第四章 万向传动轴设计


概述 万向节结构方案分析 万向传动的运动和受力分析 万向节的设计计算 传动轴结构分析与设计 中间支承结构分析和受力分析
第一节 概 述
1、组成：万向节、中间支承、传动轴 2、功用：在相交且相对位置常变化的两转 轴间传递动力 3、应用场合： • 变速器与驱动桥间 • 变速器与分动器间 • 转向驱动桥中的主减速器与转向驱动轮之间 • 转向系统中的转向柱和转向器之间
准等速万向节——双联式 双联式万向节
定义：传动轴缩至最小的双万向节等速传动装置
结构： 见（图）
优点：允许较大的轴间夹角、结构简单、制造方
便、工作可靠,具有准等速性
准等速万向节——双联式
准等速万向节——双联式
优点：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。
十字轴万向节轴向定位方式
弹 性 盖 板 式 瓦盖固定式 塑料 环定 位式 外卡式 内卡式
普通盖板式
定位方式 特点 零件数 结构 质量 拆装 工作 制造工艺 十字轴轴向窜动
※
盖板式 普通型 多 复杂 大 方便 可靠 简单 有 没有 弹性
卡环式 外卡式 少 简单 小 方便 可靠 简单 很小 内卡式 少 简单 小 方便 可靠 简单 很小
万向节的应用
(1) 变速器与驱动桥之间 (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 (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） (4)采用独立悬架的汽车差速器之 间 (5)转向驱动车桥的差速器与车轮 之间 (6) 汽车的动力输出装置和转向操 纵机构中
cos
1
当1＝/2,3/2时，2为最小值， 2min＝1 cos
T2 max T1 / cos 从动轴的转矩：
万向节叉与十字轴之间的约束关系分析 主动叉对十字轴的作用力偶矩：主动轴的驱动转 矩T1及弯曲力偶矩T1 ； 从动叉对十字轴的作用力偶矩：从动轴的从动反 转矩T2及弯曲力偶矩T2
VL型广泛应用于断开式驱动桥中
当两轴夹角为零时，钢球中心、行星套中心、 球形壳的夹角≤33° 滚道的横截面应为椭圆形
挠性万向节

定义：依靠弹性间的弹性变形来保证在相交
两轴间传动时不发生机械干涉的万向节

优点：可消除制造安装误差和车架变形对传
动的影响，吸收冲击，衰减振动，结构简单， 无需润滑。

应用：轴间夹角不大或只有微量轴移传动场
＝ 1 1 sin 2 cos2 1
1:主动轴的角速度 2:从动轴的角速度 ：主动轴与从动轴的夹角 1:主动叉所在的平面与主、从动轴所在平面的 夹角
万向传动的运动及受力分析
2 也为同周期的 cos1 是周期为 2 的周期函数， 1 周期函数。 1 ＝ •当1＝0,时，2达最大值；2max cos 2min＝1 cos •当1＝/2,3/2时，2达最小值： 当主动轴以等角速度转动时，从动轴的转动时快 时慢，即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用速度不均匀系数 2 max 1min k表示： k sin tg 1
1 主动轴 2 星形套（内滚道） 3 保持架（球笼） 4 筒形套（外滚道）
5 钢球
两轴间的夹角20~25度，(大于十字轴小于球叉)
适合于用在转向驱动桥的主减速器侧
固定型和伸缩型球笼式万向节的应用
Birfield（Rf）球笼式和伸缩型球笼式（ VL） 万向节广泛应用于具有独立悬架的转向驱动桥 靠近转向轮一侧用 Birfield，靠近差速器的一 侧用 VL 型，以补偿由于前轮跳动及载荷变化而 引起的轮距变化
瓦盖固 定式 多 复杂 大 方便 可靠 复杂 有
塑料环定 位式 少 简单 小 不方便 可靠 简单 很小
※有轴向窜动将使传动轴的动平衡状态遭受破坏。
盖板式
万向 节叉
十字 轴
万向 节叉
十字轴万向节密封方式
单 刃 口 油 封
毛毡油封：漏油，防水、防尘效果差。 橡胶油封：单刃口、双刃口、多刃口。 装配时封入润滑油：双刃口、多刃口 需要定期注入润滑油（单刃口反装，利于陈油和摩擦物排 出） 双 刃 口 油 封
寿命短，钢球与凹槽的磨损快。
采用压力装配的球叉式等速万向节的拆卸
不便。
等速万向节——球叉式万向节
球叉式：钢球滚道形状：圆弧槽、直槽
圆 弧 滚 道 形
圆弧槽：两个万向节叉、四个传力钢球、一个定位钢球。 特点：四个钢球在单向传动时只有两个传递动力，单位压 力多大，磨损严重；只有在传力钢球与滚道之间具有一定 的预紧力时，才能保证等角速传动。

第二节 万向节结构方案分析
十 字 轴 刚 性 万 向 节
结构简单、零部件少、工作可靠、效率高，
允许两轴之间的转角15~20度。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。
十字轴刚性万向节
组成： 十字轴、滚针轴承、主动叉、从动叉及轴上定位件和橡胶 密封件 轴向定位的方式： 盖板式、卡环式、瓦盖固定式，塑料环定位式
直 槽 滚 道 形
直槽：轴向相对滑动 用在转向驱动桥，可补偿半轴长度变化， 省去滑移齿轮
等速万向节——球笼式万向节 固定型：
等速万向节——球笼式万向节
等速万向节——球笼式万向节
向固 节定 型 球 笼 式 等 速 万 (RF)
等速万向节——球笼式万向节
固定型球笼式万向节
Birfield（Rf）：当轴 夹角为零时，子午滚道 的交叉也能将钢球定在 正确位置。
1＝0, 1＝ 1＝/2, 1＝3/2 图4-9 十字轴万向节的力偶矩
万向节叉与十字轴之间的约束关系分析
1＝0, 1＝ 1＝/2, 1＝3/2
图4-9 十字轴万向节的力偶矩 当主动叉处于0,位置时： T1作用在十字轴平面内，T1 ＝0； T2的作用平面与十字轴不共 平面，T20， 从动叉的附加力矩
传递转矩时六个钢球同时参加工作，承载能力 和耐冲击能力强，效率高，结构紧凑，安装方 便，但滚道的制造精度高，成本高。
伸缩型球笼式万向节
伸缩型球笼式万向节
伸缩型球笼式（VL）： 外滚道为直槽 在传递转矩时，行星套 与筒型壳可沿轴向相对 移动 省去万向传动中的滑动 花键 传动效率高
伸缩型球笼式万向节
十字轴双万向节传动的等速条件
为使处于同一平面的输出轴与输入轴等速旋转， 可采用双万向节传动，但必须满足如下条件：
A、两轴间夹角相等 B、两主动叉在同一平面
附加弯矩对传动轴的影响
4-10a输入轴与输出轴平行时， 直接连接传动轴的两万向节叉 所受的附加弯矩彼此平衡，传 动轴发生的弹性变形如图410b； 输入轴与输出轴相交时，传动 轴的两万向节叉所受的附加弯 矩方向相同，不能互相平衡， 对两端的十字轴产生大小相等、 方向相反的径向力。传动轴发 生的变形如图4-10d。
合
挠性万向节
挠性万向节
挠性万向节
靠弹性元件（橡胶盘、橡胶金属套筒、铰接块、六角环 形橡胶圈的弹性变形保证相交两轴间传动时不干涉
结构方案分析
形式 十字轴 双联式万 万向节 向节 向节 特点 结构 简单 复杂 简单 少，形 多，形 零件 少 多 状复 状复杂 杂 夹角 小
①
准等速万向节 凸块 式万 三销轴 式万向 圆弧槽式 节 复杂 简单
等速万向节 球叉式万向节 球笼式万向节 Birfield 型 简单，紧凑 多 少，形状复杂 形状复 杂 大 形状简 单
直槽式
伸缩型
大
50°~60°
大
≯32° ~33°
50°
低
②
45°
≯20°
42°
高
20°
高
效率
高
（0.97～0.99）
高
寿命 尺寸 对密封 性要求 对润滑 要求
长 小 可靠 良好
长 大 可靠 良好
较短
②
长 大 可靠 良好
短 较小 可靠 良好 较小 可靠 良好 要求 精度 高 可靠
较大 可靠 良好
制造 工作可 靠性
容易
容易
容易
难
难
容 易
③
可靠
可靠
可靠
可靠
不可靠
万向传动的运动及受力分析
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的夹 角时，主动轴的角速度1与从动轴的角速度2 具有下列关系： 2 cos
准等速万向节——三销轴式
由两个偏心轴 叉、两个三销 轴和六个滚针 轴承组成
允许所连接的两轴最大夹角为45°，易于密封；外形尺寸较大， 零件形状较复杂，毛坯需要精确模锻；由于工作中三销轴间有相 对轴向滑动，万向节的两轴受有附加弯矩和轴向力，所以主动轴 一侧需装轴向推力轴承。 用于个别中、重型越野车的转向驱动桥。
万向传动的运动及受力分析
不计摩擦损失，主动轴转矩T1与相应的角速度1 与从动轴转矩T2与相应的角速度 2具有下列关系 1 sin 2 cos2 1 式： T T T T
1 1 2 2
2
当1＝0,时，2达最大值，
T2 min T1 cos 从动轴的转矩；
1 2max＝ cos
缺点：结构较复杂，外形尺寸较大，零件数目多。
准等速万向节——凸块式
由两个万向节叉1和4及两个特 殊形状的凸块2和3组成。 结构工作可靠，加工简单，允 许的万向节夹角较大(可达 50°)。 工作面全为滑动摩擦，效率低， 摩擦表面易磨损，对密封和润 滑要求较高。 主要用于中型以上越野车的转 向驱动桥。
准等速万向节——三销轴式
组成： （EQ2080驱动桥中的三销轴万向 节） 偏心轴叉、三销轴、轴承、密封件 优点：允许两轴夹角较大（可达45度） 转弯半径小，机动性好 缺点：占空间大