萬向軸傳動設計

萬向軸傳動設計第一頁，共十七頁，2022年，8月28日第四章萬向傳動軸設計

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)傳動軸結(jié)構(gòu)分析與設計第二頁，共十七頁，2022年，8月28日

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)運動。萬向傳動軸設計應滿足如下基本要求：保證所連接的兩根軸相對位置在預計范圍內(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。當后驅(qū)動橋為獨立的彈性，采用萬向傳動軸。第三頁，共十七頁，2022年，8月28日第二節(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動的萬向節(jié)。準等速萬向節(jié)是指在設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。萬向節(jié)動畫演示第四頁，共十七頁，2022年，8月28日一、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。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50°，偏心十字軸雙聯(lián)式萬向節(jié)可達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)較復雜，外形尺寸較大，零件數(shù)目較多。第五頁，共十七頁，2022年，8月28日三、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O1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。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。第六頁，共十七頁，2022年，8月28日2．球籠式萬向節(jié)

球籠式萬向節(jié)是目前應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)驗表明，當軸間夾角較小時，分度桿是必要的；當軸間夾角大于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—導向盤6—分度桿

第七頁，共十七頁，2022年，8月28日Birfield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)

第八頁，共十七頁，2022年，8月28日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)主要應用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，目前應用較少。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)還被廣泛地應用到斷開式驅(qū)動橋中。第九頁，共十七頁，2022年，8月28日第三節(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

（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)。當為0、時，達最大值且為；當為/2、3/2時，有最小值且為。因此，當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與各自相應的角速度有關系式，這樣有

（4-3）顯然，當最小時，從動軸上的轉(zhuǎn)矩為最大；當最大時，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。第十頁，共十七頁，2022年，8月28日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。圖4-5十字軸萬向節(jié)的力偶矩a)=0，=

b)=/2，=3/2

當主動叉處于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-5a），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。當主動叉（圖4-5b），同理可知=0，主動叉上的附加彎矩=T1tanα。

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。附加彎矩可引起與萬向節(jié)相連零部件的彎曲振動，可在萬向節(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。因此，為了控制附加彎矩，應避免兩軸之間的夾角過大。第十一頁，共十七頁，2022年，8月28日二、雙十字軸萬向節(jié)傳動

當輸入軸與輸出軸之間存在夾角α時，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4-6）。當輸入軸與輸出軸平行時（圖4-6a），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4-6b中雙點劃線所示的彈性彎曲，從而引起傳動軸的彎曲振動。當輸入軸與輸出軸相交時（圖4-6c），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4-6d中雙點劃線所示的彈性彎曲。圖4-6附加彎矩對傳動軸的作用

第十二頁，共十七頁，2022年，8月28日第四節(jié)傳動軸結(jié)構(gòu)分析與設計

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。設計時應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。在長度一定時，傳動軸斷面尺寸的選擇應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）。

（4-4）第十三頁，共十七頁，2022年，8月28日在設計傳動軸時，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）。當傳動軸長度超過1.5m時，為了提高n