汽車設計 課件 第4章 萬向節(jié)和傳動軸設計

汽

車

設

計汽車設計第四章萬向節(jié)和傳動軸設計4.1本章概述4.2普通十字軸萬向節(jié)4.3撓性萬向節(jié)4.4準等速萬向節(jié)4.5等速萬向節(jié)4.6傳動軸結構分析與設計4.7中間支承結構分析與設計汽車設計4.1本章概述萬向傳動裝置組成：萬向節(jié)、傳動軸及其伸縮花鍵等功用：在工作過程中相對位置不斷改變的兩根軸間傳遞轉矩和旋轉運動作用場景：(1)兩根軸不在同一軸線的傳動，如變速箱輸出軸和驅動橋輸入軸(2)保證位于同一軸線兩軸的同軸性，如動力總成輸出軸和變速箱輸入軸(3)多軸驅動的汽車上，分動器與各驅動橋之間或驅動器與另一驅動橋之間(4)連接在工作中相對位置變化的兩根傳遞動力的軸，如轉向驅動橋中內、外兩半軸(5)汽車的轉向系統(tǒng)中也采用萬向傳動裝置來傳遞動力汽車設計4.1本章概述萬向傳動裝置傳動軸設計要求：汽車設計4.1本章概述萬向節(jié)分類萬向節(jié)剛性萬向節(jié)撓性萬向節(jié)不等速萬向節(jié)（十字軸式）準等速萬向節(jié)（雙聯(lián)式、凸塊式、三銷軸式、球面滾輪式）等速萬向節(jié)（球叉式（圓弧槽滾道型、直槽滾道型）、球籠式（固定型、伸縮型））汽車設計4.2普通十字軸向萬向節(jié)4.2.1普通十字軸向萬向節(jié)結構：汽車設計4.2普通十字軸向萬向節(jié)4.2.2單個十字軸向萬向節(jié)的運動特性：

當十字軸萬向節(jié)的主動軸與從動軸存在一定夾角α

時,主動軸的角速度與從動軸的角速度之間存在如下的關系

由上式可以看出：當主動軸以等角速度轉動時，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速不均勻系數(shù)k

來表示：

主動叉轉角十字軸剛性萬向節(jié)的不等速特性曲線汽車設計4.2普通十字軸向萬向節(jié)4.2.2單個十字軸向萬向節(jié)的運動特性：

如不計萬向節(jié)的摩擦損失，主動軸轉矩T1

和從動軸轉矩T2

與各自相應的角速度有關系式可得顯然，當最小時，從動軸上的轉矩為最大當最大時，從動軸上的轉矩為最小(傳遞的功率相等)T1與一定時，T2在其最大值與最小值之間，每一轉變化兩次，見右圖汽車設計4.2普通十字軸向萬向節(jié)4.2.2單個十字軸向萬向節(jié)的運動特性：——主動軸與從動軸之間的夾角；

T1——主動軸驅動轉矩；

T2——從動軸反轉矩

——作用在主動叉平面的彎曲力偶矩；

——作用在從動叉平面的彎曲力偶矩。當主動叉的處于0和時位置時(下圖a)，T‘1必為零；從動叉上有附加彎矩=T1sinα在這四個力矩作用下，十字軸萬向節(jié)得以平衡。

處于/2和3/2位置時(右圖b)，當主動叉同理可知=0，主動叉上有附加彎矩=T1

tanα

汽車設計4.2普通十字軸向萬向節(jié)4.2.3雙十字軸向萬向節(jié)的運動特性雙萬向節(jié)等速轉動的條件：(1)三軸在同一平面內(2)第一萬向節(jié)連接的兩軸間夾角和第二萬向節(jié)連接的兩軸間夾角相等，即。(3)第一萬向節(jié)從動叉和第二萬向節(jié)主動叉在同一平面內單十字軸萬向節(jié)傳動的不等速性使從動軸及其相連的傳動件產生扭轉振動，形成附加的動載荷，影響零部件使用壽命。為了克服這一缺點，常采用兩個十字軸萬向節(jié)組成的雙萬向節(jié)傳動。如右圖。汽車設計4.2普通十字軸向萬向節(jié)4.2.3雙十字軸向萬向節(jié)的運動特性附加彎矩對傳動軸的作用輸入軸與輸出軸的軸線平行輸入軸與輸出軸的軸線相交汽車設計4.2普通十字軸向萬向節(jié)4.2.4多十字軸向萬向節(jié)的運動特性多萬向節(jié)傳動的從動叉相對主動叉的轉角差計算公式——多萬向節(jié)傳動的當量夾角

θ——主動軸轉角——主動叉的初相位角

多萬向節(jié)傳動的各軸軸線在同一平面各傳動軸兩端萬向節(jié)叉平面之間的夾角為零或注：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應加以限制。對于乘用車，；對于商車，。汽車設計損壞形式：鋼球與接觸滾道表面的疲勞點蝕，或因熱處理不當、潤滑不良或溫度過高等造成磨損4.2普通十字軸向萬向節(jié)4.2.5十字軸向萬向節(jié)的設計——萬向傳動軸的計算轉矩r——為合力F作用線到十字軸中心之間的距離——主、從動叉軸的最大夾角——十字軸軸頸直徑——十字軸油道孔直徑——十字軸軸頸根部的彎曲應力——十字軸軸頸根部的切應力——滾針直徑——滾針工作長度汽車設計4.2普通十字軸向萬向節(jié)4.2.5十字軸向萬向節(jié)的設計矩形截面圓形截面萬向節(jié)叉彎曲應力和扭應力十字軸萬向節(jié)傳動效率

f——軸頸與萬向節(jié)叉的摩擦因數(shù)滑動軸承：滾針軸承：汽車設計4.3撓性萬向節(jié)4.3.1撓性萬向節(jié)結構：汽車設計4.3撓性萬向節(jié)4.3.2撓性萬向節(jié)設計盤式撓性萬向節(jié)中橡膠盤的拉應力和擠壓應力應滿足——萬向節(jié)靜強度計算用轉矩

、——橡膠盤的外半徑和內半徑

i——一個萬向節(jié)叉上的螺栓數(shù) b——橡膠盤的厚度R——橡膠盤的平均半徑 ——橡膠盤的平均半徑許用拉應力許用擠壓應力汽車設計4.4準等速萬向節(jié)準等速萬向節(jié)——根據(jù)兩個普通萬向節(jié)實現(xiàn)等速傳動的原理設計而成，只能近似地實現(xiàn)等速傳動的萬向節(jié)雙聯(lián)式萬向節(jié)雙聯(lián)式萬向節(jié)實際上是由兩個十字軸萬向節(jié)組合而成，雙聯(lián)叉相當于兩個在同一平面上的萬向節(jié)叉，使主動軸與從動軸的角速度相等，應保證，雙聯(lián)式萬向節(jié)的結構中裝有分度機構，以保證雙聯(lián)叉的對稱線平分所連兩軸的夾角。汽車設計4.4準等速萬向節(jié)凸塊式萬向節(jié)凸塊式萬向節(jié)主要由兩個萬向節(jié)叉1和4以及兩個不同形狀的特殊凸塊2和3組成。兩凸塊相當于雙聯(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。這種結構工作可靠，加工簡單，允許萬向節(jié)夾角可達50°；但是由于工作面全為滑動摩擦，摩擦表面易磨損，所以傳動效率低，并對密封和潤滑要求較高。它主要用于傳遞轉矩較大的越野車轉向驅動橋。汽車設計4.4準等速萬向節(jié)三銷軸式萬向節(jié)三銷軸式萬向節(jié)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。三銷軸式萬向節(jié)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)與轉向節(jié)的同心度要求不太嚴。允許所連接的兩軸最大夾角可達45°。這種結構主要用于總質量較大的越野車轉向驅動橋。汽車設計4.4準等速萬向節(jié)球面滾輪式萬向節(jié)球面滾輪式萬向節(jié)是應用較為廣泛的準等速萬向節(jié)，裝在萬向節(jié)軸5端部的三個銷軸3上的球面滾輪4，可沿著與萬向節(jié)軸1相連的圓管并在圓管上開有三個起伸縮花鍵作用的軸向槽2內移動，同時通過三個球面滾輪與軸向槽壁之間傳遞轉矩。其結構應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。這種結構允許兩軸間的工作夾角可達43°，加工也比較容易。汽車設計4.4準等速萬向節(jié)準等速萬向節(jié)的運動特性對于結構已確定的雙聯(lián)式萬向節(jié)，a和b值是確定的值，則與只在某一轉角下才能相等，因此雙聯(lián)式萬向節(jié)在不同轉角下只能實現(xiàn)近似等角速傳動。計算公式汽車設計4.5等速萬向節(jié)原理：從結構上保證萬向節(jié)在工作過程中的傳力點永遠位于主、從動軸交點的平分面上分類：球叉式萬向節(jié)和球籠式萬向節(jié)4.5.1球叉式萬向節(jié)球叉式萬向節(jié)按鋼球滾道形狀可分為圓弧槽滾道型和直槽滾道型圓弧槽滾道型球叉式萬向節(jié)由兩個萬向節(jié)叉、四個傳力鋼球和一個定心鋼球組成。在主、從動叉上各有四個側向的圓弧槽滾道，裝合后兩叉的滾道分別相對，中間各裝一個傳力鋼球。定心鋼球裝在兩叉中心的球心凹臼內，用于確定兩叉之間相互擺動的中心。圓弧槽型球叉式萬向節(jié)結構較簡單，可以在夾角不大于32°~33°的條件下正常工作，這種萬向節(jié)主要應用于總質量不大的越野車轉向驅動橋。汽車設計4.5等速萬向節(jié)直槽滾道型球叉式萬向節(jié)如右圖所示，兩個球叉上的直槽與軸的中心線傾斜相同的角度且彼此對稱。兩球叉之間的滾道內裝有4個傳動鋼球。由于兩球叉中的滾道所處的位置是對稱的，這就保證了4個鋼球的中心處于兩軸夾角的等分平面上。這種萬向節(jié)加工比較容易，允許的兩軸夾角不超過20°，在兩叉間允許有一定量的軸間滑動。直槽滾道型球叉式萬向節(jié)主要應用于斷開式驅動橋中，當半軸擺動時，用它可補償半軸的長度變化而省去滑動花鍵。4.5.1球叉式萬向節(jié)汽車設計4.5等速萬向節(jié)4.5.2球籠式萬向節(jié)球籠式萬向節(jié)根據(jù)萬向節(jié)軸向能否運動，分為固定型球籠式萬向節(jié)和伸縮型球籠式萬向節(jié)固定形球籠式萬向節(jié)主要由星形套，球籠、球形殼及鋼球等組成。這種萬向節(jié)允許的工作角可達42°。這種萬向節(jié)需要重視潤滑部分，潤滑劑的使用主要取決于傳動的轉速和角度，比較好的方法是采用油浴和循環(huán)油潤滑。在傳遞轉矩時，由于六個鋼球同時參加工作，其承載能力和耐沖擊能力強，傳動效率高，結構緊湊，安裝方便；但是滾道的制造精度高，成本較高。汽車設計4.5等速萬向節(jié)4.5.2球籠式萬向節(jié)伸縮型球籠式萬向節(jié)的結構如右圖所示。該結構形式的內、外滾道是圓筒形的，在傳遞轉矩過程中，星形套與筒形殼可以沿軸向相對移動，由于星形套與筒形殼之間的軸向相對移動是通過傳力鋼球沿內、外滾道滾動來實現(xiàn)的，其滑動阻力小，最適用于斷開式驅動橋。這種萬向節(jié)保持架的內球面中心B與外球面中心A位于萬向節(jié)中心O的兩邊，且與O等距離。鋼球中心C到A、B距離相等，以保證萬向節(jié)的主、從動軸作等角速轉動。汽車設計4.5等速萬向節(jié)4.5.2球籠式萬向節(jié)球籠式萬向節(jié)的等速傳動原理如右圖所示。外滾道8的中心A與內滾道7的中心B分別位于萬向節(jié)中心O的兩邊，且與O等距離。傳力鋼球6的中心C到A、B兩點的距離也相等。保持架4的內外球面、星形套7的外球面和球形殼8的內球面均以萬向節(jié)中心O為球心。因此，當兩軸夾角變化時，保持架可沿內、外球面滑動，以保持傳力鋼球在一定位置。由此可見，由于OA=OB，CA=CB，則三角形△COA與△COB全等，因此，∠COA=∠COB，即兩軸相交任意角α時，其傳力鋼球6的中心C都位于夾角的平分面上。此時，傳力鋼球到主動軸1和從動軸的距離a和b相等，從而保證了主、從動軸以相等的角速度轉動。汽車設計4.5等速萬向節(jié)4.5.3球籠式萬向節(jié)的設計失效形式：鋼球與接觸滾道表面的疲勞點蝕，或因熱處理不當、潤滑不良或溫度過高等造成磨損

Rzeppa型球籠式萬向節(jié)設計由經驗公式計算得到鋼球直徑d——傳力鋼球直徑——萬向節(jié)的計算轉矩鋼球的直徑d確定后，其中的球籠、星形套等零件及有關結構尺寸可由右表確定汽車設計4.5等速萬向節(jié)Birfield型球籠式萬向節(jié)設計由經驗公式計算得到星形套連接軸的直徑，有關結構尺寸可由下表確定汽車設計4.6傳動軸結構分析與設計傳動軸管由壁厚均勻易平衡、壁薄(1.5~3.0m)、管徑較大、扭轉強度高、彎曲剛度大、適于高速旋轉的低碳鋼板卷制的電焊鋼管制成，常用在變速箱與驅動橋之間的動力傳遞。(1)傳動軸的結構1)廣泛采用空心傳動軸，在傳遞相同轉矩情況下，空心軸具有更大的剛度和強度，而且質量輕，能傳遞較大的轉矩，比實心傳動軸具有更高的臨界轉速。2)傳動軸的質量沿圓周均勻分布，用鋼板卷制對焊成管形圓軸。

3)傳動軸上有花鍵連接部分，傳動軸一端焊有花鍵接頭軸，與萬向節(jié)滑動叉的花鍵套結合，傳動軸允許伸縮(2)傳動軸的結構特點汽車設計4.6傳動軸結構分析與設計(3)傳動軸的設計①傳動軸的臨界轉速nk表達式

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、外徑（mm）。

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為傳動軸的最高轉速(r/min)。傳動軸太長怎么辦？當傳動軸長度超過1.5m時，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中間支承。所謂臨界轉速，就是當傳動軸的工作轉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速。汽車設計③花鍵軸扭轉強度②傳動軸軸管斷面的扭轉強度式中，[]為許用扭轉切應力，為300MPa；其余符號同前。

要求滿足扭轉切應力:Ts為傳動軸的計算轉矩(N·mm)

要求滿足扭轉切應力:式中，T's

為每一個花鍵齒承受的轉矩；dh為花鍵軸的內直徑④傳動軸花鍵齒側擠壓強度式中，K‘為花鍵轉矩分布不均勻系數(shù)，K‘

=1.3~1.4;n0為花鍵齒數(shù)；

dh、

Dh

為花鍵軸的內、外直徑;Lh為花鍵的有效長度。(力除以面積乘以系數(shù))汽車設計●傳動軸總成不平衡是傳動系彎曲振動的激勵源，將產生明顯的振動和噪聲?！袢f向節(jié)中十字軸