汽車總體設(shè)計-第四章

4萬向傳動軸設(shè)計教學(xué)提示：萬向節(jié)傳動用于不同軸線的兩軸間或在工作過程中相對位置不斷變化的兩軸間的動力傳遞。本章主要講解萬向節(jié)的分類、工作原理，萬向傳動的運動和受力分析、萬向節(jié)設(shè)計、傳動軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計等基本內(nèi)容，還介紹了萬向傳動軸的設(shè)計實例。教學(xué)要求：了解等速萬向節(jié)、準(zhǔn)等速萬向節(jié)和不等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)方案，傳動軸的中間支承結(jié)構(gòu)，熟練掌握十字軸萬向節(jié)的設(shè)計計算、傳動軸的設(shè)計計算。通過設(shè)計實例深入理解和掌握萬向傳動軸的設(shè)計過程。4.1 概 述汽車上的萬向傳動軸，由萬向節(jié)、軸管及其伸縮花鍵等組成。在工作過程中，在汽車上有些軸之間的相對位置不斷發(fā)生變化，例如，變速器輸出軸和驅(qū)動橋輸入軸之間。為解決這些軸之間的動力傳動問題，就需要使用萬向傳動裝置。對于長軸距的汽車，還需要加裝中間支承。萬向傳動裝置的布置方案如下：驅(qū)動橋與變速器之間距離不大時，常采用兩個萬向節(jié)和一根傳動軸的結(jié)構(gòu)。，如圖4.1(a)所示。此時，必須在中間傳動軸上加設(shè)中間支承?？s短傳動軸長度的目的主要是提高傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速，以免工作時發(fā)生共振。(不包括轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋上的等角速萬向節(jié)如圖4.1(b)×404.1(c)(相應(yīng)為車輪最大轉(zhuǎn)角)可達(dá)30°～42°。4.1(d)所示。變速器與離合器()用普通十字軸萬向節(jié)或柔性萬向節(jié)，其工作轉(zhuǎn)角范一萬向節(jié)按其在扭轉(zhuǎn)方向是否有明顯的彈性變形，可以分為剛性萬向節(jié)和柔性萬向節(jié)。其中，柔性萬向節(jié)在扭轉(zhuǎn)方向有明顯彈性變形；剛性萬向節(jié)無明顯變形。剛性萬向節(jié)可分為：不等速萬向節(jié)(常用的是普通十字軸式萬向節(jié))、等速萬向節(jié)(球叉式、球籠式等)、準(zhǔn)等速萬向節(jié)(雙聯(lián)式、凸塊式、三銷軸式等)。對萬向節(jié)傳動的要求如下：(1)當(dāng)兩軸的相對位置在預(yù)計的范內(nèi)變動時，能可靠而穩(wěn)定地傳遞動力。2)3)。4)。5)。4.1 萬向節(jié)傳動在汽車傳動系中的應(yīng)用4.2 1.十字軸式萬向節(jié)圖42 其定位件和油封組成。4.2 十字軸萬向節(jié)1—萬向節(jié)叉2—凸緣盤3—萬向節(jié)叉凸緣4—瓦蓋式軸承座5—堵蓋十字軸軸頸通過滾針軸承裝在萬向節(jié)叉的孔中，由于滾針軸承不能承受軸向力，所以在結(jié)構(gòu)上要采取軸向定位措施，如圖4.3所示。萬向節(jié)在工作中承受著較大的轉(zhuǎn)矩和交變載荷，其損壞形式主要是十字軸軸頸和滾針軸承的磨損、十字軸軸頸和滾針軸承碗工作面的壓痕與剝落。當(dāng)磨損或壓痕超過0.25mm時，十字軸萬向節(jié)就必須報廢并更換。為提高其使用壽命，常采用包括組合式潤滑密封裝置在內(nèi)的多種方式來潤滑和保護(hù)十字軸軸頸與滾針軸承，如圖4.4所示。構(gòu) (b)具有彈性蓋板的定位結(jié)構(gòu)4.3 封 (b)一次潤滑的多刃油封4.4 與密封轎車、輕型客車和輕型貨車常在裝配時就封入潤滑脂潤滑以減少車輛的潤滑點，且采用密封效果較好的雙刃口或多刃口橡膠油封。滾針軸承中滾針直徑的公差、軸承的徑向間隙和周向總間隙應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，以保證載荷分配的均勻性和正常工作。重型汽車上的滾針較粗并通常分成兩段以延長其壽命，有的還以滾柱代替滾針。為防止十字軸軸向竄動并避免摩擦發(fā)熱，有的在十字軸軸端和軸承碗之間加裝端面滾針軸承。十字軸萬向節(jié)具有結(jié)構(gòu)簡單，強(qiáng)度高，耐久性好，傳動效率高，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。但°增至。準(zhǔn)等速雙聯(lián)式萬向節(jié)實際上是萬向節(jié)組合而成4.5所示。了保證這兩萬向節(jié)工作度趨于相可設(shè)分度機(jī)構(gòu)。無分度桿雙聯(lián)式萬向節(jié)軍越野車向驅(qū)橋中應(yīng)相廣泛采主銷中心偏離萬向節(jié)中心1～3.5mm 方法萬向節(jié)工作度接近相。偏心雙聯(lián)式萬向節(jié)取消了分度機(jī)構(gòu)可確保允許兩有較達(dá)0達(dá)，靠；需特殊工藝設(shè)備但外形尺寸較件數(shù)目多。于雙聯(lián)式萬向節(jié)擠壓應(yīng)力受到限制因此它矩也有一定局限性。

4.5 萬向節(jié)凸塊式萬向節(jié)(4.6)就運副來看也是一種雙聯(lián)式萬向節(jié)。它主要萬向節(jié)14以及同形狀23組成。（凸塊相于雙聯(lián)萬向節(jié)裝置中？出近似。這種結(jié)構(gòu)工作可靠加工簡允許萬向節(jié)可達(dá)于工作效率低并對密封和潤滑要求較高。它主要于矩較越野車向驅(qū)橋。4.6 萬向節(jié)1423)2264745獲得較小轉(zhuǎn)彎直徑提高汽車機(jī)動性但其外形尺寸較在工作中間有相對滑動使兩受附加彎矩力這種結(jié)構(gòu)主要用于重型越野車上。)球面輪

4.7 三銷軸萬向節(jié)48 5端部3上球面4可沿著與1相連圓管并在圓管上開有起伸縮花鍵作用2內(nèi)移動同時通過球面輪與槽壁之間傳遞轉(zhuǎn)球面輪線始終位于或近似位于兩43。4.8 萬向節(jié)124等速萬向節(jié)4.9OO1 2OOOO1 24個只有2個遞故壓較磨損較快只有之間具有一預(yù)緊才能特性預(yù)緊用選擇同尺寸級別來使用預(yù)緊隨著磨損增加逐漸減小至消失一旦預(yù)緊消失之間便發(fā)生竄導(dǎo)致能由式 (b)4.9 叉等速萬向節(jié)個傾斜同彼對稱裝設(shè)4個由處置對稱便了處0滑動。在許多轎車上的轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，該萬向節(jié)可補(bǔ)償半軸在擺動時的長度變化，而不需要滑動花鍵。球籠式萬向節(jié)球籠式萬向節(jié)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種等速萬向節(jié)，可分為帶分度機(jī)構(gòu)和不帶分度機(jī)構(gòu)兩種。主要有Rzeppa型、Birtleld型和伸縮型等三種球籠式萬向節(jié)。Rzeppa4.10所示。球形殼的66萬向節(jié)1—球形殼 2—鋼珠 3—星形套 4—球籠 5—導(dǎo)向盤 6—分度桿 7—彈簧力鋼球，鋼球由球籠保持在同一平面內(nèi)。當(dāng)萬向節(jié)兩軸間的夾角變化時，靠比例合適的分66個鋼球全部傳遞轉(zhuǎn)，兩軸間的最夾角可時(Birfield4.11Rzeppa于橢圓在接觸點處的曲率半徑應(yīng)比鋼球半徑。承載時鋼球與滾道的接觸點實際上由于內(nèi)滾道接觸點的縱向曲率半徑小于外滾道的縱向曲率半徑，所以內(nèi)滾道上的接觸橢圓磨損較。因此，球籠式萬向節(jié)所能傳遞轉(zhuǎn)的小要根據(jù)內(nèi)滾道上的接觸應(yīng)力來確定。Birfield等速萬向節(jié)允許的工作角度較(最可6個鋼球同時受力，故其承載能力和耐沖擊能力強(qiáng)，效率較高，尺寸緊湊，安裝簡單，因此應(yīng)用愈來愈廣泛。4.11 Birfield萬向節(jié) 4.12 伸縮萬向節(jié)4.12。撓性萬向節(jié)橡膠金屬鉸接塊六環(huán)橡膠圈等多種狀和類型橡膠彈性元件彈性變來保證交兩(兩或有定位)間4.13機(jī)和平衡常連接兩端部設(shè)專門機(jī)保證中4.13(a)即具有面中機(jī)環(huán)撓性種中有無需潤中承能正確地選擇軸承配合部配后具有適當(dāng)預(yù)緊變4.13(b)當(dāng)種環(huán)撓性變量滿足要求(b)413 a5SG；04.3 431 )4.14所示，普通十字主動與從動轉(zhuǎn)角間關(guān)系式為tan1

tan2

(4-1)式主動轉(zhuǎn)角，定義主動叉所在平與主、從動所在平夾122 設(shè)夾角保持不，將式(4-1)時間求導(dǎo)，并且把2 2 (4-2) 1sin2cos21 14.14 萬向節(jié)運動示意圖2/1 2 1也個性函數(shù)。如果認(rèn)保持不變，則每一轉(zhuǎn)變化兩次。因此當(dāng)1 2主動軸以等角速度轉(zhuǎn)動時，從動軸時快、時慢，此即普通十字軸萬向節(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K 2

1

sintan

(4-3)下面看看主動軸轉(zhuǎn)矩T和從動軸轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系。如果不計萬向節(jié)里的摩擦損失，1應(yīng)該保持功率平衡，即

2TT

(4-4)11 2 2所以T 1sin2cos22 11T cos21 2

(4-5)4.15T。其十字軸受到T和從動軸的反轉(zhuǎn)矩T1 1 2的力偶矩平衡的。因此，除T和T外，萬向節(jié)十字軸上必然還作用有另外的力偶矩T－1 2 s附加彎矩。4.15(4-2)、式(4-4)和式(4-5)可得 T2T2T22TTcosT2tan212sin2cos2sin2cos4

(4-6)S 1 2 12 1 1 1式(4-6)、π4.15(b)TTsin1動叉π 3π4.15(c)動叉

S 1Ttan。1 2 2 S 1附加彎矩(彎矩)性變化的，變化，即每轉(zhuǎn)變化兩次，它可件的彎動。在萬向節(jié)軸上性變化的向，從而激的動。當(dāng)萬向節(jié)夾角不時，附加彎矩的作用不可。加速、速轉(zhuǎn)，此產(chǎn)的性力矩為T J

(4-7)2G 22中，J 質(zhì)2 2通過對式(4-2)求導(dǎo)可得 2sin2sin11112 1sin2cos21可，當(dāng)軸轉(zhuǎn)速，、出軸之間夾角時，從動叉軸轉(zhuǎn)的不均勻加所的性力矩可能用，應(yīng)有性力矩。415 432 )()。為使處同一4.16所示給兩種通常采用方案其共同特點如下：傳動連兩叉布置在同平面內(nèi)。兩傳動即 。1 2在這樣布置情況下anansan an

即 1

1，1 2 1保證傳動即 。1 3

3 2

tan3

2在雙傳動中直接和連叉所受附加彎矩分別應(yīng)支承反力平衡4.17所示。4.16 萬向節(jié)傳動方案4.17 附加彎矩對傳動軸作用IIII4.17(a)4.17(b)IIII4.17(c)、反徑力F外還要發(fā)彈性變形4.17(d)虛線433 多運分析是建立在單運分析基礎(chǔ)下面分析三速條件4.18多運分析可以類推。圖418 在4.18(a)案中有I

1

(4-8)

2

(4-9)II

311tanIV

2

(4-11)在4.18(b)案中有I

1

(4-12) II

2

(4-13) IV

3

(4-14)tantan

I I

22

(4-15)cos3多萬向節(jié)傳動的從動叉相對主動叉的轉(zhuǎn)角差(rad)的計算公式與單萬向節(jié)相似，可寫成e2sin4 1

)

(4-16)為多萬向節(jié)傳動的當(dāng)量夾角；為主動軸轉(zhuǎn)角。e 1式(4-17)表明，多萬向節(jié)傳動輸出軸與輸入軸的運動關(guān)系，如同具有夾角為，而主e動叉具有初相位角的單萬向節(jié)傳動一樣。0或π/2，則當(dāng)量夾角為e22221 2 3e、、等為各萬向節(jié)的夾角。式中的正負(fù)號是這樣確定的：當(dāng)?shù)谝蝗f向節(jié)的1 2 3主動叉處在各軸軸線所在的平面內(nèi)，在其余的萬向節(jié)中，如果其主動叉平面與此平面重合定義為正，與此平面垂直定義為負(fù)。為使多萬向節(jié)傳動輸出軸與輸入軸等速旋轉(zhuǎn)，應(yīng)使e

0。和兩的e

e22應(yīng)加以限制。對乘用車，e 12rad/s2；對商用車，e 1

22600rad/s2。e 14.4 十字軸的主要失效形式是軸頸根部斷裂，所以在設(shè)計十字軸萬向節(jié)時，應(yīng)保證十字軸頸有足夠的抗彎強(qiáng)度。設(shè)滾針對十字軸軸頸的作用力合力為F，如圖4.19所示，則TF2rcos

(4-18)為傳動軸計算轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩且變速器處一擋時的轉(zhuǎn)矩和汽車的驅(qū)動輪最附著力矩0.8)r為合力作用線與十字軸中心之間的距離為萬向節(jié)的最夾角。十字軸軸頸根部的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力為32dFs 1π(d4d4)1 2

(4-19) 4Fπ(d2d2)1 2

(4-20)式中，d為十字軸軸頸直徑(mm)；d為十字軸油道孔直徑(mm)；s為力作用點到軸頸根部1 2的距離(mm)。4.19 力圖(11)Fd d L1n0(11)Fd d L1n272j

(4-21)d)L)d)F1 nF(N)。F4.6Fn

(4-22)iZ802。F ≤w W w ≤

w bb W tWBWh2/6，tWkb2ht

h2/10Wt

b2h/16b圓形截

kh/b41e、a9

值 0。w b表4-1 系數(shù)k的選取h/b1.01.51.752.02.53.04.010k0.2080.2310.2390.2460.2580.2670.2820.312≤

時，可按下式計算 d

2tan10

f 1 πr為f為頸叉摩擦因數(shù)，：0f，滾針f；其他符號意義同前。通常情況下，97%～99%。常用20CrMnTi20Cr20MnVB12CrNi3A低碳合金鋼，頸表面頸端面硬不55HRC33～48HRC45中碳鋼或中碳合金40CrNiMoA，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬18～33HRC，滾針碗GCrl5。45 主要內(nèi)容是選擇長斷面尺寸在選擇長斷面尺寸時，要著重考慮使足夠高臨界轉(zhuǎn)速扭轉(zhuǎn)強(qiáng)失去穩(wěn)定性最低轉(zhuǎn)速，它決定于尺寸、其情況假設(shè)為斷面均勻一致，端自由彈性梁(簡彈性梁)，4.20m集中于O點，且O點偏離旋轉(zhuǎn)線量為e度旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生離心力為Fm2(ey)

(4-26)y為在離心力作用下產(chǎn)生撓4.20 臨界轉(zhuǎn)速算簡圖離心力相平衡彈性力為Pcy

(4-27)c為剛，對于質(zhì)量分布均勻且端自由于球形鉸接，c384/5/E為E105MPaJ為管截面抗

π(D4d4)/4。因 Fm2y

Pcy 有 ym2e/cm

(4-28)yccm20cm cmc

m0.25[π(D2d2)]L

(4-30)dL81063。mnc cn(r/min)為c

/30D2d2nD2d2c

(4-31)DL(d0)(d0)0.7nc(MPa)c 16DTc π(D4d4)

≤c

(4-32)T矩·c

許花鍵通常以底算其(MPa)為h

(4-33)hdh

πd3h花鍵齒側(cè)擠壓(MPa)Dd

TKDd

≤

(4-34) h h

h hLn 4

2 h0K花鍵矩分布不均勻系數(shù)K4Dd分別花鍵和h hLn]。h 0(利用專用試驗機(jī))。為平衡傳動軸，一般在3000～6000r/min25～35g·1000～4000r/min50～100g·cm，傳。4.6 中間支承在長軸車上，傳動軸()，的要是縮短一的長度，，有時為提高傳動系的彎曲剛度、傳動軸成。當(dāng)傳動軸時，需要加中間支承。間支承一般安裝在車架橫梁上車身底架上，以補(bǔ)償傳動軸軸向和角度方向的安裝誤差以及由于動力總成(發(fā)動機(jī)+離合器+變器)彈性懸置和車架等變形所引起的位移。目4.21軸通過單列滾珠軸承支承；軸承裝在一個座里；這個座又裝在橡膠套里；橡膠套裝在一允許間傳動軸軸線相對車架運動。這種彈性間支承不能傳遞軸向力，要承受由傳動軸不平衡、偏心等因素引起的徑向力，以及萬向節(jié)上的附加彎矩引起的徑向力。圖421 ×6個圓錐4.22所示，且軸承座被固定在橋殼上。4.22 中間支承(的懸置質(zhì)量m固f按下式計算12πCRm1 CgR212πCRm1 CgR2π mg1 CgR2π GCG懸置質(zhì)量mR它等于落在上那部分重與及其座重之和為重加速度。在設(shè)計時應(yīng)合理選擇其彈性元件剛度C使固f對應(yīng)臨界R速nf(r/min)一00n頻率依照上述數(shù)據(jù)確定時由于引起共振速為1000～2000節(jié)上附加彎矩引起共振速為500～1000r/min。由此可見要完全避免共振可能關(guān)鍵使臨界速盡可能地低于常用速范圍。4.7 設(shè)計