萬向傳動軸設計
說明書商用汽車萬向傳動軸設計
摘要 萬向傳動軸在汽車上應用比較廣泛。發動機前置後輪或全輪驅動汽車行駛時，由於懸架不斷變形，變速器或分動器的輸出軸與驅動橋輸入軸軸線之間的相對位置經常變化，因而普遍採用可伸縮的十字軸萬向傳動軸。本設計注重實際應用，考慮整車的總體布置，改進了設計方法，力求整車結構及效能更為合理。
傳動軸是由軸管、萬向節、伸縮花鍵等組成。伸縮套能自動調節變速器與驅動橋之間距離的變化；萬向節是保證變速器輸出軸與驅動橋輸入軸兩軸線夾角發生變化時實現兩軸的動力傳輸；萬向節由十字軸、十字軸承和凸緣叉等組成。傳動軸的布置直接影響十字軸萬向節、主減速器的使用壽命，對汽車的振動雜訊也有很大影響。
在傳動軸的設計中，主要考慮傳動軸的臨界轉速，計算傳動軸的花鍵軸和軸管的尺寸，並校核其扭轉強度和臨界轉速，確定出合適的安全係數，合理優化軸與軸之間的角度。
關鍵字：萬向傳動軸、伸縮花鍵、十字軸萬向節、臨界轉速、扭轉強度
目錄一、 概述04
二、 貨車原始資料及設計要求05
三、 萬向節結構方案的分析與選擇06
四、 萬向傳動的運動和受力分析08
五、 萬向節的設計計算11
六、 傳動軸結構分析與設計計算17
七、 法蘭盤的設計19
八、參考文獻20
一、 概述
汽車上的萬向傳動軸一般是由萬向節、軸管及其伸縮花鍵等組成。主要是用於在工作過程中相對位置不斷變化的兩根軸間傳遞轉矩和旋轉運動。
在動機前置後輪驅動的汽車上，由於工作時懸架變形，驅動橋主減速器輸入軸與變速器輸出軸間經常有相對運動，普遍採用萬向節傳動（圖1—1a、b）。當驅動橋與變速器之間相距較遠，使得傳動軸的長度超過1.5m時，為提高傳動軸的臨界速度以及總布置上的考慮，常將傳動軸斷開成兩段，萬向節用三個。
此時，必須在中間傳動軸上加設中間支承。
在轉向驅動橋中，由於驅動橋又是轉向輪，左右半軸間的夾角隨行駛需要而變，這是多採用球叉式和球籠式等速萬向節傳動（圖1—1c）。當後驅動橋為獨立懸架結構時也必須採用萬向節傳動（圖1—1d）。
萬向節按扭轉方向是否有明星的彈性，可分為剛性萬向節和撓性萬向節兩類。剛性萬向節又可分為不等速萬向節（常用的為普通十字軸式），等速萬向節（球叉式、球籠式等），準等速萬向節（雙聯式、凸塊式、三肖軸式等）。
萬向節傳動應保證所連線兩軸的相對位置在預計範圍內變動時，能可靠地傳遞動力，保證所連線兩軸盡可能同步運轉，由於萬向節夾角而產生的附加載荷、振動和雜訊應在允許範圍內。
萬向傳動軸設計應滿足如下基本要求：
1）、保證所連線的兩軸相對位置在預計範圍內變動時，能可靠地傳遞動力。
2）、保證所連線兩軸盡可能等速運轉；由於萬向節夾角而產生的附加載荷、振動和雜訊應在允許的範圍內，在使用車速範圍內不應產生共振現象。
3）、傳動效率高，使用壽命長，結構簡單，製造方便，維修容易等。
二、貨車原始資料及設計內容
2.1原始資料
最大總質量：4220kg
發動機的最大輸出扭矩：tmax=167.53n·m（n=2500r/min）；
軸距：2800mm；
輪胎選取：6.5r16lt 、空載直徑：730mm、滿載半徑：350mm
變速器傳動比: i0=5.8 、i1=5.15、 i4=1
前軸滿載負荷： fz1 =4220*0.35*9.8=14474.5（n）
後軸滿載負荷： fz2 =4220*0.65*9.8=26881.4 (n)
2.2設計要求：
1．查閱資料、調查研究、制定設計原則
2．根據給定的設計引數(發動機最大力矩和使用工況)及總布置圖，選擇萬向傳動軸的結構型式及主要特性引數，設計出一套完整的萬向傳動軸，設計過程中要進行必要的計算與校核。
3．萬向傳動軸設計和主要技術引數的確定
（1）萬向節設計計算
（2）傳動軸設計計算
（3）完成空載和滿載情況下，傳動軸長度與傳動夾角變化的校核
4．繪製萬向傳動軸裝配圖及主要零部件的零件圖
三、萬向節結構方案的分析與選擇
3.1、十字軸式萬向節
普通的十字軸式萬向節主要由主動叉、從動叉、十字軸、滾針軸承及其軸向定位件和橡膠密封件等組成。
目前常見的滾針軸承軸向定位方式有蓋板式(圖3—1a、b)、卡環式(圖3—1c、d)、瓦蓋固定式(圖3—1e)和塑料環定位式(圖3—1f)等。蓋板式軸承軸向定位方式的一般結構(圖3—1a)是用螺栓1和蓋板3將套筒5固定在萬向節叉4上，並用鎖片2將螺栓鎖緊。它工作可靠、拆裝方便，但零件數目較多。
有時將彈性蓋板6點焊於軸承座7底部(圖3—1b)，裝配後，彈性蓋板對軸承座底部有一定的預壓力，以免高速轉動時由於離心力作用，在十字軸端麵與軸承座底之間出現間隙而引起十字軸軸向竄動，從而避免了由於這種竄動造成的傳動軸動平衡狀態的破壞。卡環式可分為外卡式(圖 3—1c)和內卡式(圖3—1d)兩種。它們具有結構簡單、工作可靠、零件少和質量小的優點。
瓦蓋固定式結構(圖4—1e)中的萬向節叉與十字軸軸頸配合的圓孔不是乙個整體，而是分成兩半用螺釘聯接起來。這種結構具有拆裝方便、使用可靠的優點，但加工工藝較複雜。塑料環定位結構(圖3—1f)是在軸承碗外圓和萬向節叉的軸承孔中部開一環形槽，當滾針軸承動配合裝入萬向節叉到正確位置時，將塑料經萬向節叉上的小孔壓注到環槽中，待萬向節叉上另一與環槽垂直的小孔有塑料溢位時，表明塑料已充滿環槽。
這種結構軸向定位可靠，十字軸軸向竄動小，但拆裝不方便。為了防止十字軸軸向竄動和發熱，保證在任何工況下十字軸的端隙始終為零，有的結構在十字軸軸端與軸承碗之間加裝端麵止推滾針或滾柱軸承。
滾針軸承的潤滑和密封好壞直接影響著十字軸萬向節的使用壽命。毛氈油封由於漏油多，防塵、防水效果差，在加註潤滑油時，在個別滾針軸承中可能出現空氣阻塞而造成缺油，已不能滿足越來越高的使用要求。結構較複雜的雙刃口復合油封(圖3—2a)，其中反裝的單刃口橡膠油封用作徑向密封，另一雙刃口橡膠油封用作端麵密封。
當向十字軸內腔注入潤滑油時，陳油、磨損產物及多餘的潤滑油便從橡膠油封內圓表面與十字軸軸頸接觸處溢位，不需安裝安全閥，防塵、防水效果良好。在灰塵較多的條件下使用時，萬向節壽命可顯著提高。圖3—2b為一轎車上採用的多刃口油封，安裝在無潤滑油流通系統且一次潤滑的萬向節上。
十字軸萬向節結構簡單，強度高，耐久性好，傳動效率高，生產成本低。但所連線的兩軸夾角不宜過大，當夾角由4°增至16°時，十字軸萬向節滾針軸承壽命約下降至原來的1／4。
3.2 準等速萬向節
雙聯式萬向節是由兩個十字軸萬向節組合而成。為了保證兩萬向節連線的軸工作轉速趨於相等，可設有分度機構。偏心十字軸雙聯式萬向節取消了分度機構，也可確保輸出軸與輸入軸接近等速。
五分度杆的雙聯式萬向節，在軍用越野車的轉向驅動橋中用得相當廣泛。此時採用主銷中心偏離萬向節中心1.0～3.
5mm的方法，使兩萬向節的工作轉速接近相等。雙聯式萬向節的主要優點是允許兩軸間的夾角較大(一般可達50°，偏心十字軸雙聯式萬向節可達60°)，軸承密封性好，效率高，工作可靠，製造方便。缺點是結構較複雜，外形尺寸較大，零件數目較多。
當應用於轉向驅動橋時，由於雙聯式萬向節軸向尺寸較大，為使主銷軸線的延長線與地面交點到輪胎的接地印跡中心偏離不大，就必須用較大的主銷內傾角。
綜上考慮成本、傳遞轉矩的大小以及等速要求等，故選擇十字軸萬向節。此外，由於傳動軸長度不超過1.5m，從總布置上考慮，選擇一根傳動軸，萬向節用兩個，而在傳動軸上就無需加設中間支承了。
四、萬向節傳動的運動和受力分析
4.1、單十字軸萬向節傳動
當十字軸萬向節的主、從動軸之間的夾角為時，主、從動軸的角速度、之間存在如下關係
式中， 1為主動叉轉角。
由於是週期為2的週期函式，所以也為同週期的週期函式。如果保持不變，則每週變化兩次。因此主動軸以等速動時，從動軸時快時慢，此即普通十字軸傳動的不等速性。
十字軸萬向節傳動的不等速性可用轉速不均勻係數k表示
普通十字軸萬向節的主動軸和從動軸轉角間的關係式為
式中， 1為主動軸轉角， 2為傳動軸轉角，為主動軸與從動軸之間的夾角。該式表示普通萬向節傳動的輸入軸和輸出軸的轉角隨兩軸夾角的變化關係。（如圖）
附加彎曲力偶矩的分析
當主動叉處於1=0和位置時（圖a），由於作用在十字軸軸線平面上，故必為零；而的作用平面與十字軸不共平面，必有存在，且向量垂直向量，合向量指向十字軸平面的法線方向，與大小相等，方向相反。這樣，從動叉上的附加彎矩=。當主動叉處於1=/2和3/2位置時（圖b），同理可知為零，主動叉上的附加彎矩=。
4.2、雙十字軸萬向節傳動
當輸入與輸出軸之間存在夾角時，單個十字軸萬向節的輸出軸相對輸入軸是不等速旋轉的。為使處於同一平面的輸出軸與輸入軸等速旋轉，可採用雙萬向節傳動，但必須保證與傳動軸相連的兩萬向節叉布置在同一平面內，且使兩萬向節夾角1和2相等（圖a、c）。
當輸入軸與輸出軸平行時，直接連線傳動軸的兩萬向節叉所受的附加彎矩彼此平衡，傳動軸發生如圖4-2b 中雙點劃線所示的彈性彎曲，從而引起傳動軸的彎曲振動。當輸入軸與輸出軸的軸線相交時（圖4-2c），傳動軸兩端萬向節叉上所受的附加彎矩方向相同，不能彼此平衡，傳動軸發生如圖4-2d 中雙點劃線的彈性彎曲，因此對兩端的十字軸產生大小相等、方向相反的徑向力。此力作用在滾針軸承碗的底部，並在輸入軸與輸出軸的支承上引起反力。
4.3、多十字軸萬向節傳動
多萬向節傳動的運動分析是建立在單十字軸萬向節運動分析的基礎上的。下面分析三萬向節的等速條件（如圖）。
多萬向節傳動的從動叉相對主動叉的轉角差的計算公式與單萬向節相似，可寫成
式中，為多萬向節傳動的當量夾角；為主動叉的初相位角；為主動軸轉角。
假如多萬向節傳動的各軸軸線均在同一平面，且各傳動軸兩端萬向節叉平面之間的夾角為零或/2，則當量夾角為
式中的正負號確定：當第一萬向節的主動叉處在各軸軸線所在的平面內，在其餘的萬向節中，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。
為使多萬向節傳動輸出軸與輸入軸等速，應使=0。
萬向節傳動輸出軸與輸入軸的轉角差會引起動力總成支承和懸架彈性元件的振動，還能引起與輸出軸相連齒輪的衝擊和雜訊及駕駛室內的諧振雜訊。因此在設計多萬向節傳動時，總是希望其當量夾角盡可能小。一般設計時，應使空載和滿載工況下的不大於。
另外，對多萬向節傳動輸出軸的角加速度幅值應加以限制。對於乘用車， ；對於商用車， 。
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