第5章 万向节与传动轴设计

T1′、T2 ′呈周期性变化，每转一周变化两次
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5.附加弯曲力矩的影响
T2′使从动叉轴支承受周期性变化的径向载荷
T2 T1 sin F2 j L2 L2
T1′使主动叉轴支承受周期性变化的径向载荷
F2c T1tg L2 cos
附加弯矩会激起支撑处的振动，使传动轴产生应力、变形， 从而降低传动轴的疲劳强度
靠地传递动力
2. 保证所连接的两轴尽可能等速运转 3. 万向节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，制造维修容易
4
三、万向节的应用
1.变速器与驱动桥之间
5
2.多轴驱动的汽车的分动器与驱动桥之间或驱动桥与驱动桥之间
6
3.发动机与变速器之间（由于车架的变形造成轴线间相互位置 变化的两传动部件）
静强度计算时，计算载荷TS取TSe1和TSS1 （或TSe2和TSS2 ）的较小值； 进行疲劳寿命计算时，计算载荷TS取TSF1或TSF2。
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第四节
二、十字轴万向节设计
万向节设计计算
1、损坏、失效形式： 十字轴轴颈、滚针轴承磨损 十字轴轴颈、滚针轴承碗表面出现压痕和剥落 十字轴轴颈根部断裂（失效） 2、轴颈根部强度计算 作用于十字轴轴颈中点的力：F T1 轴颈根部的弯曲应力:
一 、单十字轴万向节传动
2 cos 由机械原理知识可以得到： 1 1 sin 2 cos 2 1
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2、不等速性分析（假设主动轴等速转动）
1)当1 0,180,360 时
2 1 1 cos
即2 max 1 1 cos
2)当1 90,270时 2 cos 即 2 min cos 1 1 当主动轴以等角速度转动时，从动轴时快时慢，这就是 十字轴万向节传动的不等速性。
两万向节叉所受的附加弯 矩方向相同，不能平衡， 传动轴发生弹性弯曲，对 两端十字轴产生大小相等、 方向相反的径向力
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第四节
一 、计算载荷Ts
位置 计算方法 按
万向节设计计算
用于变速器与 驱动桥之间
用于转向驱动桥
Te max , i1
来 确 定 按驱动轮打滑 来确定 按日常平均使 用转矩来确定
Tse1
第五章 万向节与传动轴设计
主要内容
万向传动轴设计的基本 要求和万向节的基本结 构形式；
重点与难点
重点：“十字轴”万 向节的运动和受力分 析及其强度计算， “球笼式”万向节的 传动及设计原则。 难点：“十字轴”万 向节的运动和受力分 析。
“十字轴”万向节的运 动和受力分析及其强度 计算；
传动轴的结构方案与强 度计算。
不等速性
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不等速性曲线图
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准等速万向节
2.双联式万向节
双联叉相当于两个在 同一平面内的万向节 叉 欲使两轴角速度相等， 应保证α1=α2 特点：允许有较大的 轴间夹角，轴承密封 性好、效率高、制造 工艺简单、加工方便、 工作可靠，但外形尺 寸大。多用于越野汽 车。
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准等速万向节
假定六个传力钢球均匀受载，则钢球的直径可按下 列经验公式确定：
d 3
T1 4 2.110
d为钢球直径（mm） T1计算转矩（N.mm） 计算钢球直径应圆整并取最接近国家标准的直径。
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其他零件尺寸的确定
当钢球的直径d确定后，其中的球笼、星形套等零件及有关结构 尺寸，可按如下关系确定：
1)钢球中心分布圆半径 R=1.71d 2)星形套宽度 B=1.8d
5.球叉式万向节
特点：结构简单，在夹角小于 32°-33°的条件下能正常工作， 但磨损较快，多用于轻、中型 越野车的转向驱动桥。
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等速万向节
6.球笼式万向节
特点：工作可靠、传动效率高、 结构紧凑，但制造精度要求高， 成本高，广泛应用于独立悬架 的转向驱动桥。
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第三节
1、转速关系
万向传动的运动和受力分析
8 临界转速 n k 1.2 10 2 2 Dc dc
L2c
提高临界转速的办法： 1）缩短传动轴长度； 2）总长度不变的情况下，将传动轴分成几段； 3）将传动轴做成空心的（无缝钢管或1.5～3mm厚的薄 钢板卷焊）
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提高传动轴动平衡的方法
传动轴两端点焊平衡片
扭转强度 应保证有足够的扭转强度，轴管的扭转切应力应满足
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4.采用独立悬架的汽车差速器之间
8
5.转向驱动车桥的差速器与车轮之间
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6.转向操纵机构中
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四、万向节的分类
分 类 不等速 刚 性 万 向 节 准等速 万向节 等速 万向节 挠性万向节 万向节 定 义
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， 但 平均角速度比为 1 的万向节。 在设计角度下工作时， 以等于 1 的瞬时角速度 比传递运动； 但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。 万向节的扭转方向有弹性的万向节。
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第二节
1.十字轴万向节
万向节结构方案分析
特点：结构简单、传动可靠，效率高，应用较为普遍
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十字轴万向节构造
• 万向节叉 十字轴、套筒、轴承盖 万向节叉
套筒
十字轴
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速度特性
当叉轴1以等角速度 1旋转，A点的瞬时 线速度可求： A= 1r= 2rcos 2>1 当叉轴1转过900后， B点的瞬时线速度可 求： B= 1rcos = 2r 2< 1
应避免两轴之间夹角过大
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二、双十字轴万向节传动
倘若主动轴等速转动，则从动轴不等速转动，且α愈大，转 动的不等速性愈大 对于双万向节传动轴，若要使输入轴和输出轴等速旋转， 需满足以下条件： 传动轴两端的万向节叉位于同一平面内 两万向节夹角相等，即α1= α2
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附加弯矩引起的变形
两万向节叉所受的附加弯 矩彼此平衡，使传动轴发 生弹性弯曲，从而引起传 动轴的弯曲振动
3.三销轴式万向节
由双联式万向节演变而来 特点：允许相邻两轴间有较大 的夹角，但外形尺寸大，零件 形状复杂，多用于一些越野车 的转向驱动桥。
4.凸块式万向节
特点：工作可靠、加工简单、 允许的万向节夹角较大，但效 率低，多用于中型以上越野车 的转向驱动桥。
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等速万向节
等速原理
保证万向节在工作过程中的传 力点永远位于两轴交角的平分 面上
kd Te max ki1i f n rr G2 m2
Tse 2
kd Te max ki1i f i0 2n rr G 1 m1
TSS1
TSF1
i0im m Ft rr i 0i m m n
TSS 2
TSF 2
2i m m Ft rr 2i m m n
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第五节
1.传动轴总成
传动轴结构分析与设计
由传动轴及其两端焊接的花键和万向节叉组成。传动轴 中一般设有由滑动叉和花键轴组成的滑动花键，以实现传动 长度的变化。
2.传动轴的结构形式
实心－用于转向驱动桥、断开式驱 动桥、微型车万向传动装置 空心－用于FR传动系的万向传动轴
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3.传动轴的参数
长度、夹角：长度最大时不脱落；最小时不顶死 夹角影响传动效率、旋转不均匀性、寿命 临界转速：发生共振时的工作转速 共振：质量不均衡引起的离心力使传动轴剧烈振动
16DcT1 c c 300MPa 4 4 ( Dc d c )
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其中：Lb 为滚针工作长度(mm)， Lb L (0.15 ~ 1.00)d0 L为滚针总长度(mm) Fn为单个滚针所受的最大载荷(N)
Fn 4.6 F iZ
i——滚针列数； Z——每列中的滚针数。
许用接触应力[σj]=3000～3200MPa
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4、万向节叉的强度计算
危险截面：与十字轴轴孔中心线成45º 的B—B截面处
弯曲应力
w
F .e w = 50~80MPa W
扭转应力

F .a = 80～160MPa Wt
5、十字轴万向节的传动效率
0 1 f
d1 2 tan ( 25时) r
Hale Waihona Puke Baidu常约为97%～99％
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三、球笼式万向节设计
Rzeppa型球笼式万向节设计
用转速不均匀系数K来表示：
2 max 2 min K sin tg 1
α越大，K越大，转动越不均匀
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3.从动轴转矩T2 若忽略摩擦损失，则输入、输出轴上的功应相等：
T11 T22
T2 1 sin 2 cos 2 1 cos T1
假设输入轴转矩T1不变，则： 2 T1 当 最小时，T2达到最大，T2 max ; 1 cos 当 2 最大时，T2达到最小，T2 min T1 cos 。 1 当T1与α一定时， T2在最大值与最小值之间变化，且 每转一转变化两次
w
2r cos
轴颈根部的剪切应力:

4F [ ] 2 2 (d1 d 2 )
32d1 Fs [ w ] = 4 4 (d1 d 2 )
250-350MPa
= 80-120MPa
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3、十字轴滚针轴承的接触应力
j 272 (
1 1 Fn ) [ j ] d1 d 0 Lb
3)球笼宽度 B1=1.8d 4)星形套滚道底径 D1=2.5d 5)万向节外径 D=4.9d 6)球笼厚度 b=0.185d 7)球笼槽(孔)宽度 b1=d 8)球笼槽(孔)长度 L=(1.33-1.8)d(普通型取下限，长型取上限) 9)滚道中心偏置距 h=0.18d 10)轴颈直径 d′≥1.4d 11)星形套花键外径 D2≥1.55d 12)球形壳外滚道长度 L1=2.4d 13)中心偏移角 δ ≥6°
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4.附加弯曲力矩 当十字轴万向节具有夹角时，除主动轴驱动转矩T1、从动轴 反转矩T2之外，还有作用在主动叉平面的弯曲力矩T1 ′、从动叉 平面的弯曲力矩T2 ′
1 0、时， T1 0 T2 T1 sin
1 / 2、 3 / 2时， T1 T1tg T2 0
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3.挠性万向节设计 盘式挠性万向节橡胶盘的拉应力和挤压应力应满足
Tmax L L iRb( R1 R2 d 0 )
j
Tmax j iRbd0

Tmax为万向节静强度计算转矩，i为一个万向节叉上的 螺栓数，R为橡胶盘平均半径，R1、R2为橡胶盘外、内 半径，b为橡胶盘厚度，d0为螺栓孔直径 许用拉应力12-15MPa，许用挤压应力8MPa。
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第五章 万向节与传动轴设计
第一节
概述
第二节
第三节
万向节结构方案分析
万向传动的运动和受力分析
第四节
第五节
万向节设计
传动轴结构分析与设计
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第一节
概述
功用：在相对位置变化的轴间传递转矩、旋转运动 一、组成
万向节、传动轴（中间支承）
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二、设计要求
1. 保证所连接的两轴在一定的轴间夹角变化范围内，能可