汽车设计第四版吉林大学4
汽车设计
第四版
本章主要内容:
* 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
* 中间支承结构分析与设计
第一节 概述
一、万向传动轴的组成:
由万向节、轴管及其伸缩花键等组成，对于长轴距的汽车，有时还加装中间支承。
二、万向传动轴的功用:
主要用于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。
三、万向传动轴设计应满足如下基本要求：
1）保证所连接的两轴的夹角及相对位置在一定范围内变化时，能可靠而稳定地传递动力。
2）保证所连接的两轴尽可能等速运转。由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声应在允许的范围内，在使用车速范围内不应产生共振现象。
3）传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。
第二节 万向节结构方案分析
一、十字轴式万向节
组成：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。
目前，常见的滚针轴承轴向定位方式有盖板式、卡环式、瓦盖固定式和塑料环定位式等。
盖板式的优缺点：工作可靠，拆装方便，但零件数目较多。
卡环式的优缺点：具有结构简单、工作可靠、零件少和质量小的优点。
瓦盖固定式的优缺点：具有拆装方便、使用可靠的优点，但加工工艺较复杂。
塑料环定位式的优缺点：轴向定位可靠，十字轴轴向窜动小，但拆装不方便。
为了防止十字轴轴向窜动和发热，保证在任何工况下，十字轴的端隙始终为零，有的结构在十字轴轴端与轴承碗之间加装端面止推滚针或滚柱轴承。
注意：滚针轴承的润滑和密封好坏直接影响十字轴万向节的使用寿命。
优缺点：可直接暴露在外面，并不需要加外球壳和密封装置；对万向节与转向节的同心度要求不太严，中心不一致可由万向节内三销的轴向滑动来补偿；允许所连接的两轴最大夹角较大，可达45°。但其外形尺寸较大，零件形状较复杂，毛坯需要精确模锻。其主动轴一侧需装轴向推力轴承。
应用：主要用于总质量较大的越野车转向驱动桥。
注意：
圆弧槽型球叉式万向节作为转向驱动桥的传力构件时，万向节旋转轴线应与车桥轴线重合，以避免发生万向节摆动现象。为了不致于在万向节转角接近最大值时，放置传力钢球的主、从动叉的交叉槽趋于平行位置，导致钢球无法约束而自动散开，并造成万向节装配关系破坏，设计时，应使两叉的最大夹角
大于车轮的最大转角，同时万向节中心应位于转向主销轴线上。另外，应保证在万向节处于最大转角时，使各传力钢球与定心钢球之间不接触，至少使传力钢球与定心钢球在此情况下的间隙不小于5mm，且使各钢球与万向节轴头均匀地预紧在一起，使得在任意方向旋转时，能通过万向节的两个传力钢球来传递转矩，而避免靠一个钢球来传递，防止产生过载现象。
（2）直槽滚道型球叉式万向节
（3）伸缩型
优缺点：结构简单，加工方便，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，万向节允许的最大工作夹角为20°。
应用： Birfield型球笼式万向节和伸缩型球笼式万向节广泛地应用在具有独立悬架的转向驱动桥上，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，可以补偿由于前轮跳动及载荷变化而引起的轮距变化。伸缩型万向节还被广泛地应用到断开式驱动桥中。
从万向节叉与十字轴之间的约束关系分析可知，主动叉对十字轴的作用力矩，除主动轴驱动转矩T1之外，还有作用在主动叉平面的弯曲力矩T'1。同理，从动叉对十字轴也作用有从动轴反转矩T2和作用在从动叉平面的弯曲力矩T'2在这四个力矩的作用下，使十字轴万向节得以平衡。
下面仅讨论主动叉在两特殊位置时，附加弯曲力矩的大小及变化特点。
分析可知，附加弯矩T'1、T'2的大小是在零与上述两最大值之间变化，变化周期为T，即每一转变化两次。T'2使从动叉轴支承承受周期性变化的径向载荷为
如果十字轴万向节的主动叉轴转速不变，则从动叉轴周期地加速、减速旋转，产生的惯性力矩为
二、双十字轴万向节传动
当输入轴与输出轴之间存在夹角a时，单个十字轴万向节的输出轴对于输入轴是不等速旋转的。
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，但必须保证与传动轴相连的两万向节叉布置在同一平面内，且使两万向节夹角α1与α2相等。
在双十字轴万向节传动中，直接与输入轴和输出轴相连的万向节叉所受的附加弯矩彼此平衡，传动轴发生如图4-11b中双点划线所示的弹性弯曲，从而引起传动轴的弯曲振动。
当输入轴与输出轴的轴线相交时（图4-11c），传动轴两端万向节叉上所受的附加弯矩方向相同，不能彼此平衡，传动轴发生如图4-11d中双点划线的弹性弯曲，因此对两端的十字轴产生大小相等、方向相反的径向力。
三、多十字轴万向节传动
多万向节传动的从动
叉相对主动叉的转角差△φ（rad）的计算公式与单万向节相似，可写成
在设计多万向节传动时，总是希望其当量夹角αe尽可能小。一般设计时，应使空载和满载两种工况下的αe ≤ 3°。另外，对多万向节传动输出轴的角加速度幅值α?eω?1应加以限制。对于乘用车，α?eω?1≤350rad／s?；对于商用车，α?eω?1≤600rad／s?。
为了实现等角速传动，应使α1＝α2，代入上式，可得
为了实现等角速传动，必须使球笼的转角β等于主、从动轴夹角α的一半，即β＝0．5a。分析分度杆的结构尺寸，有如下关系
根据上式可选择m、a及b的值，以使在足够大的转角范围内保持β≈0.5α。
第三节结束！
计算载荷T1的选择：①对万向传动轴进行静强度计算时，计算载荷T1取Tse1和Tss1的最小值，或取Tse2和Tss2的最小值，即T1＝min[Tse1，Tss1]或T1＝min[Tse2，Tss2]，安全系数一般取2.5～3.0。②当对万向传动轴进行疲劳寿命计算时，计算载荷T1取Tsf1，或Tsf2。
万向节叉与十字轴组成连接支承，在力F作用下产生支承反力，在与十字轴轴孔中心线成45°的B-B截面处，万向节叉承受弯曲和扭转载荷，其弯曲应力σw和扭应力τb，应满足
第四节 万向节的设计计算
三、球笼式万向节设计
失效形式：主要是钢球与接触滚道表面的疲劳点蚀。在特殊情况下，因热处理不当、润滑不良或温度过高等也会因磨损而损坏。
设计要求：应控制钢球与星形套滚道表面的接触应力，并以此来确定万向节的承载能力。
由于影响接触应力的因素较多，计算较复杂，目前还没有统一的计算方法。
1．Rzeppa型球笼式万向节设计
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，可参见图4-15并按如下关系确定：
钢球中心分布圆半径 R＝1.71d
星形套宽度 B＝1.8 d
球笼宽度 B1＝1.8d
星形套滚道底径 D1＝2.5 d
万向节外径 D＝4.9 d
球笼厚度 b＝0.185 d
球笼槽宽度 b 1＝d
球笼糟长度 L＝（1.33～1.8）d（普通型取下限，
长型取上限）
滚道中心偏移距 h＝0.18d
轴颈直径 d'≥1.4 d
星形套花键外径 D2≥1.55 d
球形壳外滚道长度 L1＝2.4 d
中心偏移角 δ≥6°
2．Birfield型球笼万向节设计
对于Birfield型球笼万向节，以与星形套连接轴的直径d s（mm）作为万向节的基本尺寸，即
四、挠性万向节设计
盘式挠性万向节中橡胶盘的拉应力和挤压应力应满足
第四节结
束！
第五节 传动轴结构分析与设计
4、临界转速
就是当传动轴的工作转速接近于其弯曲固有振动频率时，即出现共振现象，以致振幅急剧增加而引起传动轴折断时的转速，它决定于传动轴的尺寸、结构及其支承情况。
传动轴的临界转速为
10、影响传动轴总成的不平衡度的因素
万向节中十字轴的轴向窜动、传动轴滑动花键中的间隙、传动轴总成两端连接处的定心精度、高速回转时传动轴的弹性变形、传动轴上点焊平衡片时的热影响等。
11、改进措施
1）提高滑动花键的耐磨性和万向节花键的配合精度、缩短传动轴长度并增加其弯曲刚度。
2）为了消除点焊平衡片的热影响，应在冷却后再进行动平衡检验。传动轴的不平衡度，
注意：对于乘用车，在3000～6000r／min时应不大于25～35g.cm；对于商用车，在1000～4000r／min时不大于50～100g.cm。另外，传动轴总成的径向全跳动应不大于0.5～0.8mm。
第五节结束！
第六节 中间支承结构分析与设计
目的：在长轴距汽车上，为了提高传动轴临界转速，避免共振以及考虑整车总体布置上的需要，常将传动轴分段。在乘用车中，有时为了提高传动系的弯曲刚度，改善传动系弯曲振动特性，减小噪声，也将传动轴分成两段。当传动轴分段时，需加设中间支承。
安装：中间支承通常安装在车架横梁上或车身底架上，以补偿传动轴轴向和角度方向的安装误差，以及车辆行驶过程中由于弹性支承的发动机的窜动和车架等变形所引起的位移。
1、橡胶弹性中间支承
2、摆臂式中间支承
结构特点：摆臂机构能适应中间传动轴轴线在纵向平面的位置变化，改善了轴承的受力状况，橡胶衬套能适应传动轴轴线在横向平面内少量的位置变化。
3、越野车传动轴中间支承
结构特点：有的6×6越野车，中间支承安装在中驱动桥上（中桥为非贯通桥）。由于中间支承要承受传动轴滑动花键伸缩所引起的方向变化的轴向力，同时要平衡万向节的附加弯矩，所以大都采用两个圆锥滚子轴承，且轴承座被牢靠地固定在中桥壳上。
4、中间支承的固有频率的计算
中间支承的固有频率可按下式计算
本章作业：
P134：第1、2、3题
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