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1、1第五章第五章 万向节与传动轴设计万向节与传动轴设计主要内容重点与难点万向传动轴设计的基本万向传动轴设计的基本要求和万向节的基本结要求和万向节的基本结构形式；构形式；“十字轴十字轴”万向节的运万向节的运动和受力分析及其强度动和受力分析及其强度计算；计算；传动轴的结构方案与强传动轴的结构方案与强度计算。度计算。 重点：重点：“十字轴十字轴”万万向节的运动和受力分向节的运动和受力分析及其强度计算，析及其强度计算，“球笼式球笼式”万向节的万向节的传动及设计原则。传动及设计原则。难点：难点：“十字轴十字轴”万万向节的运动和受力分向节的运动和受力分析。析。2第五章第五章 万向节与传动轴设计万向节与传动轴
2、设计第一节第一节 概述概述第二节第二节 万向节结构方案分析万向节结构方案分析第三节第三节 万向传动的运动和受力分析万向传动的运动和受力分析第四节第四节 万向节设计万向节设计第五节第五节 传动轴结构分析与设计传动轴结构分析与设计3第一节第一节 概述概述一、一、组成组成 万向节、传动轴（中间支承）万向节、传动轴（中间支承）功用：功用：在在相对位置变化的轴相对位置变化的轴间传递转矩、旋转运动间传递转矩、旋转运动4二、设计要求二、设计要求1.1. 保证所连接的两轴在一定的轴间夹角变化范围内，保证所连接的两轴在一定的轴间夹角变化范围内，能可能可靠地传递动力靠地传递动力2.2. 保证所连接的两轴尽可能保证
3、所连接的两轴尽可能等速运转等速运转3.3. 万向节产生的附加载荷万向节产生的附加载荷振动和噪声振动和噪声应在允许范围内应在允许范围内4.4. 传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造维修容易传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造维修容易5三、万向节的应用三、万向节的应用1.1.变速器与驱动桥之间变速器与驱动桥之间62.2.多轴驱动的汽车的分动器与驱动桥之间或驱动桥与驱动桥之间多轴驱动的汽车的分动器与驱动桥之间或驱动桥与驱动桥之间 73.3.发动机发动机与变速器之间（由于与变速器之间（由于车架车架的变形造成轴线间相互位置的变形造成轴线间相互位置变化的两传动部件）变化的两传动部件）84.4.采用独立
4、悬架的汽车采用独立悬架的汽车差速差速器之间器之间95.5.转向驱动车桥的转向驱动车桥的差速差速器与车轮之间器与车轮之间106.6.转向操纵机构中转向操纵机构中11四、万向节的分类四、万向节的分类12 第二节第二节万向节结构方案分析万向节结构方案分析特点特点：结构简单、传动可靠，效率高，应用较为普遍：结构简单、传动可靠，效率高，应用较为普遍1.十字轴万向节十字轴万向节13十字轴万向节构造 万向节叉万向节叉 十字轴、套筒、轴承盖十字轴、套筒、轴承盖万向节叉万向节叉十字轴十字轴套筒套筒14当叉轴当叉轴1以等角速度以等角速度 1旋转，旋转，A点的瞬时点的瞬时线速度可求：线速度可求： A= 1r= 2r
5、cos 2 1 速度特性速度特性 当叉轴当叉轴1转过转过900后，后，B点的瞬时线速度可点的瞬时线速度可求：求： B= 1rcos = 2r 2 1 不等速性不等速性 15不等速性曲线图不等速性曲线图 16准等速万向节n 双联叉相当于两个在双联叉相当于两个在同一平面内的万向节同一平面内的万向节叉叉 n 欲使两轴角速度相等，欲使两轴角速度相等，应保证应保证1 1=2 22.双联式万向节双联式万向节n 特点：特点：允许有较大的允许有较大的轴间夹角，轴承密封轴间夹角，轴承密封性好、效率高、制造性好、效率高、制造工艺简单、加工方便、工艺简单、加工方便、工作可靠，但外形尺工作可靠，但外形尺寸大。多用于越
6、野汽寸大。多用于越野汽车。车。 173.三销轴式万向节三销轴式万向节准等速万向节n由双联式万向节演变而来由双联式万向节演变而来n特点特点：允许相邻两轴间有较大：允许相邻两轴间有较大的夹角，但外形尺寸大，零件的夹角，但外形尺寸大，零件形状复杂，多用于一些越野车形状复杂，多用于一些越野车的转向驱动桥。的转向驱动桥。 4.凸块式万向节凸块式万向节n特点特点：工作可靠、加工简单、：工作可靠、加工简单、允许的万向节夹角较大，但效允许的万向节夹角较大，但效率低，多用于中型以上越野车率低，多用于中型以上越野车的转向驱动桥。的转向驱动桥。 18等速万向节5.球叉式万向节球叉式万向节等速原理等速原理保证万向节在
7、工作过程中的传保证万向节在工作过程中的传力点永远位于两轴交角的平分力点永远位于两轴交角的平分面上面上n特点特点：结构简单，在夹角小于：结构简单，在夹角小于32-33的条件下能正常工作，的条件下能正常工作，但磨损较快，多用于轻、中型但磨损较快，多用于轻、中型越野车的转向驱动桥。越野车的转向驱动桥。 19等速万向节6.球笼式万向节球笼式万向节n特点特点：工作可靠、传动效率高、：工作可靠、传动效率高、结构紧凑，但制造精度要求高，结构紧凑，但制造精度要求高，成本高，广泛应用于独立悬架成本高，广泛应用于独立悬架的转向驱动桥。的转向驱动桥。 20第三节第三节 万向传动的运动和受力分析万向传动的运动和受力分
8、析12212cossin1cos由机械原理知识可以得到：由机械原理知识可以得到：一一 、单十字轴万向节传动、单十字轴万向节传动1 1、转速关系、转速关系21360,180,0)11当时cos1121max2cos1即时当270,90 )21cos121min2cos即2 2、不等速性分析（假设主动轴等速转动）、不等速性分析（假设主动轴等速转动）当主动轴以等角速度转动时，从动轴时快时慢，这就是十当主动轴以等角速度转动时，从动轴时快时慢，这就是十字轴万向节传动的字轴万向节传动的不等速性不等速性。用转速不均匀系数用转速不均匀系数K K来表示：来表示： tgKsin1min2max2越大，越大，K K
9、越大，转动越不均匀越大，转动越不均匀223.3.从动轴转矩从动轴转矩T T2 2;cos 1max2212TTT达到最大，最小时，当2211TT若忽略摩擦损失，则输入、输出轴上的功应相等：若忽略摩擦损失，则输入、输出轴上的功应相等：假设输入轴转矩假设输入轴转矩T1不变，则不变，则：。达到最小，最大时，当cos 1min2212 TTT当当T1与与一定时，一定时， T2在最大值与最小值之间变化，且在最大值与最小值之间变化，且每转一转变化两次每转一转变化两次1cos12cos2sin12TT234.4.附加弯曲力矩附加弯曲力矩当十字轴万向节具有夹角时，除主动轴驱动转矩当十字轴万向节具有夹角时，除主
10、动轴驱动转矩T T1 1、从动轴从动轴反转矩反转矩T T2 2之外，还有作用在主动叉平面的弯曲力矩之外，还有作用在主动叉平面的弯曲力矩T T1 1 、从动叉、从动叉平面的弯曲力矩平面的弯曲力矩T T2 2 时，、01时，、2/32/1T1、T2 呈周期性变化，每转一周变化两次呈周期性变化，每转一周变化两次sin0121TTT0211TtgTT24T2使从动叉轴支承受周期性变化的径向载荷使从动叉轴支承受周期性变化的径向载荷21222sinLTLTFj附加弯矩会激起支撑处的振动，使传动轴产生应力、变形，附加弯矩会激起支撑处的振动，使传动轴产生应力、变形，从而降低传动轴的疲劳强度从而降低传动轴的疲劳
11、强度5.5.附加弯曲力矩的影响附加弯曲力矩的影响T1使主动叉轴支承受周期性变化的径向载荷使主动叉轴支承受周期性变化的径向载荷cos212LtgTFc应避免两轴之间夹角过大应避免两轴之间夹角过大25二、双十字轴万向节传动二、双十字轴万向节传动倘若主动轴等速转动，则从动轴不等速转动，且倘若主动轴等速转动，则从动轴不等速转动，且愈大，转愈大，转动的不等速性愈大动的不等速性愈大对于双万向节传动轴，若要使输入轴和输出轴等速旋转，对于双万向节传动轴，若要使输入轴和输出轴等速旋转，需满足以下条件：需满足以下条件：u传动轴两端的万向节叉位于同一平面内传动轴两端的万向节叉位于同一平面内u两万向节夹角相等，即两万
12、向节夹角相等，即1 1= = 2 226附加弯矩引起的变形附加弯矩引起的变形两万向节叉所受的附加弯两万向节叉所受的附加弯矩彼此平衡，使传动轴发矩彼此平衡，使传动轴发生弹性弯曲，从而引起传生弹性弯曲，从而引起传动轴的弯曲振动动轴的弯曲振动两万向节叉所受的附加弯两万向节叉所受的附加弯矩方向相同，不能平衡，矩方向相同，不能平衡，传动轴发生弹性弯曲，对传动轴发生弹性弯曲，对两端十字轴产生大小相等、两端十字轴产生大小相等、方向相反的径向力方向相反的径向力27第四节 万向节设计计算一一、计算载荷、计算载荷Ts1max,iTenikiTkTfedse1max1niikiTkTfedse201max2mmrS
13、SiirmGT0221mmr112SSi 2rmGTniirFTmm0rt1SFni 2rFTmmrt2SF静强度计算时，计算载荷静强度计算时，计算载荷TS取取TSe1和和TSS1（或（或TSe2和和TSS2）的较小值；）的较小值；进行疲劳寿命计算时，计算载荷进行疲劳寿命计算时，计算载荷TS取取TSF1或或TSF2。 28二、十字轴万向节设计二、十字轴万向节设计1 1、损坏、失效形式：、损坏、失效形式：v十字轴轴颈、滚针轴承磨损十字轴轴颈、滚针轴承磨损v十字轴轴颈、滚针轴承碗表面出现压痕和剥落十字轴轴颈、滚针轴承碗表面出现压痕和剥落v十字轴轴颈根部断裂（失效）十字轴轴颈根部断裂（失效）第四节
14、万向节设计计算2 2、轴颈根部强度计算、轴颈根部强度计算作用于十字轴轴颈中点的力：作用于十字轴轴颈中点的力：轴颈根部的弯曲应力轴颈根部的弯曲应力: : = 250-350MPa = 250-350MPa 轴颈根部的剪切应力轴颈根部的剪切应力: : = 80-120MPa = 80-120MPa 12 cosTFr1441232()wwd Fsdd22124 ()Fdd293 3、十字轴滚针轴承的接触应力、十字轴滚针轴承的接触应力 其中：其中：L Lb b 为滚针工作长度为滚针工作长度(mm)(mm)， L L为滚针总长度为滚针总长度(mm) (mm) F Fn n为单个滚针所受的最大载荷为单个
15、滚针所受的最大载荷(N)(N)i i滚针列数；滚针列数；Z Z每列中的滚针数。每列中的滚针数。 许用接触应力许用接触应力j j=3000=30003200MPa3200MPa)11(27201jbnjLFddZiFFn6 .40(0.15 1.00)bLLd304 4、万向节叉的强度计算、万向节叉的强度计算危险截面：危险截面：与十字轴轴孔中心线成与十字轴轴孔中心线成4545的的B BB B截面处截面处弯曲应力弯曲应力 = 5080MPa扭转应力扭转应力 = 80160MPa.wwF eW .tF aW5 5、十字轴万向节的传动效率、十字轴万向节的传动效率 102tan1dfr )25(时v通常
16、约为通常约为97%97%9999 31三、球笼式万向节设计三、球笼式万向节设计Rzeppa型球笼式万向节设计型球笼式万向节设计假定六个传力钢球均匀受载，则钢球的直径可按下假定六个传力钢球均匀受载，则钢球的直径可按下列经验公式确定：列经验公式确定：d为钢球直径（为钢球直径（mm）T1计算转矩（计算转矩（N.mm）计算钢球直径应圆整并取最接近国家标准的直径计算钢球直径应圆整并取最接近国家标准的直径。341101 .2Td32其他零件尺寸的确定当钢球的直径当钢球的直径d确定后，其中的球笼、星形套等零件及有关结构确定后，其中的球笼、星形套等零件及有关结构尺寸，可按如下关系确定：尺寸，可按如下关系确定：
17、1)1)钢球中心分布圆半径钢球中心分布圆半径 R=1.71dR=1.71d2)2)星形套宽度星形套宽度 B B=1.8=1.8d d3)3)球笼宽度球笼宽度 B B1 1=1.8=1.8d d4)4)星形套滚道底径星形套滚道底径 D D1 1=2.5=2.5d d5)5)万向节外径万向节外径 D D=4.9=4.9d d6)6)球笼厚度球笼厚度 b b=0.185=0.185d d7)7)球笼槽球笼槽( (孔孔) )宽度宽度 b b1 1= =d d8)8)球笼槽球笼槽( (孔孔) )长度长度 L L=(1.33=(1.33-1.8)-1.8)d d( (普通型取下限，长型取上限普通型取下限，
18、长型取上限) )9)9)滚道中心偏置距滚道中心偏置距 h h=0.18=0.18d d10)10)轴颈直径轴颈直径 d d1.41.4d d11)11)星形套花键外径星形套花键外径 D D2 21.551.55d d12)12)球形壳外滚道长度球形壳外滚道长度 L L1 1=2.4=2.4d d13)13)中心偏移角中心偏移角 66333.挠性万向节设计挠性万向节设计 盘式挠性万向节橡胶盘的拉应力和挤压应力应满足盘式挠性万向节橡胶盘的拉应力和挤压应力应满足Tmax为万向节静强度计算转矩，为万向节静强度计算转矩，i为一个万向节叉上的为一个万向节叉上的螺栓数，螺栓数，R为橡胶盘平均半径，为橡胶盘平
19、均半径，R1、R2为橡胶盘外、内为橡胶盘外、内半径，半径，b为橡胶盘厚度，为橡胶盘厚度，d0为螺栓孔直径为螺栓孔直径许用拉应力许用拉应力12-15MPa，许用挤压应力，许用挤压应力8MPa。jjLLiRbdTdRRiRbT0max021max)(34第五节第五节 传动轴结构分析与设计传动轴结构分析与设计由传动轴及其两端焊接的花键和万向节叉组成。传动轴由传动轴及其两端焊接的花键和万向节叉组成。传动轴中一般设有由滑动叉和花键轴组成的滑动花键，以实现传动中一般设有由滑动叉和花键轴组成的滑动花键，以实现传动长度的变化。长度的变化。 1.1.传动轴总成传动轴总成2.2.传动轴的结构形式传动轴的结构形式v
20、实心实心用于转向驱动桥、断开式驱用于转向驱动桥、断开式驱 动桥、微型车万向传动装置动桥、微型车万向传动装置v空心空心用于用于FRFR传动系的万向传动轴传动系的万向传动轴353.3.传动轴的参数传动轴的参数v长度、夹角：长度最大时不脱落；最小时不顶死长度、夹角：长度最大时不脱落；最小时不顶死 夹角影响传动效率、旋转不均匀性、寿命夹角影响传动效率、旋转不均匀性、寿命v临界转速：发生共振时的工作转速临界转速：发生共振时的工作转速z共振：质量不均衡引起的离心力使传动轴剧烈振动共振：质量不均衡引起的离心力使传动轴剧烈振动2c2c2c8kLdD102 . 1n临界转速临界转速提高临界转速的办法：提高临界转速的办法：1 1）缩短传动轴长度；）缩短传动轴长度；2 2）总长度不变的情况下，将传动轴分成几段；）总长度不变的情况下，将传动轴分成几段；3 3）将传动轴做成空心的（无缝钢管或）将传动轴做成空心的（无缝钢管或1.51.53mm3mm厚的薄厚的薄钢板卷焊）钢板卷焊）36应保证有足够的扭转强度，轴管的扭转切应力应满足应保证有足够的扭转强度，轴管的扭转切应力应满足 MPadDTDccccc300)(16441v扭转强度扭转强度提高传动轴动平衡的方法提高传动轴动平衡的方法传动轴两端点焊平衡片传动轴两端点焊平衡片3738