汽車設計課件：萬向傳動軸設計-

1萬向傳動軸設計2本章

重點萬向傳動軸的分類和工作原理

萬向傳動的運動和受力分析

萬向節(jié)設計

傳動軸結構分析和設計34.1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。萬向節(jié)按其在扭轉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)。對萬向節(jié)傳動的要求如下：

(1)當兩軸的相對位置在預計的范圍內(nèi)變動時，能可靠而穩(wěn)定地傳遞動力。

(2)保證所連接的兩軸盡可能等速旋轉。

(3)由萬向節(jié)傳動引起的振動、噪音以及附加載荷在允許范圍內(nèi)。44.1概述(4)傳動效率高，使用壽命長。

(5)結構簡單、制造方便、維修容易。萬向節(jié)傳動在汽車傳動系中的應用54.2萬向節(jié)結構方案分析1.十字軸式萬向節(jié)由兩個萬向節(jié)叉及與它們相連的十字軸、滾針軸承及其軸向定位件和油封等組成。64.2萬向節(jié)結構方案分析1.十字軸式萬向節(jié)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，所以在結構上要采取軸向定位措施。為延長壽命，要進行潤滑。塑料環(huán)定位結構具有彈性蓋板的定位結構復合油封一次潤滑的多刃油封74.2萬向節(jié)結構方案分析2.準等速萬向節(jié)(1)雙聯(lián)式萬向節(jié)雙聯(lián)式萬向節(jié)實際上是由兩個十字軸萬向節(jié)組合而成。軸承密封性能好，效率高，工作可靠；不需特殊的工藝設備，但外形尺寸較大，零件數(shù)目多。由于雙聯(lián)式萬向節(jié)滾針軸承的擠壓應力受到限制，因此它傳遞的轉矩也有一定的局限性。

84.2萬向節(jié)結構方案分析2.準等速萬向節(jié)(2)凸塊式萬向節(jié)

凸塊式萬向節(jié)是一種雙聯(lián)式萬向節(jié)。它主要由兩個萬向節(jié)叉1和4以及兩個不同形狀的特殊凸塊2和3組成。94.2萬向節(jié)結構方案分析2.準等速萬向節(jié)(3)三銷軸式萬向節(jié)

三銷軸式萬向節(jié)由2個偏心軸叉、2個三銷軸和6個滾針軸承組成。三銷軸式萬向節(jié)所允許的最大夾角為45°，在轉向驅動橋中采用這種萬向節(jié)可使汽車獲得較小的轉彎直徑，提高汽車的機動性。104.2萬向節(jié)結構方案分析2.準等速萬向節(jié)(3)球面滾輪式萬向節(jié)114.2萬向節(jié)結構方案分析3.等速萬向節(jié)(1)球叉式萬向節(jié)根據(jù)其鋼球滾道的形狀可分為圓弧槽式和直槽式兩種。

圓弧槽球叉式直槽球叉式124.2萬向節(jié)結構方案分析3.等速萬向節(jié)(2)球籠式萬向節(jié)球籠式萬向節(jié)是目前應用最為廣泛的一種等速萬向節(jié)，可分為帶分度機構和不帶分度機構兩種。主要有Rzeppa型、Birtleld型和伸縮型等三種球籠式萬向節(jié)。

A、Rzeppa型等速萬向節(jié)134.2萬向節(jié)結構方案分析3.等速萬向節(jié)

B、Birfield型球籠等速萬向節(jié)

C、伸縮型球籠萬向節(jié)

Birfield型球籠式萬向節(jié)伸縮型球籠式萬向節(jié)

144.2萬向節(jié)結構方案分析4.撓性萬向節(jié)撓性萬向節(jié)依靠橡膠盤、橡膠金屬套筒、鉸接塊、六角環(huán)形橡膠圈等多種形狀和類型橡膠彈性元件的彈性變形，來保證在相交兩軸(兩軸夾角不大或有一定軸向位移)間傳動時不發(fā)生干涉。具有球面對中機構的撓性萬向節(jié)具有軸向變形的撓性萬向節(jié)

154.3萬向節(jié)傳動的運動分析4.3.1單萬向節(jié)傳動(普通十字軸式萬向節(jié))

普通十字軸萬向節(jié)的主動軸與從動軸轉角間的關系式為

設萬向節(jié)夾角保持不變，將式上式對時間求導，并且把用表示，則得主動軸轉矩和從動軸轉矩之間的關系。如果不計萬向節(jié)里的摩擦損失，應該保持功率平衡，即：164.3萬向節(jié)傳動的運動分析4.3.1單萬向節(jié)傳動(普通十字軸式萬向節(jié))

由力偶矩平衡原理可知，在工作時，萬向節(jié)的力偶矩是平衡的。因此，除和外，萬向節(jié)十字軸上必然還作用有另外的力偶矩－附加彎矩。附加彎矩(又稱為二階彎矩)是周期性變化的，它可激起與萬向節(jié)相連機件的彎曲振動。從動叉軸的角加速度：可見，當輸入軸轉速很高，且輸入、輸出軸之間夾角較大時，由于從動叉軸旋轉的不均勻加劇所產(chǎn)生的慣性力矩可能會超過結構許用值，應采取有效方法降低慣性力矩。174.3萬向節(jié)傳動的運動分析4.3.2雙萬向節(jié)傳動(普通十字軸式萬向節(jié))

為克服單萬向節(jié)傳動代來的缺點，出現(xiàn)了雙萬向節(jié)傳動，使得處于同一個平面內(nèi)的輸出軸與輸入軸等速旋轉。要滿足如下條件：

(1)與傳動軸相連的兩個萬向節(jié)叉布置在同一平面內(nèi)。

(2)兩萬向節(jié)與傳動軸的夾角相等184.3萬向節(jié)傳動的運動分析4.3.2雙萬向節(jié)傳動(普通十字軸式萬向節(jié))

在雙萬向節(jié)傳動中，直接與輸入軸和輸出軸相連的萬向節(jié)叉所受的附加彎矩分別由相應軸的支承反力平衡。194.3萬向節(jié)傳動的運動分析4.3.3多萬向節(jié)傳動（普通十字軸式萬向節(jié)）多萬向節(jié)傳動的運動分析，是建立在單萬向節(jié)運動分析的基礎上的。204.3萬向節(jié)傳動的運動分析4.3.3多萬向節(jié)傳動（普通十字軸式萬向節(jié)）多萬向節(jié)傳動的從動叉相對主動叉的轉角差(rad)的計算公式與單萬向節(jié)相似，可寫成假如多萬向節(jié)傳動的各軸軸線均在同一平面，且各傳動軸兩端萬向節(jié)叉平面之間的夾角為0或/2，則當量夾角為

式中的正負號的確定：當?shù)谝蝗f向節(jié)的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。214.4萬向節(jié)的設計計算

十字軸的主要失效形式是軸頸根部斷裂，所以在設計十字軸萬向節(jié)時，應保證十字軸頸有足夠的抗彎強度。設滾針對十字軸軸頸的作用力合力為224.4萬向節(jié)的設計計算

十字軸軸頸根部的彎曲應力和剪切應力為十字軸滾針軸承的接觸應力為力作用下一個滾針所受的最大載荷(N)。萬向節(jié)叉承受彎曲和扭轉載荷，彎曲應力和扭應力應滿足234.5傳動軸的設計

傳動軸設計的主要內(nèi)容是選擇傳動軸長度和斷面尺寸。在選擇傳動軸長度和斷面尺寸時，要著重考慮使傳動軸有足夠高的臨界轉速、扭轉強度。所謂傳動軸的臨界轉速是指旋轉軸失去穩(wěn)定性的最低轉速。假設傳動軸為斷面均勻一致，兩端自由支承的彈性梁(簡支彈性梁)，則離心力為：244.5傳動軸的設計

與離心力相平衡的彈性力為又因為故有認為在達到臨界轉速的角速度時傳動軸將破壞，即，則有對于傳動軸管，有254.5傳動軸的設計

最終得傳動軸的臨界轉速(r/min)為

傳動軸軸管的斷面尺寸除應滿足臨界轉速的要求外，還應保證有足夠的扭轉強度。軸管的扭轉應力(MPa)應滿足對于傳動軸上的花鍵軸，通常以底徑計算其扭轉應力(MPa)。傳動軸花鍵的齒側擠壓應力(MPa)應滿足264.6中間支撐

為了提高傳動系的彎曲剛度、改善傳動系彎曲振動特性，減少噪音常常將傳動軸分段，分段后需加中間支撐。中間支承一般安裝在車架橫梁上或車身底架上，以補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+離合器+變速器)彈性懸置和車架等變形