单十字万向节受力分析及结构设计
第5章 万向节与传动轴设计
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）
35
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
c
16 DcT1
( Dc4
d
4 c
)
c
300 MPa
36
37
38
2n
按驱动轮打滑 来确定
按日常平均使 用转矩来确定
TSS1
G2m2 i0imm
rr
TSF1
Ft rr i0immn
TSS2
G1m1 rr 2i m m
TSF 2
Ft rr 2i mm n
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。
12
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
13
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
不等速性
14
不等速性曲线图
15
准等速万向节
2.双联式万向节
0
1
f
d1 r
2 tan
( 25时)
❖通常约为97%～99％
30
三、球笼式万向节设计
Rzeppa型球笼式万向节设计
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:
万向传动的运动和受力分析
第三节 万向传动的运动和受力分析一、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夹角α 时，主动轴的角速度ω1与从动轴的角速度ω2之间存在如下关系12212cos sin 1cos ϕααωω-= (4-1)式中，φ1为主动轴转角，定义为万向节主动叉所在平面与万向节主、从动轴所在平面的夹角。
由于cos α是周期为 2π 的周期函数，所以ω2／ω1，也为同周期的周期函数。
当φ1为0、π时，ω2达最大值ω2max 。
且为ω1／cos α； 当φ1为 π／2、3π／2时， ω2有最小值ω2min 。
且为ω1 cos α。
因此，当主动轴以等角速度转动时，从动轴时快时慢，此即为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可用转速不均匀系数 k 来表示 ααωωωtan sin 1min 2max 2=-=k (4-2) 如不计万向节的摩擦损失，主动轴转矩T 1和从动轴转矩T 2与各自相应的角速度有关系式T 1ω1= T 2ω2，这样有 11222cos cos sin 1T T αϕα-= (4-3) 显然，当ω2／ω1最小时，从动轴上的转矩为最大T 2max =T 1／cos α；当ω2／ω1最大时， 从动轴上的转矩为最小T 2min =T 1cos α。
当T l 与α一定时，T 2在其最大值与最小值之间每一转变化两次；具有夹角 α 的十字轴万向节，仅在主动轴驱动转矩和从动轴反转矩的作用下是不能平衡的。
这是因为这两个转矩作用在不同的平面内，在不计万向节惯性力矩时，它们的矢量互成一角度而不能自行封闭，此时在万向节上必然还作用有另外的力偶矩。
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偶矩，除主动轴驱动转矩T l ，之外，还有作用在主动叉平面的弯曲力偶矩T l′。
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偶矩T2′。
在这四个力矩作用下，使十字轴万向节得以平衡。
万向节和传动轴设计
§4-6 中间支承结构分析与设计
1.开式：单式复式2.闭式：万向节被密封于管内，管承受驱动轴反力（独立悬架采用）
应合理选择CR，避免共振
§4-6 中间支承结构分析与设计
中间支承固有频率
感谢阅读
感谢阅读万向节：圆弧槽型球叉式万向节：传动夹角小于33°，磨损快，用于轻中型越野车转向驱动桥；直槽滚道型球叉式万向节：传动夹角小于20°，可以略微伸缩，用于断开式驱动桥
三、等速万向节
2.球笼式万向节：Birfield型球笼式万向节（RF节）：承载能力和耐冲击能力强，效率高，结构紧凑，安装方便，应用最广泛，用于独立悬架转向驱动桥靠近转向轮一侧。
一、单十字轴万向节传动
2.转矩变化若T1为常数，则
一、单十字轴万向节传动
3.附加弯曲力偶矩变化1）1=0°，180°时，则T2'= T1sinα，最大；2）1=90°，270°时，则T1'= T1tgα ，最小；因此，主、从动轴受到周期作用的附加弯曲力偶矩，其周期比主动轴转速大一倍（π），在主从动轴支承上引起周期性变化的径向载荷（振动）。
三、等速万向节
2.球笼式万向节：伸缩型球笼式万向节（VL节）：外滚道为直槽，可伸缩，省去滑动花键，结构简单，效率高；用于独立悬架转向驱动桥靠近主减速器一侧。
四、挠性万向节
特点：能减小扭转振动、动载荷、噪声结构简单，不用润滑用于两轴间夹角不大（3～5°），轴向位移小的场合
四、挠性万向节
用途：轿车三万向节传动中的靠近变速器的第一节；重型汽车发动机与变速器之间；越野车变速器与分动器之间，以消除制造安装误差和车架变形对传动的影响。
二、准等速万向节
2.凸块式万向节 特点：相当于双联式万向节，工作可靠，加工简单，允许的夹角较大（50°），工作面为全滑动摩擦，效率低，易磨损，对密封和润滑要求高。 用途：多用于中型以上越野车转向驱动桥。
单十字万向节受力分析及结构设计
单十字万向节受力分析及结构设计摘要十字万向轴广泛的应用在低终端类型的汽车中、矿用大型设备、农业机械、轧钢机器和汽车的转向系统中，汽车的十字万向节主要包含以下几个部件：十字轴、万向节、套筒等相关零部件，万向节和十字轴之间采用的是滚针结构的轴承进行的连接；单十字万向节的可以实现传动过程中角度变换，并且在变换的过程传递汽车运行时所需的扭矩。
本次毕业设计的研究对象为比亚迪SUV中的十字万向轴作为设计原型，根据整个汽车的实际运行参数以及其中发动机、变速器等主要零部件的技术参数，对汽车中的十字万向轴进行研究分析，首先分析其在运行过程中的所受扭矩是否满足使用要求，同时对十字万向轴进行结构设计；其次根据其在使用过程中的受力情况对其进行有限元强度分析，确保整体结构的刚度满足要求；最后根据有限云分析的结果对十字万向轴进行结构优化于疲劳寿命分析，确保优化后的十字万向轴满足使用要求。
关键字：十字万向轴；有限元分析；拓扑优化；疲劳分析ABSTRACTCross universal shaft is widely used in low terminal type of automobile, large mining equipment, agricultural machinery, steel rolling machine and automobile steering system. The cross universal joint of automobile mainly includes the following parts: cross shaft, universal joint, sleeve and other related parts. The bearing of needle rolling structure is used to connect the universal joint and cross shaft; The single cross universal joint can realize the angle transformation in the process of transmission, and transfer the torque required by the car in the process of transformation. The research object of this graduation project is the cross universal shaft of BYD SUV as the design prototype. According to the actual operation parameters of the whole car and the technical parameters of the engine, transmission and other main parts, the cross universal shaft of the car is studied and analyzed. Firstly, whether the torque in the operation process meets the use requirements is analyzed, At the same time, the structure of the cross universal shaft is designed; Secondly, the finite element strength analysis is carried out according to the stress situation in the process of use to ensure that the stiffness of the whole structure meets the requirements; Finally, according to the results of the finite cloud analysis, the structure of the cross universal shaft is optimized and the fatigue life is analyzed to ensure that the optimized cross universal shaft meets the use requirements.Keywords：Cross universal shaft; Finite element analysis; Topology optimization; Fatigue analysis目录摘要 (1)ABSTRACT (2)目录.............................................................................. 错误!未定义书签。
第四章 万向节设计
第四节 万向节设计 一 、计算载荷Ts
位置 计算方法 按 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 用于变速器与 驱动桥之间 用于转向驱动桥
k d Te max ki1i f k d Te max ki1i f i 0 Tse1 Tse 2 n 2n
第三节 万向传动的运动和受力分析
一 、单十字轴万向节传动
研究运动学的目的： 求得保证所连接的两轴能够均匀等速运转的条件 是什么？
由机械原理可知： tg1 tg 2 cos （1） 由（1）式得： tg1 2 arctg （2） cos 假设： α=常数 将（2）式对时间求导数，得到角速度ω： d 2 d1 cos 2 2 dt 1 sin cos 1 dt d1 1 ——主动轴角速度 dt
1 与1 2 和 关系如下图所示：
图中表明： 1 2 为负值，即从动轴比主动 1) 1 从0～90 时， 轴转的快； 1 2 为正值，即从动轴比主动 180 时， 90 ～ 2) 1 从 轴转的慢； 3) 主动轴转一周，从动轴有两次比它快，两次比它 慢； 4） 角愈大，在同一个 1 值时，其 1 2 之差也 愈大。
2. 保证所连接的两轴能均匀运转； 3. 由于万向节夹角的存在而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。
二、万向传动轴的组成
万向传动轴由三部分组成
分 类 不等速 刚 性 万 向 节 准等速 万向节 等速 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，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。
利用CATIA进行十字万向节力矩传递分析
利用CATIA进行十字万向节力矩传递分析殷腾蛟;甘林【摘要】以十字万向节力矩传递分析为例,利用CATIA软件的运动分析功能来获取零部件之间的位置关系数据,然后计算出输出力矩,最后使用《汽车底盘设计》的计算结果来检验说明分析方法的可靠性.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2018(044)007【总页数】3页(P57-59)【关键词】DMU;CATIA;十字万向节;力矩分析【作者】殷腾蛟;甘林【作者单位】安徽江淮汽车集团股份有限公司,安徽合肥 230022;安徽江淮汽车集团股份有限公司,安徽合肥 230022【正文语种】中文【中图分类】U467前言利用CATIA软件的运动分析功能，可以模拟出任意时刻输入轴、输出轴、十字轴的位置关系，利用位置关系数据，可以直接计算出输入轴与输出轴之间的力矩关系。
1 十字万向节力矩传递分析1.1 任意时刻下力矩分析1.1.1 十字万向节传动机构任意时刻时，十字万向节传动机构如下图1所示：图1 十字万向节传动机构其中：1、基座；2、输入轴；3、十字轴；4、输出轴。
输入轴与输出轴交点为O。
1.1.2 输入轴对十字轴作用力分析输入轴对十字轴受力分析如下图2所示：图2 输入轴对十字轴受力分析D1、D1’为力的作用点。
轴线 Z1与输入轴轴线重合，通过 D1与 Z1做平面 P1，过 D1做 3条正交直线 F1、F2、F3表示3个方向的力，F1与轴线平行，F3为P1的法线。
D1上的力未知，可以用 F1、F2、F3三个方向的力表示。
D1’按照D1的方式处理。
D1、D1’的合力对十字轴产生的力矩如下图 3所示：图3 D1、D1’的合力对十字轴产生的力矩T1与轴线Z1平行，T1’为P1的法线方向，T1、T1’垂直。
根据作用力与反作用力的关系，十字轴对输入轴轴线方向的力矩大小同 T1，因输入轴力矩平衡，所以 T1大小等于输入力矩大小。
1.1.3 输出轴对十字轴作用力分析输出轴对十字轴受力分析如下图4所示：图4 输出轴对十字轴受力分析分析方法同输入轴对十字轴的受力分析，其中Z2为输出轴轴线，D2、D2’为输出轴对十字轴力的作用点，平面 P2通过D2、D2’与Z2。
汽车设计 第6版 第4章 万向传动设计
尺寸大，零件多，结构较复杂，传递转矩有限
当应用于转向驱动桥中，由于轴向尺寸大，为 使主销轴线的延长线与地面交点到轮胎的印迹 中心偏离不大，需要较大的主销内倾角
第四章 万向传动设计
汽车工程系
第二节 万向节结构方案分析
四、等速万向节
1.球笼式万向节
（1）固定型球笼式万向节
星形套7以内花键与主动轴1相连，其外表面设置有 6条凹槽（形成内滚道）。球形壳8的内表面设置有 对应的6条凹槽（形成外滚道）。6个钢球分别嵌装 在6条滚道中，并由保持架4使之保持在同一平面内。 动力由主动轴1经过钢球6、球形壳8输出。
第四章 万向传动设计
汽车工程系
第二节 万向节结构方案分析
二、十字轴式万向节
滚针轴承的润滑和密封
毛毡油封：因防漏油、防水、防尘效果差，已淘汰 双刃口复合油封：防漏油、防水、防尘效果好。在 灰尘较多的环境中万向节寿命显著提高。 多刃口油封：防漏油、防水、防尘效果更好。
第四章 万向传动设计
汽车工程系
第二节 万向节结构方案分析
第四章 万向传动设计
汽车工程系
第二节 万向节结构方案分析
四、等速万向节
2.三枢轴式万向节
三枢轴式万向节能允许最大轴间交角为43°
万向节安装位置或相连接总成
离合器-变速器；变速器-分动器 （相连接总成均安装在车架上）
驱动桥 传动轴
汽车满载 静止夹角
行驶中的 极限夹角
一般汽车 越野汽车 一般汽车 越野汽车
α不大于
1°~3°
6° 12° 15°~20° 30°
第四章 万向传动设计
汽车工程系
第二节 万向节结构方案分析
三、双联式万向节
汽车工程系
单十字轴式万向节不等速性分析及球笼式、球叉式等速万向节结构拆装_汽车底盘构造作业(四)
汽车底盘构造作业（四）
一、 单十字轴式万向节不等速性分析
（2）当主动叉平面在水平位置，且十字轴平面与从动轴轴 线垂直时：
w1 vb
w2 va’
va’’ va va’
主动叉与十字轴连接点a的线速度va在平行于从动叉的 平面内，并且垂直于主动轴。
线速度va可分解为在十字轴平面内的速度va’和垂直 于十字轴平面的速度va’’。
汽车底盘构造作业（四）
一、 单十字轴式万向节不等速性分析
（2）当主动叉平面在水平位置，且十字轴平面与从动轴轴 线垂直时：
w1
vb
w2 va’
va’’ va va’
根据与上述同样的道理，在数值上，va>va’，而va’=vb。
因此，va>vb，即当主、从叉转到所述位置时，从动 轴的转速小于主动轴的转速。
点b的线速度vb可分解为在十字轴平面内的速度vb’和 垂直于十字轴平面的速度vb’’。
汽车底盘构造作业（四）
一Hale Waihona Puke 单十字轴式万向节不等速性分析（1）当主动叉平面在垂直位置，且十字轴平面与主动轴轴
线垂直时：
va
w1
w2
vb
vb’
vb’
vb’’
由速度直角三角形可以看出，在数值上, vb >vb’。
当万向节传动时，十字轴绕O点转动。由于十字轴各 轴颈长度相等，即oa=ob 。
汽车底盘构造作业（四）
2017级车辆工程01班 (姓名) （学号） 2019年10月18日
一、 单十字轴式万向节不等速性分析
（1）当主动叉平面在垂直位置，且十字轴平面与主动轴轴
线垂直时：
va
w1
w2
vb
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单十字万向节受力分析及结构设计单十字万向节是机械传动中常见的一种连接件，其主要用于传递转
角运动和轴向运动。
本文将进行单十字万向节的受力分析及结构设计
的探讨。
一、单十字万向节的结构简介
单十字万向节由两个对称的单十字轴承组成，每个轴承由内圈、外圈、滚珠和保持架组成。
内圈和外圈分别与输入轴和输出轴相连，滚
珠则在内圈和外圈之间以球形滚动方式传递力矩和转角运动。
保持架
用于保持滚珠的位置，同时使其能够自由滚动，并保证轴承的稳定性。
二、单十字万向节的受力分析
在实际应用中，单十字万向节承受着很大的受力。
首先，单十字万
向节在传递转角运动时，内圈和外圈之间会存在一定的摩擦力，此时
滚珠所受的力包括径向力和轴向力。
其次，单十字万向节在传递轴向
运动时，滚珠所受的力主要是轴向力。
因此，要保证单十字万向节的
使用寿命和传动效率，需对其受力情况进行准确的分析。
对于单十字万向节的受力分析，主要从以下几个方面进行考虑：
1. 轴向力分析：轴向力主要由输入轴和输出轴在传递轴向运动时所
受的力引起。
根据材料力学的原理，我们可以通过力的平衡方程来计
算轴向力大小。
2. 径向力分析：径向力主要由滚珠在内圈和外圈之间的摩擦力引起。
摩擦力大小与滚珠与保持架之间的接触压力有关，可以通过接触压力
和材料力学性质计算得到。
3. 结构分析：单十字万向节的结构设计需要考虑受力情况，并选用
合适的材料和适当的尺寸。
结构分析可以通过有限元分析等方法进行，以保证单十字万向节的受力均匀，不易发生破坏。
三、单十字万向节的结构设计
在进行单十字万向节的结构设计时，需要根据受力分析的结果，选
择合适的材料和尺寸，以满足其使用寿命和传动效率的要求。
1. 材料选择：材料的选择需考虑强度、硬度、耐磨性等因素。
常见
的材料有钢、铁、铝合金等，根据不同的工况选择不同的材料。
2. 尺寸设计：尺寸设计需要满足受力分析中计算得到的轴向力和径
向力大小，同时要合理设计滚珠的数量和尺寸，以保证受力均匀分布。
3. 疲劳寿命估算：在结构设计过程中，还需要进行疲劳寿命估算，
以确定单十字万向节的使用寿命。
通过考虑材料的疲劳极限和工作载荷，可以预测单十字万向节的使用寿命。
四、结语
通过对单十字万向节的受力分析及结构设计的探讨，可以明确了解
和把握单十字万向节的工作原理和受力情况。
在实际应用中，合理的
结构设计和材料选择将确保单十字万向节的使用寿命和传动效率。
同
时，在进行受力分析和结构设计时，需要综合考虑各种因素，确保单十字万向节的性能和安全可靠性。
以上就是关于单十字万向节受力分析及结构设计的详细讨论，希望对您有所帮助。