兩豆端焊蛙接的決花鍵窄和萬付向節(jié)吉叉組持成。圈傳動從軸中敏一般始設(shè)有族由滑朱動叉繼和花響鍵軸毫組成躬的滑蓋動花框鍵，尾以實(shí)嚴(yán)現(xiàn)傳騰動長徹度的耀變化壘。傳動摸軸在旗工作幟時，圖其長圾度和逗夾角國是在辜一定所范圍憐變化堡的。毯設(shè)計(jì)任時應(yīng)罪保證玩在傳仿動軸笑長度臉處在草最大寬值時揚(yáng)，花害鍵套眾與軸秧有足薪夠的禽配合稿長度向；而否在長毛度處鬧在最菌小時艙不頂?shù)克?。身傳動納軸夾竄角的嘴大小半直接瞎影響捆到萬柳向節(jié)洋的壽坑命、忠萬向洞傳動質(zhì)的效阿率和雅十字驕軸旋晝轉(zhuǎn)的蛋不均鄰勻性晶。在長碑度一塌定時例，傳堂動軸昂斷面躲尺寸屋的選面擇應(yīng)芳保證予傳動舒軸有似足夠眼的強(qiáng)寇度和膊足夠剪高的云臨界乎轉(zhuǎn)速品。所嘴謂臨校界轉(zhuǎn)掛速，恭就是勉當(dāng)傳燒動軸動的工霉作轉(zhuǎn)蠢速接售近于黨其彎頌曲固櫻有振帖動頻耕率時公，即畫出現(xiàn)濕共振炮現(xiàn)象糟，以且致振達(dá)幅急垃劇增門加而隙引起紛傳動犧軸折與斷時稀的轉(zhuǎn)至速。歸傳動盼軸的蓬臨界例轉(zhuǎn)速nk（r/馬mi賢n）為式中非，Lc為傳材動軸塞長度（mm），即兩紅萬向馬節(jié)中牢心之助間的設(shè)距離唉；dc和Dc分別周為傳道動軸