萬向傳動軸設(shè)計汽車設(shè)計課件

第四章萬向傳動軸設(shè)計第四章萬向傳動軸設(shè)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(shè)計

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(shè)計應(yīng)滿足如下根本要求：保證所連接的兩根軸相對位置在預(yù)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(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)動橋為獨立的彈性，采用萬向傳動軸。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動的萬向節(jié)。準(zhǔn)等速萬向節(jié)是指在設(shè)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)本錢低。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。目前常見的滾針軸承軸向定位方式有蓋板式(圖4-la、b)、卡環(huán)式(圖4-lc、d)、固定式(圖4-le)和塑料環(huán)定位式(圖4-lf)等。二、準(zhǔn)等速萬向節(jié)1.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。缺點是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，外形尺寸較大，零件數(shù)目較多。2.凸塊式萬向節(jié)：它主要由兩個萬向節(jié)叉l和4以及兩個特殊形狀的凸塊2和3組成。

3.三銷軸式萬向節(jié)：是由雙聯(lián)式萬向節(jié)演變而來。它主要由兩個偏心軸叉、兩個三銷軸和六個滾針軸承組成。

4.球面滾輪式萬向節(jié)：應(yīng)用廣泛。

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。2．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，靠比例適宜的分度桿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)驗說明，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到達(dá)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

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(dāng)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(dāng)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(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，本錢較高。圖4-3Birfield型球籠式萬向節(jié)

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(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)那么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(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。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。圖4-5十字軸萬向節(jié)的力偶矩a)=0，=

b)=/2，=3/2

當(dāng)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(dāng)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(yīng)防止兩軸之間的夾角過大。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4-6〕。當(dāng)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)叉所受的附加彎矩彼此平衡，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(dāng)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

一、萬向節(jié)傳動的計算載荷(表4-1)第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計計算

二、十字軸式萬向節(jié)設(shè)計

1.保證十字軸軸頸處有足夠的彎曲強(qiáng)度：

T—傳動軸計算轉(zhuǎn)矩r—合力作用線與十字軸中心之間的距離α—萬向節(jié)最大夾角

設(shè)各滾針對十字軸軸頸作用力的合力為F

十字軸軸頸根部的彎曲、剪切應(yīng)力應(yīng)滿足：應(yīng)保證滾針軸承有足夠的接觸強(qiáng)度

第五節(jié)傳動軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)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(shè)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(shè)計時應(yīng)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(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，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〕在設(shè)計傳動軸時，取平安系數(shù)K=nk/nmax