万向节与传动轴

第 五 章 万 向 节 与 传 动 轴第 一 节 万 向 节一 、 万 向 节 的 构 造 与 工 作 原 理 在 工 程 机 械 传 动 系 统 中 ， 变 速 箱 的 输 出 轴 线 与 驱 动 桥的 动 力 输 入 轴 往 往 不 在 一 条 直 线 上 ， 这 时 就 需 要 折 线 传 力 。 为 了 使 轴 线 平 行 或 相 交 的 两根 轴 连 接 以 传 递 动 力 ， 就 需 要 使用 万 向 节 。图 5-1所 示 为 十 字 形 万 向 节 的 构 造 。 图 5-2为 万 向 切 的 工 作 原 理 。 如 图 5-3（ a） 所 示 ， 设 原 动 轴 P1的 叉 面 与 纸 成 垂 直 ， 从 动 轴 P2的 叉 面 在纸 面 内 ， P1的 角 速 度 恒 为 1， P2在 此 位 置 时 的 角 速 度 为 1， 两 轴 的 夹 角 为 当 十 字 轴 视 为 与 P2轴 一 起 转 动 时 ， A点 的 速 度 vA-2为rvA 22 当 十 字 轴 视 为 与 P 1轴 一 起 转 动 时 ， A点 的 速 度 vA-1为 cos11 rvA 在 此 位 置 A点 的 瞬 时 切 线 速 度 只 能 有 一 个 ， 即 cos 12 21 故 得 AA vv 两 轴 转 过 900， P1轴 的 叉 面 在 纸 面 内 而 P2轴 的 叉 面又 与 纸 面 垂 直 ， 如 图 5-3（ b） 所 示 。设 P2轴 此 时 的 角 速 度 为 2， 同 理 取 B点 为 参 考 点 得vB-1=1r同 理 因 VB-2=2rcos VB-2= VB-1得 cos 12 每 转 900， P2轴 的 瞬 时 角 速 度 2就 从 2变 成 2， 依 此类 推 ， 因 此 coscos 121 两 轴 的 传 动 比 coscos121 i 其 变 化 情 况 如 右 上 图 5-4所示 。 从 图 上 我 们 可 以 看 出 ， 单 万 向 节 在 两 轴 夹 角 越 大 ，角 速 度 2的 变 化 幅 度 也 就 越 大 ， 因 而 产 生 角 加 速 度 ， 产生 振 动 ， 这 不 利 于 机 器 以 均 匀 的 速 度 运 行 。 解 决 办 法 ： 采 用 双 万 向 节 。 如 图 5-5所 示 。 用 传 动 轴 C与 两 个 万 向 节 将 原 动 轴 P 1与 从 动 轴 P2连接 起 来 ， 传 动 轴 C的 两 部 分 用 滑 键 （ 花 键 轴 与 花 键 套 ）相 连 ， 允 许 它 自 动 调 节 其 长 度 。 双 万 向 节 可 以 连 接 两 平 行 轴 （ 图 5-5（ a） ） ， 也 可 连接 两 相 交 轴 （ 图 5-5（ b） ） 。注 意 ： 并 不 说 采 用 了 双 万 向 节 就 解 决 了 瞬 时 速 度 比 始 终 等于 1的 问 题 。 欲 使 任 何 瞬 时 主 动 轴 与 从 动 轴 的 角 速 度 始终 相 等 ， 还 要 满 足 下 列 两 个 条 件 ：1、 中 间 轴 C与 原 动 轴 P 1之 间 的 夹 角 必 须 等 于 中 间 轴 C与从 动 轴 P2之 间 的 夹 角 ， 即 1= 2；2、 中 间 轴 C两 端 的 叉 面 在 同 一 平 面 内 。 比 万 向 节 只 有 在 满 足 上 述 两 条 件 时 ， 才 能 得 到 恒 等 于1的 传 动 比 。 设 开 始 时 中 间 轴 C上 P1端 的 叉 面 位 于 轴 P1与 C所 在 的 平面 内 ， 这 时 C上 P2端 的 叉 面 亦 在 此 平 面 内 ， 即 如 图 5-5（ a）所 示 位 置 。就 C轴 与 P1轴 而 言 c=1cos1就 C轴 与 P2轴 而 言 2=2cos2如 果 1= 2则 1= 2同 理 ， 在 任 何 位 置 继 续 找 都 可 以 找 到 同 样 的 结 果 。 夹 角 仅 允 许 用 到 300， 否 则 中 间 传 动 轴 的 旋 转 不 均匀 度 太 大 ， 角 应 尽 量 小 些 。 二 、 铰 接 式 车 架 万 向 节 的 布 置 对 于 铰 接 车 架 ， 其 中 间 铰 接 点 O必 须 布 置 在 纵 向 中 心线 上 ， 但 究 竟 是 靠 前 轴 好 一 点 ？ 还 是 靠 后 轴 好 一 点 或 前 后轴 等 距 离 好 一 点 ？ 到 目 前 为 止 ， 这 个 问 题 还 没 有 一 个 定 论 ， 在 设 计 时 往往 由 总 体 布 置 时 各 机 构 配 置 的 具 体 需 要 来 确 定 。 不 过 铰 接 点 如 距 前 后 等 距 离 ， 则 转 弯 时 前 后 轮 沿 同 一车 辙 滚 动 ， 否 则 就 有 内 轮 差 ， 行 驶 时 注 意 即 可 。 如 何 布 置 铰 接 点 下 面 的 万 向 节 呢 ？ 如 图 5-6所 示 ， 万 向切 铰 点 A与 B应 与 O点 等距 离 ， 这 样 铰 接 车 架 前后 部 偏 转 一 个 角 度 时 ，由 于 AO=BO， 则 1= 2= /2（ 如 图 5-6（ b） ） 满 足 瞬 时 速 度相 等 的 传 动 条 件 。 如 不 布 置 在 中 间 而 且 偏 离 较 大 时 （ 如 图 5-6（ c） ） ，则 车 架 偏 转 时 ， 21， 不 能 满 足 等 速 传 动 条 件 ， 应 从结 构 上 采 取 措 施 避 免 。三 、 等 速 万 向 节 为 了 增 加 附 着 力 以 提 高其 作 业 性 能 ， 工 程 机 械 往 往采 用 全 轮 驱 动 ， 这 时 转 向 轮就 成 为 转 向 驱 动 轮 ， 这 样 就必 须 设 置 变 角 传 动 机 构 万 向 节 装 置 。 如 果 在 两 侧 转 向 轮 各 设 置 一 套 铰 接 双 万 向 节 ， 尺 寸过 大 且 结 构 复 杂 ， 因 此 在 该 部 位 的 变 角 传 动 机 构 目 前 广泛 采 用 球 式 （ 球 叉 式 或 球 笼 式 ） 等 角 速 万 向 节 ， 但 也 有采 用 特 殊 设 计 的 双 万 向 节 的 结 构 如 三 销 式 等 角 速 万 向 节 。 如 图 5-8（ a） 所 示 ， 齿 轮 轴 线 的 夹 角 为 ， 两 个 齿 轮轮 齿 的 接 触 点 P位 于 角 的 等 分 平 面 内 。 P点 对 于 两 个 轴 的 圆 周 速 度 均 相 同 ， 角 速 度也 应 相 等 。 在 球 式 万 向 节 里 ， 不 管 角 如 何 变 化 ， 只 要 各 钢 球 的中 心 始 终 在 角 的 等 分 平 面 内 ， 就 可 以 实 现 等 角 速 度 传 动 ，见 图 5-8（ b） 。 1、 球 叉 式 等 角 速 万 向 节图 5-9为 球 式 万向 节 的 一 种 结构 球 叉 式 万向 节 。 2、 球 笼 式 等 角 速 成 万 向 节图 5-10为 球 式 万 向 节 的 另 一 种 结 构 球 笼 式 万 向 节 。 图 5-11为 球 笼 式 万 向 节 等 角 速 传 动 原 理 。 球 笼 式 等 角 速 万 向 节可 在 两 轴 夹 角 达 420时 传 递力 矩 ， 且 六 个 钢 球 全 部 传力 。 比 之 球 叉 式 承 载 力 大 ，折 装 方 便 ， 因 此 应 用 广 泛 ，如 前 轮 驱 动 的 轿 车 ， WL-60液 压 挖 掘 机 等 采 用 。 轴 向 可 伸 缩 的 球 笼 式 万 向 节 （ 图 5-12） 的 内 外 滚 道 为圆 柱 形 。四 、 十 字 形 万 向 节 的 计 算1、 轴 颈 弯 曲 强 度图 5-13为 十 字 轴 的 危 险 断 面 在 轴 颈 部 。 )(32 44 kj j dd Psd 式 中 P 万 向 节 叉 在 一 个 轴 颈 上 作 用 的 圆 周 力 （ N） ； 其 值 为 P=Mj/（ 2a） 。 dj 十 字 轴 轴 颈 直 径 （ mm） ； dk 十 字 轴 油 孔 直 径 （ mm） ； 十 字 轴 许 用 弯 曲 强 度 ， =250MPa； 2、 滚 针 接 触 强 度由 赫 芝 -别 辽 耶 夫 公 式 导 出 )(113.272 MPalQdd jzjj 式 中 Q 每 一 个 滚 针 的 负 荷 （ N） ， Q=4.6kP/z； z 每 个 滚 针 轴 承 的 滚 针 数 ； k 轴 承 特 征 系 数 ， 此 种 结 构 取 k=1； d j 十 字 轴 轴 颈 直 径 （ mm） ； dz 滚 针 轴 承 滚 针 直 径 （ mm） ； l 滚 针 有 效 工 作 长 度 （ mm） ； j 许 用 接 触 强 度 ， j =3000 3200 MPa。 3、 滚 针 轴 承 的 承 载 能 力 )(79 )(cos2 3 NnzldP NPaMP zj 式 中 a 万 向 节 输 入 轴 和 输 出 轴 之 间 的 夹 角 ； P 滚 针 轴 承 上 的 许 用 作 用 力 （ N） ； n 传 动 轴 转 速 （ r/min） 。 第 二 节 传 动 轴一 、 原 理 与 构 造作 用 ： 传 递 扭 矩 。形 状 ： 空 心 的 圆 形 断 面 。要 求 ： 材 质 分 布 均 匀 。 制 造 方 式 ： 钢 板 卷 制 对 焊 而 成 。 传 动 轴 和 万 向 节 装 配 后 必 须 作 动 平 衡 试 验 并 校 正 。 平 衡 精 度 由 离 心 力 P=G2r/g来 确 定 ， 用 贴 平 衡片 的 办 法 来 平 衡 离 心 力 。 平 衡 后 的 不 平 衡 度 以 重 径 积 来 表 示 ， 并 应 在 表 5-1范围 内 。工 程 机 械 常 直 接 选 用 各 种 汽 车 的 传 动 轴 ， 或 稍 加 改 造 。 解 放 牌 汽 车 的 传 动 轴如 图 5-14 所 示 。二 、 计 算1、 强 度 计 算 ： 传 动 轴主 要 传 递 扭 矩 ， 可 按下 式 计 算 其 扭 转 应 力 MPa dDDM j )(16 44 式 中 D- 传 动 轴 外 径 （ mm） ； d- 传 动 轴 内 径 （ mm） ； Mj- 计 算 力 矩 （ N. mm） ； - 许 用 扭 转 应 力 ， 1000r/min， 或 nl应 比 发 动 机 最 大 转 速 大 70%80%。 习 题1、除球叉式等速万向节与球笼式等速万向节外，你还见过哪些等速万向节在工程机械与汽车中应用？2、工程机械用的传动轴，研制时应注意技术上掌握哪些要点？3、某型解放牌汽车的传动轴外径D=89mm，内径d=84mm，支承长度L=12681325 mm，所用的汽油机Nmax/nmax=71（w）/2800（r/min），Mmax=310N.m（2800r/min时），试根据该传动轴传递扭矩作强度计算，并计算其临界转速。4、题3之解放牌汽车的万向节十字轴的结构尺寸，参看图5-13：d j=25 mm，dk=6 mm，a=39 mm，s=15 mm，计算十字轴轴颈的弯曲强度。此十字万向节每个滚针轴承的滚针数z=45，滚针直径为3 mm，滚针有效工作长度为15mm，度计算滚针的接触应力与滚针轴承的承载力。