第四章 万向传动轴设计
第四章 万向传动轴设计
第四章万向传动轴设计 第一节概述 第二节万向节结构方案分析 第三节万向传动的运动和受力分析 第四节传动轴结构分析与设计
第四章 万向传动轴设计 • 第一节 概述 • 第二节 万向节结构方案分析 • 第三节 万向传动的运动和受力分析 • 第四节 传动轴结构分析与设计
第一节概述 万向传动轴一般是由万向节、传动轴和中间支承组成。主要用于 在工作过程中相对位置不断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动 万向传动轴设计应满足如下基本要求 1.保证所连接的两根轴相对位置在预计范围内变动时,能可靠地传递 动力 2.保证所连接两轴尽可能等速运转。 3.由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声应在允许范围内。 4.传动效率高,使用寿命长,结构简单,制造方便,维修容易等 变速器或分动器输出轴与驱动桥输入轴之间普遍采用十字轴万向 传动轴。在转向驱动桥中,多采用等速万向传动轴。当后驱动桥为独 立的弹性,采用万向传动轴
第一节 概述 万向传动轴一般是由万向节、传动轴和中间支承组成。主要用于 在工作过程中相对位置不断改变的两根轴间传递转矩和旋转运动。 万向传动轴设计应满足如下基本要求： 1.保证所连接的两根轴相对位置在预计范围内变动时，能可靠地传递 动力。 2.保证所连接两轴尽可能等速运转。 3.由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声应在允许范围内。 4.传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。 变速器或分动器输出轴与驱动桥输入轴之间普遍采用十字轴万向 传动轴。在转向驱动桥中，多采用等速万向传动轴。当后驱动桥为独 立的弹性，采用万向传动轴
第二节万向节结构方案分析 万向节分为刚性万向节和挠性万向节 刚性万向节可分为不等速万向节(如十字轴式)、准等速万向节(如 双联式、凸块式、三销轴式等)和等速万向节(如球叉式、球笼式等) 不等速万向节是指万向节连接的两轴夹角大于零时,输出轴和输入 轴之间以变化的瞬时角速度比传递运动的万向节 准等速万向节是指在设计角度下工作时以等于1的瞬时角速度比传 递运动,而在其它角度下工作时瞬时角速度比近似等于1的万向节。 输出轴和输入轴以等于1的瞬时角速度比传递运动的万向节,称之 为等速万向节 挠性万向节是靠弹性零件传递动力的,具有缓冲减振作用 万向节动画演示
第二节 万向节结构方案分析 万向节分为刚性万向节和挠性万向节。 刚性万向节可分为不等速万向节（如十字轴式）、准等速万向节（如 双联式、凸块式、三销轴式等）和等速万向节（如球叉式、球笼式等）。 不等速万向节是指万向节连接的两轴夹角大于零时，输出轴和输入 轴之间以变化的瞬时角速度比传递运动的万向节。 准等速万向节是指在设计角度下工作时以等于1的瞬时角速度比传 递运动，而在其它角度下工作时瞬时角速度比近似等于1的万向节。 输出轴和输入轴以等于1的瞬时角速度比传递运动的万向节，称之 为等速万向节。 挠性万向节是靠弹性零件传递动力的，具有缓冲减振作用。 万向节动画演示
、十字轴万向节 典型的十字轴万向节主要由主动叉、从动叉、十字轴、滚针轴承及 其轴向定位件和橡胶密封件等组成。 十字轴万向节结构简单,强度高,耐久性好,传动效率高,生产成 本低。但所连接的两轴夹角不宜过大,当夹角由4°增至16°时,十字轴 万向节滚针轴承寿命约下降至原来的1/4。 、准等速万向节 双联式万向节是由两个十字轴万向节组合而成。为了保证两万向节 连接的轴工作转速趋于相等,可设有分度机构。偏心十字轴双联式万向 节取消了分度机构,也可确保输出轴与输入轴接近等速 双联式万向节的主要优点是允许两轴间的夹角较大(一般可达50 偏心十字轴双联式万向节可达60°),轴承密封性好,效率高,工作可靠, 制造方便。缺点是结构较复杂,外形尺寸较大,零件数目较多
一、十字轴万向节 典型的十字轴万向节主要由主动叉、从动叉、十字轴、滚针轴承及 其轴向定位件和橡胶密封件等组成。 十字轴万向节结构简单，强度高，耐久性好，传动效率高，生产成 本低。但所连接的两轴夹角不宜过大，当夹角由4°增至16°时，十字轴 万向节滚针轴承寿命约下降至原来的1/4。 二、准等速万向节 双联式万向节是由两个十字轴万向节组合而成。为了保证两万向节 连接的轴工作转速趋于相等，可设有分度机构。偏心十字轴双联式万向 节取消了分度机构，也可确保输出轴与输入轴接近等速。 双联式万向节的主要优点是允许两轴间的夹角较大（一般可达50°， 偏心十字轴双联式万向节可达60°），轴承密封性好，效率高，工作可靠， 制造方便。缺点是结构较复杂，外形尺寸较大，零件数目较多
等速万向节 压缩时 球又式万向其钢球液道状(沙 1.球叉式万向节 不同可分为圆弧槽和直槽两种形式。 圆弧槽滚道型的球叉式万向节 (图4-1a)由两个万向节叉、四个传 图4-1球叉式万向节 a)圆弧槽滚道型b)直槽滚道型 力钢球和一个定心钢球组成。两球叉 直槽滚道型球叉式万向节(图 上的圆弧槽中心线是以O1和O2为圆4-1b),两个球叉上的直槽与轴的 心而半径相等的圆,O1和O2到万向中心线倾斜相同的角度,彼此对称 节中心O的距离相等 在两球叉间的槽中装有四个钢球。 万向节两轴绕定心钢球中心O由于两球叉中的槽所处的位置是对 转动任何角度时,传力钢球中心始终称的,这便保证了四个钢球的中心 在滚道中心两圆的交点上,从而保证处于两轴夹角的平分面上。这种万 输出轴与输入轴等速转动。球叉式向节加工比较容易,允许的轴间夹 万向节结构较简单,可以在夹角不大角不超过20°,在两叉间允许有 于32°~33°的条件下正常工作 定量的轴间滑动
三、等速万向节 1．球叉式万向节 球叉式万向节按其钢球滚道形状 不同可分为圆弧槽和直槽两种形式。 圆弧槽滚道型的球叉式万向节 （图4-1a）由两个万向节叉、四个传 力钢球和一个定心钢球组成。两球叉 上的圆弧槽中心线是以O1和O2为圆 心而半径相等的圆，O1和O2到万向 节中心O的距离相等。 当万向节两轴绕定心钢球中心O 转动任何角度时，传力钢球中心始终 在滚道中心两圆的交点上，从而保证 输出轴与输入轴等速转动。 球叉式 万向节结构较简单，可以在夹角不大 于32°～33°的条件下正常工作。 图4-1 球叉式万向节 a)圆弧槽滚道型 b)直槽滚道型 直槽滚道型球叉式万向节（图 4-1b），两个球叉上的直槽与轴的 中心线倾斜相同的角度，彼此对称。 在两球叉间的槽中装有四个钢球。 由于两球叉中的槽所处的位置是对 称的，这便保证了四个钢球的中心 处于两轴夹角的平分面上。这种万 向节加工比较容易，允许的轴间夹 角不超过20°，在两叉间允许有一 定量的轴间滑动
2.球笼式万向节 球笼式万向节是目前应用最 为广泛的等速万向节。 Rzeppa 型球笼式万向节(图4-2)是带 分度杆的,六个传力钢球2由球 笼4保持在同一平面内。当万向 节两轴之间的夹角变化时,靠比 图4-2 Rzeppa型球笼式万向节 例合适的分度杆6拨动导向盘5, 1一球形壳2—钢球3—星形套 4—球笼5—导向盘6—分度杆 并带动球笼4使六个钢球2处于轴 间夹角的平分面上 经验表明,当轴间夹角较小时,分度杆是必要的;当轴间夹角 大于11°时,仅靠球形壳和星形套上的子午滚道的交叉也可将钢球 定在正确位置。这种等速万向节可在两轴之间的夹角达到35° 37°的情况下工作
2．球笼式万向节 球笼式万向节是目前应用最 为广泛的等速万向节。Rzeppa 型球笼式万向节（图4-2）是带 分度杆的，六个传力钢球2由球 笼4保持在同一平面内。当万向 节两轴之间的夹角变化时，靠比 例合适的分度杆6拨动导向盘5， 并带动球笼4使六个钢球2处于轴 间夹角的平分面上。 经验表明，当轴间夹角较小时，分度杆是必要的；当轴间夹角 大于11°时，仅靠球形壳和星形套上的子午滚道的交叉也可将钢球 定在正确位置。这种等速万向节可在两轴之间的夹角达到35°～ 37°的情况下工作。 图4-2 Rzeppaz型球笼式万向节 1—球形壳 2—钢球 3—星形套 4—球笼 5—导向盘 6—分度杆
Birfield型球笼式万向节 Birfield型球笼式万向节(图4-3) 取消了分度杆,球形壳和星形套的滚道做 得不同心,使其圆心对称地偏离万向节中 心。这样,即使轴间夹角为0°,靠内、外 子午滚道的交叉也能将钢球定在正确位置 轴间夹角为0°时,内、外滚道的横断面 为椭圆形,接触点和球心的连线与过球心图43 Birfield型球笼式万向节 的径向线成45°角,椭圆在接触点处的曲率半径选为钢球半径的1.03 1.05倍。当受载时,钢球与滚道的接触点实际上为椭圆形接触区。这种 万向节允许的工作角可达42°。由于传递转矩时六个钢球均同时参加工 作,其承载能力和耐冲击能力强,效率高,结构紧凑,安装方便,应用 较为广泛。但是滚道的制造精度高,成本较高
Birfield型球笼式万向节 Birfield型球笼式万向节（图4-3） 取消了分度杆，球形壳和星形套的滚道做 得不同心，使其圆心对称地偏离万向节中 心。这样，即使轴间夹角为0°，靠内、外 子午滚道的交叉也能将钢球定在正确位置。 当轴间夹角为0°时，内、外滚道的横断面 为椭圆形，接触点和球心的连线与过球心 的径向线成45°角，椭圆在接触点处的曲率半径选为钢球半径的1.03～ 1.05倍。当受载时，钢球与滚道的接触点实际上为椭圆形接触区。这种 万向节允许的工作角可达42°。由于传递转矩时六个钢球均同时参加工 作，其承载能力和耐冲击能力强，效率高，结构紧凑，安装方便，应用 较为广泛。但是滚道的制造精度高，成本较高。 图4-3 Birfield型球笼式万向节
伸缩型球笼式万向节 伸缩型球笼式万向节(图4-4)结构与 般球笼式相近,仅仅外滚道为直槽。在传递转 矩时,星形套与筒形壳可以沿轴向相对移动, 故可省去其它万向传动装置的滑动花键。这不 仅结构简单,而且由于轴向相对移动是通过钢 球沿内、外滚道滚动实现的,所以与滑动花键 相比,其滚动阻力小,传动效率高。这种万向 节允许的工作最大夹角为20° 图4-4伸缩型球笼式万向节 Rzeppa型球笼式万向节主要应用于转向驱动桥中,目前应用较少 Birfield型球笼式万向节和伸缩型球笼式万向节被广泛地应用在具有独立 悬架的转向驱动桥中,在靠近转向轮一侧采用 Birfield型万向节,靠近差 速器一侧则采用伸缩型球笼式万向节。伸缩型万向节还被广泛地应用到 断开式驱动桥中
伸缩型球笼式万向节 伸缩型球笼式万向节（图4-4）结构与一 般球笼式相近，仅仅外滚道为直槽。在传递转 矩时，星形套与筒形壳可以沿轴向相对移动， 故可省去其它万向传动装置的滑动花键。这不 仅结构简单，而且由于轴向相对移动是通过钢 球沿内、外滚道滚动实现的，所以与滑动花键 相比，其滚动阻力小，传动效率高。这种万向 节允许的工作最大夹角为20°。 图4-4伸缩型球笼式万向节 Rzeppa型球笼式万向节主要应用于转向驱动桥中，目前应用较少。 Birfield型球笼式万向节和伸缩型球笼式万向节被广泛地应用在具有独立 悬架的转向驱动桥中，在靠近转向轮一侧采用Birfield型万向节，靠近差 速器一侧则采用伸缩型球笼式万向节。伸缩型万向节还被广泛地应用到 断开式驱动桥中
第三节万向传动的运动和受力分析 单十字轴万向节传动 当十字轴万向节的主动轴与从动轴存在一定夹角a时,O主动轴的角速度 与从动轴的角速度O2之间存在如下的关系 cos a O1 SIn a cos p, (4-1) 由于cos是周期为27的周期函数,所以o2o1也为同周期的周期函数 当g为0、丌时,O2达最大值02m且为a,/cosa;当g为x/2、3丌/2时,O2 有最小值02m且为1cosa。因此,当主动轴以等角速度转动时,从动轴时快 时慢,此即为普通十字轴万向节传动的不等速性。 十字轴万向节传动的不等速性可用转速不均匀系数k来表示 k O2 a tan a (4-2) 如不计万向节的摩擦损失,主动轴转矩T1和从动轴转矩T2与各自相应的 角速度有关系式701=T,,这样有 72 sin a cos pI T1 cos a (4-3) 显然,当o2/01最小时,从动轴上的转矩为最大n0m=T1/cosa;当a2/o 最大时,从动轴上的转矩为最小T2m0=7 cosa o T与a一x在)大 值与最小值之间每一转变化两次
第三节 万向传动的运动和受力分析 一、单十字轴万向节传动 当十字轴万向节的主动轴与从动轴存在一定夹角α时， 主动轴的角速度 与从动轴的角速度 之间存在如下的关系 （4-1） 由于cos 是周期为2 的周期函数，所以 也为同周期的周期函数。 当 为0、 时， 达最大值 且为 ；当 为 /2、3 /2时， 有最小值 且为 。因此，当主动轴以等角速度转动时，从动轴时快 时慢，此即为普通十字轴万向节传动的不等速性。 十字轴万向节传动的不等速性可用转速不均匀系数k来表示 1 2 2 1 2 sin cos cos = 1 2 1 2 1 / 1 2 2max 1 / cos 1 2 2min 1 cos sin tan 1 2max 2min = − k = （4-2） 如不计万向节的摩擦损失，主动轴转矩T1和从动轴转矩T2与各自相应的 角速度有关系式 T11 = T22 ，这样有 1 1 2 2 2 cos 1 sin cos T T − = （4-3） 显然，当 2 1 / 最小时，从动轴上的转矩为最大 T2max = T1 / cos ；当 2 1 / 最大时，从动轴上的转矩为最小T2min = T1 cos 。T1与 一定时，T2在其最大 值与最小值之间每一转变化两次