汽車設(shè)計(jì) 課件 第4章 萬向節(jié)和傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)

汽

車

設(shè)

計(jì)汽車設(shè)計(jì)第四章萬向節(jié)和傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)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(zhǔn)等速萬向節(jié)4.5等速萬向節(jié)4.6傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)4.7中間支承結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)汽車設(shè)計(jì)4.1本章概述萬向傳動(dòng)裝置組成：萬向節(jié)、傳動(dòng)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(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)作用場景：(1)兩根軸不在同一軸線的傳動(dòng)，如變速箱輸出軸和驅(qū)動(dòng)橋輸入軸(2)保證位于同一軸線兩軸的同軸性，如動(dòng)力總成輸出軸和變速箱輸入軸(3)多軸驅(qū)動(dòng)的汽車上，分動(dòng)器與各驅(qū)動(dòng)橋之間或驅(qū)動(dòng)器與另一驅(qū)動(dòng)橋之間(4)連接在工作中相對位置變化的兩根傳遞動(dòng)力的軸，如轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋中內(nèi)、外兩半軸(5)汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中也采用萬向傳動(dòng)裝置來傳遞動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)4.1本章概述萬向傳動(dòng)裝置傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)要求：汽車設(shè)計(jì)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(zhǔn)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)：汽車設(shè)計(jì)4.2普通十字軸向萬向節(jié)4.2.2單個(gè)十字軸向萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性：

當(dāng)十字軸萬向節(jié)的主動(dòng)軸與從動(dòng)軸存在一定夾角α

時(shí),主動(dòng)軸的角速度與從動(dòng)軸的角速度之間存在如下的關(guān)系

由上式可以看出：當(dāng)主動(dòng)軸以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)軸時(shí)快時(shí)慢，此即為普通十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)的不等速性。十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)的不等速性可用轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)k

來表示：

主動(dòng)叉轉(zhuǎn)角十字軸剛性萬向節(jié)的不等速特性曲線汽車設(shè)計(jì)4.2普通十字軸向萬向節(jié)4.2.2單個(gè)十字軸向萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性：

如不計(jì)萬向節(jié)的摩擦損失，主動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩T1

和從動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩T2

與各自相應(yīng)的角速度有關(guān)系式可得顯然，當(dāng)最小時(shí)，從動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩為最大當(dāng)最大時(shí)，從動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩為最小(傳遞的功率相等)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，見右圖汽車設(shè)計(jì)4.2普通十字軸向萬向節(jié)4.2.2單個(gè)十字軸向萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性：——主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間的夾角；

T1——主動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；

T2——從動(dòng)軸反轉(zhuǎn)矩

——作用在主動(dòng)叉平面的彎曲力偶矩；

——作用在從動(dòng)叉平面的彎曲力偶矩。當(dāng)主動(dòng)叉的處于0和時(shí)位置時(shí)(下圖a)，T‘1必為零；從動(dòng)叉上有附加彎矩=T1sinα在這四個(gè)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(shí)(右圖b)，當(dāng)主動(dòng)叉同理可知=0，主動(dòng)叉上有附加彎矩=T1

tanα

汽車設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)特性雙萬向節(jié)等速轉(zhuǎn)動(dòng)的條件：(1)三軸在同一平面內(nèi)(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(dòng)叉和第二萬向節(jié)主動(dòng)叉在同一平面內(nèi)單十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)的不等速性使從動(dòng)軸及其相連的傳動(dòng)件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，形成附加的動(dòng)載荷，影響零部件使用壽命。為了克服這一缺點(diǎn)，常采用兩個(gè)十字軸萬向節(jié)組成的雙萬向節(jié)傳動(dòng)。如右圖。汽車設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)特性附加彎矩對傳動(dòng)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(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)特性多萬向節(jié)傳動(dòng)的從動(dòng)叉相對主動(dòng)叉的轉(zhuǎn)角差計(jì)算公式——多萬向節(jié)傳動(dòng)的當(dāng)量夾角

θ——主動(dòng)軸轉(zhuǎn)角——主動(dòng)叉的初相位角

多萬向節(jié)傳動(dòng)的各軸軸線在同一平面各傳動(dòng)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(dòng)輸出軸的角加速度幅值應(yīng)加以限制。對于乘用車，；對于商車，。汽車設(shè)計(jì)損壞形式：鋼球與接觸滾道表面的疲勞點(diǎn)蝕，或因熱處理不當(dāng)、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(shè)計(jì)——萬向傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩r——為合力F作用線到十字軸中心之間的距離——主、從動(dòng)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(yīng)力——十字軸軸頸根部的切應(yīng)力——滾針直徑——滾針工作長度汽車設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)矩形截面圓形截面萬向節(jié)叉彎曲應(yīng)力和扭應(yīng)力十字軸萬向節(jié)傳動(dòng)效率

f——軸頸與萬向節(jié)叉的摩擦因數(shù)滑動(dòng)軸承：滾針軸承：汽車設(shè)計(jì)4.3撓性萬向節(jié)4.3.1撓性萬向節(jié)結(jié)構(gòu)：汽車設(shè)計(jì)4.3撓性萬向節(jié)4.3.2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)力和擠壓應(yīng)力應(yīng)滿足——萬向節(jié)靜強(qiáng)度計(jì)算用轉(zhuǎn)矩

、——橡膠盤的外半徑和內(nèi)半徑

i——一個(gè)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(yīng)力許用擠壓應(yīng)力汽車設(shè)計(jì)4.4準(zhǔn)等速萬向節(jié)準(zhǔn)等速萬向節(jié)——根據(jù)兩個(gè)普通萬向節(jié)實(shí)現(xiàn)等速傳動(dòng)的原理設(shè)計(jì)而成，只能近似地實(shí)現(xiàn)等速傳動(dòng)的萬向節(jié)雙聯(lián)式萬向節(jié)雙聯(lián)式萬向節(jié)實(shí)際上是由兩個(gè)十字軸萬向節(jié)組合而成，雙聯(lián)叉相當(dāng)于兩個(gè)在同一平面上的萬向節(jié)叉，使主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的角速度相等，應(yīng)保證，雙聯(lián)式萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)中裝有分度機(jī)構(gòu)，以保證雙聯(lián)叉的對稱線平分所連兩軸的夾角。汽車設(shè)計(jì)4.4準(zhǔn)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(gè)萬向節(jié)叉1和4以及兩個(gè)不同形狀的特殊凸塊2和3組成。兩凸塊相當(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。這種結(jié)構(gòu)工作可靠，加工簡單，允許萬向節(jié)夾角可達(dá)50°；但是由于工作面全為滑動(dòng)摩擦，摩擦表面易磨損，所以傳動(dòng)效率低，并對密封和潤滑要求較高。它主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩較大的越野車轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋。汽車設(shè)計(jì)4.4準(zhǔn)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(gè)偏心軸叉、兩個(gè)三銷軸和六個(gè)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(zhuǎn)向節(jié)的同心度要求不太嚴(yán)。允許所連接的兩軸最大夾角可達(dá)45°。這種結(jié)構(gòu)主要用于總質(zhì)量較大的越野車轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋。汽車設(shè)計(jì)4.4準(zhǔn)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(yīng)用較為廣泛的準(zhǔn)等速萬向節(jié)，裝在萬向節(jié)軸5端部的三個(gè)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(gè)起伸縮花鍵作用的軸向槽2內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)通過三個(gè)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(gè)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)允許兩軸間的工作夾角可達(dá)43°，加工也比較容易。汽車設(shè)計(jì)4.4準(zhǔn)等速萬向節(jié)準(zhǔn)等速萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性對于結(jié)構(gòu)已確定的雙聯(lián)式萬向節(jié)，a和b值是確定的值，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(dòng)。計(jì)算公式汽車設(shè)計(jì)4.5等速萬向節(jié)原理：從結(jié)構(gòu)上保證萬向節(jié)在工作過程中的傳力點(diǎn)永遠(yuǎn)位于主、從動(dòng)軸交點(diǎn)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(gè)萬向節(jié)叉、四個(gè)傳力鋼球和一個(gè)定心鋼球組成。在主、從動(dòng)叉上各有四個(gè)側(cè)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(gè)傳力鋼球。定心鋼球裝在兩叉中心的球心凹臼內(nèi)，用于確定兩叉之間相互擺動(dòng)的中心。圓弧槽型球叉式萬向節(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，這種萬向節(jié)主要應(yīng)用于總質(zhì)量不大的越野車轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋。汽車設(shè)計(jì)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(gè)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(nèi)裝有4個(gè)傳動(dòng)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(gè)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(dòng)。直槽滾道型球叉式萬向節(jié)主要應(yīng)用于斷開式驅(qū)動(dòng)橋中，當(dāng)半軸擺動(dòng)時(shí)，用它可補(bǔ)償半軸的長度變化而省去滑動(dòng)花鍵。4.5.1球叉式萬向節(jié)汽車設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)，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(dá)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(dòng)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩時(shí)，由于六個(gè)鋼球同時(shí)參加工作，其承載能力和耐沖擊能力強(qiáng)，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便；但是滾道的制造精度高，成本較高。汽車設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)如右圖所示。該結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)、外滾道是圓筒形的，在傳遞轉(zhuǎn)矩過程中，星形套與筒形殼可以沿軸向相對移動(dòng)，由于星形套與筒形殼之間的軸向相對移動(dòng)是通過傳力鋼球沿內(nèi)、外滾道滾動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，其滑動(dòng)阻力小，最適用于斷開式驅(qū)動(dòng)橋。這種萬向節(jié)保持架的內(nèi)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(dòng)軸作等角速轉(zhuǎn)動(dòng)。汽車設(shè)計(jì)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(dòng)原理如右圖所示。外滾道8的中心A與內(nèi)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(diǎn)的距離也相等。保持架4的內(nèi)外球面、星形套7的外球面和球形殼8的內(nèi)球面均以萬向節(jié)中心O為球心。因此，當(dāng)兩軸夾角變化時(shí)，保持架可沿內(nèi)、外球面滑動(dòng)，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?xí)r，其傳力鋼球6的中心C都位于夾角的平分面上。此時(shí)，傳力鋼球到主動(dòng)軸1和從動(dòng)軸的距離a和b相等，從而保證了主、從動(dòng)軸以相等的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。汽車設(shè)計(jì)4.5等速萬向節(jié)4.5.3球籠式萬向節(jié)的設(shè)計(jì)失效形式：鋼球與接觸滾道表面的疲勞點(diǎn)蝕，或因熱處理不當(dāng)、潤滑不良或溫度過高等造成磨損

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

3)傳動(dòng)軸上有花鍵連接部分，傳動(dòng)軸一端焊有花鍵接頭軸，與萬向節(jié)滑動(dòng)叉的花鍵套結(jié)合，傳動(dòng)軸允許伸縮(2)傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)汽車設(shè)計(jì)4.6傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)(3)傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)①傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速nk表達(dá)式

式中，Lc為傳動(dòng)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(dòng)軸軸管的內(nèi)、外徑（mm）。

安全系數(shù)K=nk/nmax=1.2～2.0，

K=1.2

用于精確動(dòng)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(dòng)軸的最高轉(zhuǎn)速(r/min)。傳動(dòng)軸太長怎么辦？當(dāng)傳動(dòng)軸長度超過1.5m時(shí)，常將傳動(dòng)軸斷開成兩根或三根，萬向節(jié)用三個(gè)或四個(gè)，而在中間傳動(dòng)軸上加設(shè)中間支承。所謂臨界轉(zhuǎn)速，就是當(dāng)傳動(dòng)軸的工作轉(zhuǎn)速接近于其彎曲固有振動(dòng)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(dòng)軸折斷時(shí)的轉(zhuǎn)速。汽車設(shè)計(jì)③花鍵軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度②傳動(dòng)軸軸管斷面的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度式中，[]為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，為300MPa；其余符號同前。

要求滿足扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力:Ts為傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩(N·mm)

要求滿足扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力:式中，T's

為每一個(gè)花鍵齒承受的轉(zhuǎn)矩；dh為花鍵軸的內(nèi)直徑④傳動(dòng)軸花鍵齒側(cè)擠壓強(qiáng)度式中，K‘為花鍵轉(zhuǎn)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(nèi)、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(shè)計(jì)●傳動(dòng)軸總成不平衡是傳動(dòng)系彎曲振動(dòng)的激勵(lì)源，將產(chǎn)生明顯的振動(dòng)和噪聲?！袢f向節(jié)中十字軸