第十七章萬向傳動裝置

1、第十七章 萬向傳動裝置萬向傳動裝置一般由萬向節(jié)和傳動軸組成，有時還加裝中間支承。汽車上任何一對軸線相交且相對位置經(jīng)常變化的轉軸之間的動力傳遞，均須通過萬向傳動裝置。在發(fā)動機前置后輪驅動的汽車上，變速器常與發(fā)動機、離合器連成一體支承在車架上，而驅動橋則通過彈性懸架與車架連接（圖17-1）。變速器輸出軸軸線與驅動橋的輸入軸軸線難以布置得重合，并且在汽車行駛的過程中，由于不平路面的沖擊等因素，彈性懸架系統(tǒng)產(chǎn)生振動，使二軸相對位置經(jīng)常變化，故變速器的輸出咒語驅動橋輸入軸不可能剛性連接，而必須采用一般由兩個萬向節(jié)和一根傳動軸組成的萬向傳動裝置（圖17-2a）。在變速器與驅動橋距離較遠的情況下。應將傳動軸

2、分成兩段（圖17-2b），即主傳動軸3和中間傳動軸5，用三個十字軸萬向節(jié)2，且在中間傳動軸后短設置了中間支承6。這樣，可避免因傳動軸過長而產(chǎn)生的自振頻率降低，高轉速下產(chǎn)生共振；同時提高了傳動軸的臨界轉速和工作可靠性。對于雙軸驅動的越野汽車（圖17-2c），當變速器1與分動器7分開布置時，雖然他們都支承在車架上，而且在設計時，使其軸線重合，但為了消除制造、裝配誤差以及車架變形對傳動的影響。在其間也經(jīng)常設有中間傳動軸5。為了傳遞動力，在分動器與轉向驅動橋之間又設置了前橋驅動軸9。在三軸驅動的越野汽車中，中后橋的驅動形式有兩種，即貫通式（圖17-2d）和非貫通式（圖17-2e）。若采用非貫通式結構是

3、，其后橋傳動軸11也必須設置中間支承14，并常將其固定于中驅動橋殼上（參看圖17-27）。對于轉向驅動橋，前輪既是轉向輪又是驅動輪。作為轉向輪，要求它能在最大轉角范圍內任意偏轉某一角度；作為驅動輪，則要求半軸在車輪偏轉過程中不間斷的把動力從主減速器傳到車輪。因此，轉向驅動橋的半軸不能制成整體而要分段，且用萬向節(jié)連接，以適應汽車行駛時半軸各段的交角不斷變化的需要。若采用獨立懸架，則在靠近主減速器處也需要有萬向節(jié)（圖17-2f）；若前驅動輪用非獨立懸架，只須在轉向輪附近裝一個萬向節(jié)（圖17-2g）。萬向傳動裝置除用于汽車的傳動系外，還可用與動力輸出裝置和轉向操縱機構。 第一節(jié) 萬向節(jié)萬向節(jié)按其在扭

4、轉方向上是否明顯的彈性，可分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié)。在前者中，動力是靠零件的鉸鏈式聯(lián)接傳遞的，而在后者者則靠彈性零件傳遞，且有緩沖減震作用。剛性萬向節(jié)又可分為不等速萬向節(jié)（常用的是十字軸式），準等速萬向節(jié)（雙聯(lián)式，三銷軸式等）和等速萬向節(jié)（球叉式，球籠式等）。一、十字軸式剛性萬向節(jié)十字軸式剛性萬向節(jié)因其結構簡單，傳動可靠，效率高，且允許兩傳動軸之間有較大的交角（一般為15º20º），故普遍用于各類汽車的傳動系中。（1）十字軸式剛性萬向節(jié)的構造及潤滑，圖17-3所示為十字軸式剛性萬向節(jié)的構造。兩萬向節(jié)叉2和6的孔分別活套在十字軸4的兩對軸頸上。這樣，當主動軸轉動時，從動軸即

5、可隨之轉動，又可繞十字軸中心的任意方向擺動。為了減少摩擦損失，提高傳動效率，在十字軸軸頸和萬向節(jié)叉孔間裝有由滾針8和套筒9組成的滾針軸承。然后用螺釘和軸承蓋1將套筒9固定在萬向節(jié)叉上，并用鎖片將螺釘鎖緊，以防止軸承在離心力作用下從萬項節(jié)叉內脫出。為了潤滑軸承，十字軸做成中空的，并有路通向軸頸。潤滑油從注油嘴3注入十字軸內腔。為避免將潤滑油流出及灰塵進入軸承，在十字軸的軸頸上套著裝在金屬座圈內的毛氈油封7。在十字軸的中部還裝有帶彈簧的安全閥5。如果十字軸內腔的潤滑油壓力大于允許值，安全閥即被頂開而潤滑油外溢，使油封不致因油壓過高而損壞。十字軸式萬向節(jié)的損壞是以十字軸頸和滾針軸承的磨損為標志的,因

6、此潤滑與密封直接影響萬向節(jié)的使用壽命.為了提高密封性能,近年來在十字軸式萬向節(jié)多采用圖17-4所示的橡膠油封。實踐證明，橡膠油封的密封性能遠優(yōu)于老式的毛氈或軟木墊油封。當用注油槍向十字軸內腔注入潤滑油而是內腔油壓大于允許值時，多余的潤滑油便從橡膠油封內圓表面與十字軸軸頸接觸處溢出，故在十字軸上無需安裝安全閥。萬向節(jié)中常見的滾針軸承的軸向定位方式,除上述蓋板式外,還應用內,外擋圈固定式(圖17-5和圖17-6)。其特點是工作可靠，零件少，結構簡單。（2）十字軸式剛性萬向節(jié)傳動的不等速性，單個十字軸式剛性萬向節(jié)在輸入軸和輸出軸之間有夾角的情況下，其兩軸的角速度是不相等的。下面就單萬向節(jié)傳動過程中的

7、兩個特殊位置進行運動分析，說明它傳動的不等速性。1）主動叉在垂直位置，并且十字軸平面與主動軸垂直的情況（圖17-7a）主動叉與十字軸連接點a的線速度在十字軸平面內；從動叉與十字軸連接點b的線速度可分解為在十字軸平面內的速度和垂直與十字軸平面的速度。由速度直角三角形可以看出。十字軸各股相等，即oa=ob。當萬向節(jié)傳動時，十字軸是繞o點轉動的，其上a、b兩點與十字軸平面內的線速度在數(shù)值上應相等，即。因此。由此可知，當主、從動叉轉到所述位置時，從動軸的轉速大于主動軸的轉速。2）主動叉在水平位置，并且十字軸平面與從動軸垂直時的情況（圖17-7b）。此時主動叉與十字軸連接點a的線速度在平行于從動叉的平面

8、內，并且垂直于主動輪。線速度可分解為在十字軸平面內的速度和垂直于十字軸平面的速度。根據(jù)與上述同樣的道理，在數(shù)值上，而。因此，即當主、從動叉轉到所述位置時，從動軸轉速小于主動軸轉速。由上述兩個特殊情況的分析可以看出，十字軸式萬向節(jié)在轉動過程中，主，從動軸的轉速是不相等的。圖17-7c表示兩軸轉角差隨主動軸轉角的變化關系。有圖可見，主動軸轉角在090º的范圍內，從動轉角相對主動軸是超前的，即并且兩轉角差在=45º時達到最大值，隨后差值減小，即在此區(qū)間從動軸旋轉速度大于主動軸旋轉速度，且先加速后減速。當主動軸轉到90º時，從動軸也同樣轉到90º。 從90

9、86;到180º，從動軸轉角相對主動軸是滯后的，即，并且兩轉角差值在為135º時達到最大值，隨后差值減小，即在此區(qū)間從動軸旋轉速度小于主動軸旋轉速度，且先減速后加速。當主動軸轉到180º時，從動軸也同時轉到180º。后半周情況與前半周相同。因此，如果主動軸以等角速轉動，而從動軸則時快時慢，此即單個十字軸萬向節(jié)在有夾角時轉動的不等速性。必須注意的是，所謂的“傳動的不等速性”，是指從動軸在一周中角速度不均而言。而主、從動軸的平均轉速是相等的，即主動軸轉過一周從動軸也轉過一周。由圖17-7c還可以看出，兩軸交角越大，轉角差越大，即萬向節(jié)轉動的不等速性越嚴重。此

10、現(xiàn)象由上述兩個特殊情況下的速度分析也可得到說明。從圖17-7a和b可以看出，與之差值，實際上就是和，或 與 之差值。在速度直角三角形內，若夾角（即主從動軸的交角）增大，則與或與的差值就越大。單萬向節(jié)轉動的不等速性，將使從動軸及與其相連的傳動部件產(chǎn)生扭轉振動，從而產(chǎn)生附加的交變載荷，影響部件壽命。（3）雙萬向節(jié)傳動的等速條件 從以上分析可以想到，在兩軸（例如變速器的輸出軸和驅動橋的輸入軸）之間，若采用如圖17-8所是的雙（十字軸式）萬向節(jié)傳動，則第一萬向節(jié)的不等速效應就有可能被第二萬向節(jié)的不等速效應所抵消，從而實現(xiàn)兩軸間的等角速傳動。必須滿足以下兩個條件：第一萬向節(jié)兩軸間夾角與第二萬向節(jié)兩軸間夾

11、角相等；第一萬向節(jié)的從動叉與第二萬向節(jié)的主動叉處于同一平面內。后一條件完全可以由傳動軸和萬向節(jié)的正確裝配來保證。但是，前一條件（）只能在采用驅動輪獨立懸架時，才有可能通過整車的總布置設計和總裝配工藝的保證來實現(xiàn)，因為在此情況下，主減速器和變速器的相對位置是固定的。在驅動輪擦采用非獨立懸架時，由于彈性懸架的振動，驅動橋輸入軸與變速器輸出軸的相對位置不斷變化，不可能在任何時候都保證，因而此時這兩部件之間的萬向傳動只能做到傳動的不等速性盡可能小。就每一個萬向節(jié)而言，只要存在的交角或，萬向節(jié)在工作過程中內部各零件之間就有相對運動，因而導致摩擦損失，降低傳動效率。交角越大，則效率越低。因此，在汽車總體布

12、置上，應盡量減小和。上述雙萬向節(jié)傳動雖能近似的解決等速傳動問題，但在某些情況下，例如轉向驅動橋的分段半軸間，在布置上受軸向尺寸的限制，而且轉向輪要去偏轉角度大（30º40º），因而上述雙萬向節(jié)傳動已難以適應。在長期實踐過程中，人們創(chuàng)造了各種等速和準等速萬向節(jié)。只要用一個這樣的萬向節(jié)，即能實現(xiàn)或基本實現(xiàn)等角速傳動。在轉向驅動橋及獨立懸架的后驅動橋中，廣泛采用等角速萬向節(jié)。二、準等速萬向節(jié)和等速萬向節(jié)（一）準等速萬向節(jié)準等速萬向節(jié)是根據(jù)上述雙萬向節(jié)實現(xiàn)等速傳動的原理而實現(xiàn)的，常見的有雙聯(lián)式和三銷軸式萬向節(jié)。1.雙聯(lián)式萬向節(jié)雙聯(lián)式萬向節(jié)實際上是一套傳動軸長度縮減至最小的雙萬向節(jié)等

13、速傳動裝置。圖17-9中雙聯(lián)叉3相當于兩個在同一平面上的萬向節(jié)叉。欲使軸1和軸 2的角速度相同，應保證。為此，在雙聯(lián)式萬向節(jié)結構中裝有分度機構，以期雙聯(lián)叉的對稱線平分所連兩軸的夾角。圖17-10為雙聯(lián)式萬向節(jié)的結構實例。在萬向節(jié)叉6的內端有球頭，與球碗9的內圓面配合，球萬座2則鑲嵌在萬向節(jié)叉1內端。球頭與球碗的中心與十字軸中心的連線中點重合。當萬向節(jié)叉6相對萬向節(jié)叉1在一定角度范圍內擺動時，雙聯(lián)叉5也被帶動偏轉相應的角度，使兩十字軸中心連線與兩萬向節(jié)叉1和6的軸線的交角（即圖17-9中的和）差值很小，從而保證兩軸角速度保證相等，其差值在容許范圍內，故雙聯(lián)式萬向節(jié)具有準等速性。雙聯(lián)式萬向節(jié)用于轉

14、向驅動橋時，可以沒有分度機構，但必須在結構上保證雙聯(lián)式萬向節(jié)中心位于注銷軸線與半軸軸線的交點，以保證準等速傳動。雙聯(lián)式萬向節(jié)允許有較大的軸間夾角，且具有結構簡單，制造方便，工作可靠等優(yōu)點，故在轉向驅動橋中的應用逐漸增多。北京吉普汽車有限公司生產(chǎn)的切諾基輕型越野汽車的前傳動軸與分動器前輸出軸之間，即采用這種雙聯(lián)式萬向節(jié)。 2.三銷軸式萬向節(jié) 三銷軸式萬向節(jié)是雙聯(lián)式萬向節(jié)演變而來的準等速萬向節(jié)。圖17-11所示為東風EQ2080型汽車的轉向驅動橋中所采用的三銷軸式萬向節(jié)。它主要由兩個偏心軸叉1和3，兩個三銷軸2和4以及6個軸承，密封件等組成。主、從動偏心軸叉分別與轉向驅動橋內，外半軸制成一體。叉孔

15、中心線與叉軸中心線互相垂直但不相交。兩叉由兩個三銷軸連接。三銷軸的大端有一穿通的軸承孔，其中心線與小端軸頸中心線重合?？拷蠖藘蓚扔袃奢S頸，其中心線與小端軸頸中心線垂直并相交。裝合時，每一偏心叉軸的的兩叉孔與一個三銷軸的大端兩軸頸配合，而后兩個三銷軸的小端軸頸互相插入對方的大端軸承孔內，這樣便形成了，和和三根軸線。 在與主動偏心軸叉1相連的三銷軸4的兩個軸頸端面和軸承座6之間，裝有推力墊片10。其余各軸頸端面均無推力墊片，且斷面與軸承座之間留有較大的空隙，以保證在轉向時三銷軸萬向節(jié)不致發(fā)生運動干涉現(xiàn)象。 三銷軸式萬向節(jié)的最大特點是允許相鄰兩軸有較大的交角，最大可達45º。在轉向驅動橋

16、中采用這種萬向節(jié)可使汽車獲得較小的轉彎半徑，提高汽車的機動性。其缺點是占用空間較大。國產(chǎn)富康轎車前轉向驅動橋中的半軸和輪轂之間，也采用了這種三銷軸式準等速萬向節(jié)。（二）等速萬向節(jié)等速萬向節(jié)的基本原理是，從結構上保證萬向節(jié)在工作過程中的傳力點永遠位于兩軸結交點的平分面上。圖17-12為一對大小相同的錐齒輪傳動示意圖。兩齒輪的接觸點P位于兩齒輪軸線交角的平分面上，由P點到兩軸的垂直距離都等于r，在P點處兩齒輪的圓周速度是相等的，因而兩齒輪旋轉的角速度也相等。與此相似，若萬向節(jié)的傳力點在其交角變化時始終位于角平分面內，則可使兩萬向節(jié)叉保持等角速度的關系。目前采用較廣的球叉式萬向節(jié)和球籠式萬向節(jié)均根據(jù)

17、這一原理制成。1 球叉式萬向節(jié)球叉式萬向節(jié)的構造如圖17-13所示。主動叉5與從動叉1分別與內外半軸制成一體。在主、從動叉上，各有四個曲面凹槽，裝合后形成兩個相交的環(huán)形槽作為鋼球滾道。四個傳動鋼球4放在槽中，中心鋼球6放在兩叉中心的凹槽內，以定中心。為順利的將鋼球裝入槽中，在中心鋼球6上銑出一個凹面，凹面中央有深孔。裝合時，現(xiàn)將定位銷3裝入從動叉內，放入中心鋼球，然后在兩球叉槽中陸續(xù)裝入三個從動鋼球，在將中心鋼球的凹面對向未放鋼球的凹槽，以便裝入第四個傳動鋼球，提起從動叉軸使定位銷3插入球孔中，最后將鎖止銷2插入從動叉上與定位銷垂直的孔中，以限制定位銷軸向移動，保證中心鋼球的正確位置。這種結構

18、的等角速傳動原理可按圖17-14來說明：主動叉和從動叉的中心線是以為圓心的兩個半徑相等的圓，而圓心與萬向節(jié)中心O的距離相等。因此，在主動軸和從動軸以任何角度相交的情況下，傳動鋼球中心都位于兩圓的交點上，以即所有傳動鋼球都位于角平分面上，因而保證了等角速傳動。球叉式萬向節(jié)結構簡單，允許最大交角為32º33º，一般應用于轉向驅動橋中，如圖17-15所示。近年來，有些球叉式萬向節(jié)中省去了定位銷和鎖止銷，中心鋼球上也沒有凹面，靠壓力裝配。這樣，結構更為簡單，但拆裝不便。球叉式萬向節(jié)工作時，只有兩個鋼球傳力，反轉時，則由另兩個鋼球傳力。因此，鋼球與曲面凹槽之間的單位壓力越大，磨損較快

19、，影響使用壽命。1. 球籠式萬向節(jié)球籠式萬向節(jié)的結構如圖17-16所示。星形套7以內花鍵與主動軸1相連，其外表面有6條凹槽，形成內滾道。球形殼8的內表面有相應的6條凹槽，形成外滾道。6個鋼球6分別裝在各條凹槽中，并由保持架4使之保持在一個平面內，動力由主動軸1經(jīng)鋼球6，球形殼8輸出。球籠式萬向節(jié)的等速傳動原理，如圖17-17所示。外滾道的中心A與內滾道的中心B分別位于萬向節(jié)中心O為球心。因此，當兩軸交角變化時，保持架可沿內，外球面滑動，以保持鋼球在一定位置。由圖17-17可見，由于OA=OB，CA=CB，CO是共邊，則三角形COA與COB全等。因此，COA=COB，即兩軸相交任意角時，其傳力鋼

20、球C都位于交角平分面上。此時，鋼球到主動軸和從動軸的距離a和b相等，從而保證了從動軸與主動軸以相等的角速度旋轉。球籠式等角速萬向節(jié)在兩軸最大交角47º的情況下，仍可傳遞轉矩，且在工作時，無論傳動方向如何，6個鋼球全部傳力。與球叉式萬向節(jié)相比，其承載能力強，結構緊湊，拆裝方便，因此應用越來越廣泛。例如，國產(chǎn)紅旗牌CA7220型，捷達，桑塔納，夏利等轎車，其前轉向驅動橋的轉向節(jié)處均采用這種球籠式等速萬向節(jié)。該結構形式簡稱RF節(jié)。伸縮型球籠式萬向節(jié)（簡稱VL節(jié)）的結構如圖17-18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2與筒形殼4可沿軸向相對移動，故可省去其他萬向

21、裝置中必須有的滑動花鍵。這不僅是結構簡化，而且使星形套2與筒形套4之間的軸向相對移動是通過鋼球5沿內、外滾道滾動實現(xiàn)的，與滑動花鍵相比，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)作等角速傳動。上述幾種國產(chǎn)轎車所采用的伸縮型球籠式萬向節(jié)（VL節(jié)），在傳動驅動橋中均布置在靠傳動器一側（內側），而軸向不能伸縮的球籠式萬向節(jié)（RF節(jié)）則布置在轉向節(jié)處（外側），如圖17-19所示。三、撓性萬向節(jié)撓性萬向節(jié)依靠其中彈性件變形來保證在相交兩軸間傳動時不發(fā)生機械干涉。彈性件可以是橡膠盤，橡膠金屬

22、套筒，六角形橡膠圈或其他結構形式。由于彈性件的彈性變形量有限，故撓性萬向節(jié)一般用于兩軸間夾角不大（3º5º）和只有微量軸向位移的萬向傳動場合。例如，常用來連接固定安裝在車架上的兩個部件（如發(fā)動機與變速器或變速器與分動器）之間，以消除制造安裝誤差和車架變形對傳動的影響。此外，它還具有能吸收傳動系中的沖擊載荷和衰減扭轉振動，結構簡單，無需潤滑等優(yōu)點。圖17-20所示為原上海SH380A型自卸汽車上用來聯(lián)接發(fā)動機輸出軸與液力機械變速器輸入軸的撓性萬向節(jié)。它主要由借螺栓固定在發(fā)動機飛輪上的大圓盤2，與花鍵轂5鉚接在一起的連接圓盤4，連接二者的四幅彈性連接件3以及定心用的中心軸1組成

23、。 彈性連接件的結構如圖17-21所示。兩個橡膠塊1裝在兩半對和的外殼3中，每個橡膠塊中有一襯套2。每幅彈性連接件中的一個橡膠塊用螺栓固定在大圓盤上，而另一橡膠塊用螺栓固定與連接圓盤上（參看圖17-20）。動力經(jīng)大圓盤輸入，通過襯套傳給每一幅彈性連接件中的一個橡膠塊，在經(jīng)外殼，另一橡膠塊和襯套傳給連接圓盤，最后經(jīng)花鍵轂和花鍵軸輸出。對于徑向剛度較小的撓性萬向節(jié)，主、從動件之間應有定中心裝置，以免轉速升高時由于軸線偏離加大而產(chǎn)生振動和噪聲。圖17-20所示結構中，即靠大圓盤上中心軸1的球面與花鍵轂的內圓面配合來定心。第二節(jié) 傳動軸和中間支撐常見的輕中型貨車中，連接變速器與驅動橋的傳動軸部件由傳動

24、軸及其兩端焊接的花鍵軸和萬向節(jié)叉組成。汽車行駛過程中，變速器與驅動橋的相對位置經(jīng)常變化，為避免運動干涉，傳動軸中設有由滑動叉和花鍵軸組成的滑動花鍵連接，以實現(xiàn)傳動軸長度的變化。為減少摩損，還裝有用以加注滑脂的油嘴、油封、堵塞和防塵套。傳動軸在高速旋轉時，由于離心力作用將產(chǎn)生劇烈振動。因此，當傳動軸與萬向節(jié)裝配后，必須滿足動平衡要求。圖17-22中的零件3即為平衡用的平衡片。平衡后，在萬向節(jié)滑動叉13與主傳動軸16上刻有裝配位置標記21，以便拆卸后重裝時保持 二者的相對角位置不變。傳動軸過長時，自振頻率降低，易產(chǎn)生共振，故常將其分為兩段并加中間支承。前段稱中間傳動軸（如圖17-22上部所示），后

25、段為主傳動軸（如圖17-22下部所示）。為了得到較高的強度和剛度，傳動軸多做成空心的，一般用厚度為1.53.0mm的薄鋼板卷焊成。超重型貨車的傳動軸則直接采用無縫鋼管。在轉向驅動橋，斷開式驅動橋或微型汽車的萬向傳動裝置中，通常將傳動軸制成實心軸。為了減小傳動軸中花鍵連接的軸向滑動阻力和磨損，可對花鍵進行磷化處理或噴涂尼龍層。有的則在花鍵槽內滾動元件，如國外有的汽車采用了圖17-23所示的圓柱滾子式花鍵連接。在傳動軸內套管3上制有4個均布的夾角為90º的凹槽（滾道），在傳動軸外套管2上也相應的制有4個均布的夾角為90º的貫通凹槽（滾道）。內外套管的凹槽裝配吻合后，放入滾柱1，并使相鄰的滾柱各按向右或向左的順序間隔排列。內外傳動套管3和2的兩端裝有擋圈4，以防滾柱1脫落及限定內外套管的位移量。工作中，內外套管的相對滑動，有滾柱在凹槽內滾動實現(xiàn)。當傳動軸逆時針方向旋轉時（圖17-23中A-A剖視），各凹槽中向右傾斜安裝的滾柱傳力；反之，向左傾斜的滾柱傳力。此外，有些轎車的斷開式后驅動橋中，采用了如圖17-24所示的半軸滾動花鍵連接。在萬向節(jié)套管叉2與外半軸3之間裝有花鍵軸套1。套管叉2的內圓表面開有三條凹槽，與此相應，花鍵軸套1的外圓表面