萬向傳動軸設(shè)計(jì)

萬向傳動軸設(shè)計(jì)第1頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第四章萬向傳動軸設(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)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算

第五節(jié)傳動軸結(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2頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(yùn)動。萬向傳動軸設(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)變動時(shí)，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(yùn)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?yàn)楠?dú)立的彈性，采用萬向傳動軸。第3頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第6頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月萬向節(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(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，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)動畫演示第7頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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。

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。

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。第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析

第8頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第9頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月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)，多余的潤滑油會從橡膠油封內(nèi)圓表面與軸頸接觸處溢出。滾針軸承第10頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月為了潤滑軸承，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。第11頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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(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。當(dāng)應(yīng)用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋時(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，就必須使用較大的注銷內(nèi)傾角。用途：多用于軍用越野轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋第12頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月雙連叉第15頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月雙萬向節(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(shí)，軸1和軸2的角速度相等第16頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.凸塊式萬向節(jié)（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(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。第17頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月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(diǎn)：可直接暴露在外面，并不需要加外球殼和密封裝置，對萬向節(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(bǔ)充，允許的最大夾角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)動橋第18頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)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。第20頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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(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。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；第21頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-7球叉式萬向節(jié)a)圓弧槽滾道型b)直槽滾道型

第23頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(shí)，用它可以補(bǔ)償半軸的長度變化而省去滑動花鍵。第25頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月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(shí)，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(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)動橋上，目前應(yīng)用較少。第26頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-8(a)Rzeppaz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—分度桿第27頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月(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。第28頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-8（b）Birfield型球籠式萬向節(jié)第29頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月(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，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°。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。第30頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-8(c)伸縮型球籠式萬向節(jié)第31頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月O-萬向節(jié)中心；A-保持架（球籠）B-保持架內(nèi)球面中心第32頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月球籠式等速萬向節(jié)第33頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月球籠式萬向節(jié)的等速性(Birfield型)球籠式萬向節(jié)原理圖如右圖：1-主動軸2-保持架（球籠）3-鋼球4-星形套（內(nèi)滾道）5-球形殼（外滾道）O：萬向節(jié)中心A：外滾道中心B：內(nèi)滾道中心C：鋼球中心a:兩軸夾角（指鈍角）第35頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月球籠式萬向節(jié)的等速性(Birfield型)外滾道中心A與內(nèi)滾道中心B分別位于萬向節(jié)中心O的兩側(cè)，且到O點(diǎn)的距離相等。星形套內(nèi)滾道球籠（保持架）球形殼（外滾道）球滾動時(shí)，同時(shí)以A、B為球心滾動，所以CA=CB主、從動軸夾角平分面第36頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月球籠式萬向節(jié)特點(diǎn)：承載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便，兩軸最大交角為42°第37頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第38頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第39頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月四、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(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(jī)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(diǎn)。第40頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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(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)主動軸以等角速度轉(zhuǎn)動時(shí)，從動軸時(shí)快時(shí)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(shí)，從動軸上的轉(zhuǎn)矩為最大；當(dāng)最大時(shí)，從動軸上的轉(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。第42頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月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(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。

第43頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月圖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。第44頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(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)力和變形第45頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月從而降低傳動軸的疲勞強(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(shí)，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。第46頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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(shí)（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(diǎn)劃線所示的彈性彎曲，從而引起傳動軸的彎曲振動。第47頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

當(dāng)輸入軸與輸出軸相交時(shí)（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(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。第48頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第50頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月back第51頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-11附加彎矩對傳動軸的作用第52頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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(jì)算公式與單萬向節(jié)相似，可寫成

式中，為多萬向節(jié)傳動的當(dāng)量夾角；為主動叉的相位角；為主動軸轉(zhuǎn)角。式(4—7)表明，多萬向節(jié)傳動輸出軸與輸入軸的運(yùn)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：第53頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月式中，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，如果其主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(jì)多萬向節(jié)傳動時(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

第54頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月不大于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/；對于貨車，≤600rad/第55頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月四、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(yùn)動特性，雙聯(lián)式萬向節(jié)的運(yùn)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(shí)，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）第56頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月為了實(shí)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(shí)現(xiàn)近似等角速傳動。（4-10）（4-11）第57頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月雙萬向節(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(shí)，軸1和軸2的角速度相等第58頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第59頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月雙連叉第60頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月原理：當(dāng)萬向節(jié)主動軸與從動軸之間傳力點(diǎn)一直處于主動軸軸線和從動軸軸線夾角平分線上（或者說傳力點(diǎn)距這兩軸線的距離相等）時(shí)，必然能實(shí)現(xiàn)等角速傳動。五、等速萬向節(jié)傳動第61頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月五、等速萬向節(jié)傳動

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、從動軸夾角的平分面上，以滿足等角速傳動的運(yùn)動學(xué)要求。當(dāng)主、從動軸間的夾角變化時(shí)，萬向節(jié)中心0到分度桿球頭的距離m也隨之改變，并與球籠的轉(zhuǎn)角有關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)等角速傳動，必須使球籠的轉(zhuǎn)角等于主、從動軸夾角的一半，即。分度桿的結(jié)構(gòu)尺寸有如下關(guān)系。第62頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月所以有根據(jù)式（4-12）可選擇m、a及b的值，以使在足夠大的轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)保持Birfield型球籠式等速萬向節(jié)的等速傳動原理如圖4—8b所示，球形殼的內(nèi)表面有六條凹槽，形成外滾道；星形套外表面有相應(yīng)的六條凹槽，形成內(nèi)滾道。外滾道中心A與內(nèi)滾道中心B分別位于萬向節(jié)中心O的兩邊，且OA=OB。另外，鋼球中心C到A、B兩點(diǎn)的距離也相等，保持架的內(nèi)、外球面也以萬向節(jié)中心為球心，這樣∠COA=∠COB，即兩軸相交（4-12）第63頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月即兩軸相交任意交角α?xí)r，傳力鋼球都位于交角平分面上。此時(shí)鋼球中心到主、從動軸的距離α相等，從而保證了從動軸與主動軸以相等的角速度旋轉(zhuǎn)。第64頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-8(a)Rzeppaz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—分度桿第65頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-8（b）Birfield型球籠式萬向節(jié)第66頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-8(c)伸縮型球籠式萬向節(jié)第67頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月O-萬向節(jié)中心；A-保持架（球籠）B-保持架內(nèi)球面中心第68頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月球籠式等速萬向節(jié)第69頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第70頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月球籠式萬向節(jié)的等速性(Birfield型)球籠式萬向節(jié)原理圖如右圖：1-主動軸2-保持架（球籠）3-鋼球4-星形套（內(nèi)滾道）5-球形殼（外滾道）O：萬向節(jié)中心A：外滾道中心B：內(nèi)滾道中心C：鋼球中心a:兩軸夾角（指鈍角）第71頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月球籠式萬向節(jié)的等速性(Birfield型)外滾道中心A與內(nèi)滾道中心B分別位于萬向節(jié)中心O的兩側(cè)，且到O點(diǎn)的距離相等。星形套內(nèi)滾道球籠（保持架）球形殼（外滾道）球滾動時(shí)，同時(shí)以A、B為球心滾動，所以CA=CB主、從動軸夾角平分面第72頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月球籠式萬向節(jié)特點(diǎn)：承載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便，兩軸最大交角為42°第73頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第74頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第75頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算一、萬向節(jié)傳動軸的計(jì)算載荷萬向傳動軸因布置位置不同，計(jì)算載荷也不同。計(jì)算方法主要有三種。1、按發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和一擋傳動比來確定(1)用于變速器與驅(qū)動橋之間(2)用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中第76頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月2、按驅(qū)動輪打滑來確定(1)用于變速器與驅(qū)動橋之間(2)用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中3、按日常平均使用轉(zhuǎn)矩來確定(1)用于變速器與驅(qū)動橋之間(2)用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中第77頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月——發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩（N.m）n——為計(jì)算驅(qū)動橋數(shù)，取法見表4-2——為變速器一擋傳動比——為發(fā)動機(jī)到萬向傳動軸之間的傳動效率k——為液力變矩器變矩系數(shù)，為最大變矩系數(shù)——為滿載狀態(tài)下一個驅(qū)動橋上的靜載荷（N）——為汽車最大加速度時(shí)的后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，乘用車：商用車：——為輪胎與路面間的附著系數(shù)，對于安裝一般輪胎的公路用汽車，良好的混凝土或?yàn)r青路上，可取0.85，對于安裝防側(cè)滑輪胎的乘用車，可取1.25，對于越野車，值變化較大，一般取第78頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月——為車輪滾動半徑（m）——為主減速器傳動比——為主減速器從動齒輪到車輪之間的傳動比——為主減速器主動齒輪到車輪之間的傳動效率——為滿載狀態(tài)下轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋上的靜載荷（N）——為汽車最大加速度時(shí)的前軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，乘用車：商用車：——為日常汽車行駛的平均牽引力（N）——為分動器傳動比，具體取法見表4-2——為猛接離合器所產(chǎn)生的動載系數(shù)，液力自動變速器：，具有手動操縱的機(jī)械變速器的高性能賽車：，性能系數(shù)的汽車，的汽車：或由經(jīng)驗(yàn)選定，性能第79頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月系數(shù)由下式計(jì)算當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)為汽車滿載質(zhì)量（若有掛車，則要加上掛車質(zhì)量）對萬向傳動軸進(jìn)行靜強(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，即或，安全系數(shù)一般取2.5~3.0當(dāng)對萬向傳動軸進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算時(shí)，計(jì)算載荷取或。第80頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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）第81頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月式中，為萬向傳動的計(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第82頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月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(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。十字軸滾針軸承的接觸應(yīng)力為

（4-16）第83頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月為滾針直徑(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，(4-17)i為滾針列數(shù)，z為每列中的滾針數(shù)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）第84頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月分別為界面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夾角、十字軸支承結(jié)構(gòu)和材料、加工和裝配精度以及潤滑條件等有關(guān)。當(dāng)≤25°時(shí)可按下式計(jì)算第85頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月為十字軸萬向節(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,滾針軸承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。第86頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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。1、Rzeppa型球籠式萬向節(jié)設(shè)計(jì)第87頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月

假定球籠式萬向節(jié)在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)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(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=1.8d第88頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月星形套滾道底徑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°第89頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月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。第90頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月四、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91頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)傳動軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)傳動長度的變化。傳動軸在工作時(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。在長度一定時(shí)，傳動軸斷面尺寸的選擇應(yīng)保證傳動軸有足夠的強(qiáng)度和足夠高的臨界轉(zhuǎn)速。所謂臨界轉(zhuǎn)速，就是當(dāng)傳動軸的工作轉(zhuǎn)速接近于其彎曲固有振動頻率時(shí)，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以致振幅急劇增加而引起傳動軸折斷時(shí)的轉(zhuǎn)速。傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速nk（r/min）為式中，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）第92頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月在設(shè)計(jì)傳動軸時(shí)，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(shí)，nmax為傳動軸的最高轉(zhuǎn)速（r/min）。當(dāng)傳動軸長度超過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。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(qiáng)度。軸管的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力應(yīng)滿足（4-5）式中，[]為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，為300Mpa；其余符號同前。

傳動軸動畫演示第93頁，課件共105頁，創(chuàng)作于2023年2月對于傳動軸上的花鍵軸，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為為傳動軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩（N.mm

）dh花鍵軸的花鍵內(nèi)徑（mm）

。

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