第四章萬向傳動軸設(shè)計

第四章萬向傳動軸設(shè)計

(Propellershaftsanduniversaljointsdesign)第一節(jié)概述(Overview)

第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析(Structureanalysisoftheuniversaljoints)

第三節(jié)萬向傳動的運動和受力分析(Kinematicandforceanalysisoftheuniversaljoints)

第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計計算(Designandcalculationsoftheuniversaljoint)

第五節(jié)傳動軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(DesignandStructureanalysisofpropellershaft)

第六節(jié)中間支承結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(Designandanalysisoftheintermediatesupportstructure)第一節(jié)概述(Overview)

萬向傳動軸一般是由萬向節(jié)、傳動軸和中間支承組成。主要用于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)運動。萬向傳動軸設(shè)計應滿足如下基本要求：保證所連接的兩根軸相對位置在預計范圍內(nèi)變動時，能可靠地傳遞動力。

保證所連接兩軸盡可能等速運轉(zhuǎn)。由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動和噪聲應在允許范圍內(nèi)。傳動效率高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易等。變速器或分動器輸出軸與驅(qū)動橋輸入軸之間普遍采用十字軸萬向傳動軸。在轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，多采用等速萬向傳動軸。發(fā)動機前置后驅(qū)或全驅(qū)車采用可伸縮的十字軸萬向傳動軸。第一節(jié)概述萬向傳動軸的組成(Thecomponentsofthepropellershaft)：萬向節(jié)(Universaljoints)、傳動軸(Propellershaft)。萬向傳動軸的功用：用于相對位置不斷變化的兩軸間的運動和轉(zhuǎn)矩傳遞。ClutchTransmissionUniversaljointDriveaxleDifferentialPropellershaftFinaldriveAxle組成：萬向節(jié)、傳動軸、中間支承Components:Universaljoints,Propellershaft,Intermediatesupport中間傳動軸主傳動軸中間支承IntermediatepropellershaftMainpropellershaftIntermediatesupport萬向節(jié)萬向節(jié)（Universaljoint）第一個有關(guān)萬向節(jié)的報告：1550年，意大利數(shù)學家、醫(yī)生和哲學家GeronimoCardano在著作中提到國王查理五世的座椅“一種裝置有萬向接頭的座椅”，1557年他描述了關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。萬向節(jié)的分類：剛性萬向節(jié)、撓性萬向節(jié)剛性萬向節(jié)(Rigiduniversaljoint)：動力是靠零件的鉸鏈式聯(lián)接傳遞的。

(1)不等速萬向節(jié)(inconstantvelocityuniversaljoint)（如十字軸式）

(2)準等速萬向節(jié)(Quasi-constantvelocityuniversaljoint)

（如雙聯(lián)式、凸塊式、三銷軸式等）

(3)等速萬向節(jié)(constantvelocityuniversaljoint)（如球叉式、球籠式等）(CVJ)撓性萬向節(jié)(Flexibleuniversaljoint)：靠彈性零件傳遞動力，具有緩沖減振作用。一、十字軸式萬向節(jié)(Hooke'suniversaljoint)結(jié)構(gòu)：萬向節(jié)叉(Yoke)十字軸(Spider)滾針(Needleroller)、套筒(Sleeve)、油封(Oilseal)、軸承蓋(Bearingcap)注油嘴(Injectionnozzle)、安全閥(溢流閥(Reliefvalve))第二節(jié)萬向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析十字軸的潤滑與密封(Lubricationandsealingofthespider)橡膠油封(Rubberseal)毛氈或刃口油封(Feltoredgeseal)滾針軸承的軸向定位方式(Theaxiallocatingoftheneedlerollerbearings)a)普通蓋板式b)彈性蓋板式c)外卡式d)內(nèi)卡式e)瓦蓋固定式f)塑料環(huán)定位式1-

螺栓2-鎖片3-蓋板4-萬向節(jié)叉5-套筒6-彈性蓋板7-軸承座8-外卡環(huán)9-內(nèi)卡環(huán)

十字軸萬向節(jié)傳動的不等速性(ThevelocityvariationoftheHooke'suniversaljoint)傳動的不等速性a主動叉在垂直位置b主動叉在水平位置c兩軸轉(zhuǎn)角差隨主動軸轉(zhuǎn)角變化的關(guān)系兩軸交角越大，不等速性越嚴重。不良后果：扭轉(zhuǎn)振動，附加載荷。

十字軸萬向節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，強度高，耐久性好，傳動效率高，生產(chǎn)成本低。所連接的兩軸夾角不宜過大，當夾角由4°增至16°時，十字軸萬向節(jié)滾針軸承壽命約下降至原來的1/4。雙十字軸萬向節(jié)的等速傳動條件（1=2）ConstantvelocityrequirementsofdoubleHooke'suniversaljoint問題：汽車變速箱輸出軸與驅(qū)動橋主減速器輸入軸的軸線相對位置是否平行？(Isthegearboxoutputshaftparalleltothefinaldriveinputshaft?)雙十字軸萬向節(jié)的準等速萬向傳動(Quasi-constantvelocityuniversaldriveofthedoubleHooke'suniversaljoint)雙聯(lián)式準等速萬向節(jié)(Dual-quasi-constantvelocityuniversaljoint)組成：主\從動軸、雙聯(lián)叉(Driveshaft,drivenshaft,doublefork)原理：二個十字軸萬向節(jié)串聯(lián)(TwoHooke'suniversaljointsinseries)特點：允許有較大的軸間夾角（達50，偏心十字軸雙聯(lián)式萬向節(jié)可達60°），軸承密封性好，效率高，工作可靠，制造方便。缺點是結(jié)構(gòu)較復雜，外形尺寸較大，零件數(shù)目較多。

凸塊式萬向節(jié)(Thetractauniversaljoint)

凸塊式萬向節(jié)主要由兩個萬向節(jié)叉1和4以及兩個特殊形狀的凸塊2和3組成。它實際上是雙聯(lián)十字軸式萬向節(jié)的變形。即用二個圓弧滑動副取代十字軸的二個轉(zhuǎn)動副。

三銷軸式萬向節(jié)(TripodUniversalJoint)三銷軸式萬向節(jié)是由雙聯(lián)十字軸式萬向節(jié)演變而來。它主要由兩個偏心軸叉、兩個三銷軸和六個滾針軸承及其密封件等組成。

允許所連接的兩軸最大夾角為45°。主要用于總質(zhì)量較大的越野車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋。

TriangularshaftDriveneccentricshaftforkDriveeccentricshaftfork

球面滾輪式萬向節(jié)(Sphericalrollertypeuniversaljoint)球面滾輪式萬向節(jié)是應用較為廣泛的準等速萬向節(jié)(圖4_6)允許兩軸間的工作夾角可達43°，加工比較容易。三、等速萬向節(jié)

(Constantvelocityjoint)球叉式萬向節(jié)(Weissuniversaljoint)球叉式萬向節(jié)按其鋼球滾道形狀不同可分為圓弧槽和直槽兩種形式。圓弧槽球叉式萬向節(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。主要用于總質(zhì)量不大的越野車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋.圖4-7球叉式萬向節(jié)a)圓弧槽滾道型b)直槽滾道型直槽滾道型球叉式萬向節(jié)加工比較容易，允許的軸間夾角不超過20°，在兩叉間允許有一定量的軸間滑動。主要應用于斷開式驅(qū)動橋,當半軸擺動時,用它可補償半軸長度變化而省去滑動花鍵.

球籠式萬向節(jié)

(CVjoint)球籠式萬向節(jié)有Rzeppa型,Birfield型和伸縮型球籠式萬向節(jié)。Rzeppa型允許兩軸最大夾角為35°～37°;Birfield型允許兩軸最大夾角達42°;伸縮型外滾道為直槽。在傳遞轉(zhuǎn)矩時，星形套與筒形殼可以沿軸向相對移動，故可省去其它萬向傳動裝置的滑動花鍵。允許兩軸最大夾角為20°。

圖4-8aRzeppa型1—球形殼2—鋼球3—星形套4—球籠5—導向盤6—分度桿

圖4-8c伸縮型圖4-8bBirfield型Birfield型球籠式萬向節(jié)和伸縮型球籠式萬向節(jié)被廣泛應用在獨立懸架轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，靠近轉(zhuǎn)向輪一側(cè)用Birfield型萬向節(jié)，靠近差速器一側(cè)用伸縮型球籠式萬向節(jié)。伸縮型萬向節(jié)還被廣泛地應用到斷開式驅(qū)動橋中。四、撓性萬向節(jié)(Flexibleuniversaljoint)

撓性萬向節(jié)依靠其中彈性元件的彈性變形來保證在相交兩軸間傳動時不發(fā)生干涉。彈性元件可以是橡膠盤、橡膠金屬套筒、鉸接塊、六角環(huán)形橡膠圈等多種形狀。

圖4-9環(huán)形撓性萬向節(jié)

a)具有球面對中機構(gòu)的環(huán)形撓性萬向節(jié)b)具有軸向變形的環(huán)形撓性萬向節(jié)

撓性萬向節(jié)能減小傳動系的扭轉(zhuǎn)振動、動載荷和噪聲，結(jié)構(gòu)簡單，使用中不需潤滑，一般用于兩軸間夾角不大(一般為3°～5°)和很小軸向位移的萬向傳動場合。比如,它常在轎車三萬向節(jié)傳動中，用作靠近變速器的第一萬向節(jié)，或在重型汽車中用于發(fā)動機與變速器之間，越野汽車中用于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。第三節(jié)萬向傳動的運動和受力分析(Kinematicandforceanalysisoftheuniversaljoint)一、單十字軸萬向節(jié)傳動(Hooke’suniversaljoint)轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)

(Uniformitycoefficientofrotationspeed??)k:轉(zhuǎn)速關(guān)系(Speed??relationship):轉(zhuǎn)矩關(guān)系(Torquerelationship):(周期為)(周期為)附加彎曲力偶矩的分析(Analysisoftheadditionalbendingmomentofcouple)

T1T1T2T2T2=0T2T1T1=01=0,1=/2,3/21=0,時,

Tl′=0,從動叉上的附加彎矩T2′=Tlsin

1=/2,3/2

時,T2′=0，主動叉上的附加彎矩Tl′=Tltan

附加彎矩可引起與萬向節(jié)相連零部件的彎曲振動，可在萬向節(jié)主、從動軸支承上引起周期性變化的徑向載荷，從而激起支承處的振動。因此，為了控制附加彎矩，應避免兩軸之間的夾角過大。

習題一：試分析圖4-10中十字軸萬向節(jié)輸入、輸出軸支承反力（或反力偶），進而說明式（4-4）、（4-5）是否存在錯誤。二、雙十字軸萬向節(jié)傳動(DrivingofdoubleHooke'suniversaljoint)

當輸入軸與輸出軸平行時,直接連接傳動軸的兩萬向節(jié)叉所受的附加彎矩彼此平衡，傳動軸發(fā)生如圖中雙點劃線所示的彈性彎曲，從而引起傳動軸的彎曲振動。

圖4-11附加彎矩對傳動軸的作用

T2T1T2T1T2T1當輸入軸與輸出軸相交時，傳動軸兩端萬向節(jié)叉上所受的附加彎矩方向相同，不能彼此平衡，傳動軸發(fā)生如圖中雙點劃線所示的彈性彎曲，因此對兩端的十字軸產(chǎn)生大小相等、方向相反的徑向力。

T2T1圖4-11附加彎矩對傳動軸的作用T2T1第四節(jié)萬向節(jié)的設(shè)計計算(Designandcalculationsofuniversaljoint)一、萬向傳動軸的計算載荷(Loadingcalculationofthepropellershaft)

計算載荷因萬向傳動軸的布置位置而異。用于變速器與驅(qū)動橋之間(Applied

betweenthegearboxandthedriveaxle)(1)按發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩和一檔傳動比來確定計算載荷:kd:猛接離合器所產(chǎn)生的動載系數(shù)(kd=13;p.127)k:液力變矩器變矩系數(shù)(p.126);n:計算驅(qū)動橋數(shù)(參考表4-2);if:分動器傳動比(參考表4-2).分動器結(jié)構(gòu)接前橋(Connectedwiththefrontaxle)接后橋(Connectedwiththerearaxle)中間橋(Thecountershaft)輸入軸(Inputshaft)HLifg=1.08ifd=2.05(2)按驅(qū)動輪打滑來確定計算載荷:G2:汽車滿載狀態(tài)下一個驅(qū)動橋上的靜載荷(N);m2:汽車最大加速度時的后軸負荷轉(zhuǎn)移系數(shù)(p.126);im:主減速器從動輪到驅(qū)動輪之間的傳動比;i0:主減速器傳動比.取上述二者之小者為計算載荷,安全系數(shù)取2.53.0表4-1萬向傳動軸的計算載荷(Loadingcalculationofthepropellershaft)

二、十字軸萬向節(jié)設(shè)計(DesignofHooke’sjoints)損壞形式(Damagemodes):軸頸和滾針軸承的磨損，表面壓痕和剝落.

一般,磨損或壓痕超過0.15mm,報廢;失效形式(Failuremodes):軸頸斷裂.滾針對軸頸作用力F:式中，TS:萬向傳動軸的計算轉(zhuǎn)矩，

TS=min[Tse，Tss]；

r:F至十字軸中心的距離；

α:主、從動叉軸的最大夾角。軸頸根部的彎曲應力w和切應力應滿足

[]WwddFsdsps-=)(3242411其它設(shè)計參數(shù)推薦取值:滾針直徑1.6mm，均一性誤差<0.003mm;滾針軸承徑向間隙0.009～0.095mm，周向總間隙0.08～0.30mm;滾針長度<軸頸長度;滾針軸向游隙<O.2～O.4mm。

滾針軸承的接觸應力應滿足:

Fn為F作用下一個滾針所受最大載荷:

十字軸萬向節(jié)的傳動效率估算(p129):一般,0=97％～99％.α≤25°時,

當滾針和十字軸頸表面硬度在58HRC以上時,許用接觸應力

[j]=30003200Mpa萬向節(jié)叉彎曲應力w與扭應力b(p128).十字軸常用材料(Materialsofthespider):20CrMnTi、20Cr、20MnVB等低碳合金鋼,軸頸表面滲碳淬火處理,表面硬度為5864HRC,心部硬度為3348HRC;萬向節(jié)叉(Yokes):一般采用35、40、45中碳鋼或中碳合金鋼40Cr,經(jīng)調(diào)質(zhì)處理,硬度為1833HRC;滾針軸承碗材料(Materialoftheneedlerollerbearingsleeve):一般采用GCr15.三、球籠式萬向節(jié)設(shè)計

(DesignoftheCVjoint)失效形式:傳力鋼球與接觸滾道表面的疲勞點蝕(Surfacefatiguepitduetothepowertransferbetweenthesteelballandthecontactway)。Rzeppa型球籠式萬向節(jié)鋼球直徑估算:

目前尚沒有按接觸應力確定萬向節(jié)承載能力的統(tǒng)一計算方法.按經(jīng)驗公式確定傳力鋼球直徑:圖4-15球籠式萬向節(jié)的基本尺寸T1

為萬向節(jié)計算轉(zhuǎn)矩(N·m)，T1=min[Tse,Tss]

(mm)確定球籠、星形套等零件的結(jié)構(gòu)尺寸(Determinethestructuresizesoftheballcage,theinnerbearingraceandotherparts)：

RadiusoftheballcentercircleR=1.71dWidthoftheinnerbearingraceB=1.8dWidthoftheballcageB1=1.8d

Diameterofinnerbearingracecontactwaybottom

D1=2.5d

DiameteroftheuniversaljointD=4.9d

Thicknessoftheballcageb=0.185d

Widthoftheballcageslotb1=d

LengthoftheballcageslotL1=(1.33～1.80)d

(Theordinarytypetakelowerlimitlongtotakemaximum)Offsetofthecenteroftheracecontactwayh=0.18d

Journaldiameterd′≥1.4dDiameteroftheoutersplineoftheinnerbearingraceD2≥1．55d

LengthoftheoutercontactwayL=2.4d

Centeroffsetangleδ≥6°

Birfield型球籠式萬向節(jié)星形套連接軸的直徑估算:確定星形套連接軸的直徑(Determinethediameteroftheshaftconnectingtotheinnerbearingrace)ds:dsT1

為萬向節(jié)計算轉(zhuǎn)矩(N·mm)，T1=min[Tse,Tss];SF為使用因素.mm確定Birfield型球籠式萬向節(jié)的其它尺寸(表4-4)球形殼和星形套材料:15NiMo(滲碳、淬火、回火）鋼球材料：軸承用鋼球，GCr15第五節(jié)傳動軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(DesignandStructureanalysisofthepropellershaft)確定傳動軸的長度,夾角及變化范圍:(1)按汽車總布置設(shè)計確定;輕型貨車6-8（空載靜止時）(2)應保證當傳動軸伸長最大時，花鍵套與軸有足夠的配合長度；最短時不頂死;(3)傳動軸夾角大小影響到萬向節(jié)壽命、效率和十字軸萬向節(jié)的傳動不均勻性。減小滑動花鍵軸向滑動阻力的措施:(1)花鍵齒磷化處理或噴涂尼龍層；(2)或在花鍵槽中放入滾針、滾柱或滾珠等滾動元件;(3)傳動軸花鍵應有潤滑及防塵措施；(4)花鍵齒與鍵槽間隙不宜過大，且應按對應標記裝配，以免裝錯破壞傳動軸總成的動平衡；(5)傳動軸伸縮花鍵一端不應靠近后驅(qū)動橋，而應靠近變速器或中間支承，以減少其軸向阻力和磨損。(為什么?)傳動軸滑動花鍵伸縮時的軸向阻力:傳動軸管常用壁厚1.5-3.0mm電焊鋼管制造;(2)實心軸比空心軸臨界轉(zhuǎn)速低.(3)當LC>1.5m時，常將傳動軸斷開成二根或三根，用三個或四個萬向節(jié)，并在中間傳動軸加設(shè)中間支承。(4)傳動軸軸管斷面尺寸應保證有足夠的扭轉(zhuǎn)強度,其扭轉(zhuǎn)切應力應滿足確定傳動軸斷面尺寸(Determinethepropellershaftsectionsizes):(1)傳動軸斷面尺寸應保證傳動軸有臨界轉(zhuǎn)速。其臨界轉(zhuǎn)速為式中，LC為傳動軸長度(mm)，即兩萬向節(jié)中心之間的距離；

dc和Dc分別為傳動軸軸管的內(nèi)、外徑(mm);

設(shè)計時,取傳動軸安全系數(shù)K=nk/nmax=1.2～2.0.

T1

為傳動軸計算轉(zhuǎn)矩(N·mm)。=300Mpa(6)傳動軸花鍵的齒側(cè)擠壓應力應滿足

(5)傳動軸花鍵部分，常以底徑計算其扭轉(zhuǎn)切應力τh:<[h]dh為花鍵內(nèi)徑(mm);許用切應力[h]一般按安全系數(shù)2～3確定.式中，no

為花鍵齒數(shù)；

K′為花鍵轉(zhuǎn)矩分布不均勻系數(shù)，K′=1．3～1．4；

Dh和dh分別為花鍵外徑和內(nèi)徑(mm)；Lh為花鍵的有效工作長度(mm)；滑動花鍵齒面硬度>35HRC，[y]=25~50MPa；非滑動花鍵齒側(cè)[y]=50～100MPa。(7)提高滑動花鍵耐磨性和萬向節(jié)花鍵配合精度、縮短傳動軸長度、提高彎曲剛度，都有利于降低傳動軸不平衡度。傳動軸的不平衡度要求：轎車：3000～6000r／min，25～35g·cm；貨車：1000～4000r／min，

50～100g·cm；傳動軸總成徑向全跳動：

0.5～0.8mm。傳動軸失效形式：（1）傳動軸管折

多半由扭矩及臨界轉(zhuǎn)速引起。扭矩原因引起的傳動軸失效模式多為軸管折或扭成麻花，出現(xiàn)該現(xiàn)象時車速一般不高或在起步時，扭矩或沖擊扭矩發(fā)揮到最大?？刹扇〖哟州S管的措施提高傳動軸的承載扭矩。當由臨界轉(zhuǎn)速原因?qū)е略摴收蠒r，傳動軸管多扭成麻花，且車速較高，當故障發(fā)生前整車會感覺到激烈抖動?？刹扇⑤S管加粗管壁減薄的措施來提高傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速。當傳動軸較長時，可采取將傳動軸分成兩節(jié)來提高傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速。（2）