第四章 万向节与传动轴
万向节和传动轴设计
万向节和传动轴设计1.引言万向节是一种能够在不同角度传动转矩和旋转动力的机械零件，主要用于在非直线传输轴或传动系统中实现旋转传动。
传动轴则是将功率从原动机传递到负载的一种传动装置。
在机械设计中，万向节和传动轴的设计至关重要，因为它们直接决定了传输系统的力学性能和运动传动的效率。
本文将详细介绍万向节和传动轴的设计原理及其在实际工程中的应用。
2.万向节的设计原理和应用万向节的设计原理基于其能够在多个平面上旋转，如X、Y和Z轴，从而实现非常灵活的角度传输。
万向节通常由两个旋转连接部分组成，具有两个旋转轴。
其中一个旋转轴称为输入轴，另一个旋转轴称为输出轴。
两个旋转轴的交点称为万向节的中心。
通过合理设计万向节的结构，可以实现不同的角度传输和旋转。
万向节广泛应用于汽车工业、航空航天、船舶和机械制造等领域。
在万向节的设计中，需要考虑以下几个方面：1)承受的转矩：根据传动系统的需求，确定万向节需要承受的转矩大小。
这个参数将直接影响到万向节的尺寸和材料选择。
2)角度范围：确定万向节需要实现的角度传输范围。
这个参数将决定万向节的结构设计。
3)装配空间：根据实际的装配空间限制，确定万向节的尺寸和形状。
3.传动轴的设计原理和应用传动轴是将原动机的动力传递到负载的一种传动装置。
传动轴的设计原理基于承受和传递转矩的难度及传输效率的要求。
在传动轴的设计中，需要考虑以下几个方面：1)轴材料的选择：根据传动系统的要求，选择合适的轴材料。
常用的轴材料有铁、钢和铝等。
材料的强度和刚度是选择的重要考虑因素。
2)圆整度和平行度：传动轴的圆整度和平行度对传动的效率和平稳度有很大影响。
在轴的制造过程中，需要保证其圆整度和平行度的要求。
3)轴的结构设计：根据传动系统的要求，确定轴的结构设计。
包括轴的直径、轴的长度、轴的形状等。
传动轴广泛应用于各种机械传动系统中，如汽车变速器、工业机械和机床。
在设计传动轴时，需要综合考虑功率传输、转速、扭矩、材料的选择和轴的结构设计等因素，以满足传动系统的要求。
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
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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。
传动轴和万向节设计
传动轴和万向节设计一、传动轴的结构传动轴是连接发动机和驱动轴的重要传动部件，其主要结构包括中心轴、连接部件和连接套管。
中心轴是传动轴的主体，其外形通常为圆柱形。
连接部件用于连接中心轴与其他传动部件，常用的连接方式有接合螺母和套筒连接。
连接套管则用于安装传动轴，起到支撑和保护的作用。
二、传动轴的设计要求传动轴作为汽车传动系统的关键零部件，其设计需要满足以下几个主要要求：1.良好的刚度和强度：传动轴在传递发动机动力的同时，还需要承受车辆行驶过程中的各种载荷。
因此，传动轴的设计需要保证足够的刚度和强度，以防止变形和断裂。
2.良好的动平衡性能：传动轴在高速旋转过程中会产生振动和不平衡力，对汽车驾驶稳定性产生不利影响。
因此，传动轴的设计需要考虑动平衡性能，采取相应的平衡措施。
3.重量轻、体积小：随着汽车动力性能和燃油经济性要求的提高，传动轴的质量也要求尽量减小，以减轻整车质量，提高燃油经济性。
4.良好的耐久性和可靠性：传动轴在汽车使用过程中会受到多种因素的影响，如冲击、杂乱加载和腐蚀等。
因此，传动轴的设计需要保证其良好的耐久性和可靠性，减少故障发生的概率。
三、万向节的结构和工作原理万向节用于连接传动轴和车轮之间，是一种能够在不同角度下实现传动的装置。
常见的万向节结构有三个球式和常角度式两种。
其中，三个球式万向节是一种可以实现任意角度传动的结构，由两个内圈、两个外圈和三个转动球组成。
常角度式万向节则适用于需要固定角度传动的场合，常用于前驱汽车。
万向节的工作原理是通过球和轴之间的球座和滚道实现传递动力。
当传动轴转动时，球会在轴上转动，通过球面与内圈、外圈的滚道接触传递动力。
相对于三个球式万向节，常角度式万向节的结构相对简单，其工作原理类似。
四、常见问题及解决方法1.传动轴产生振动：造成传动轴振动的原因有很多，可能是由于不平衡、轴材质问题或连接部件松动等原因。
解决方法可以是进行动平衡修正或更换质量较好的传动轴。
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。
第四章万向节和传动轴设计
第四章万向节和传动轴设计一、引言万向节和传动轴是机械传动系统中重要的组成部分，它们的设计对于传动系统的正常运行和高效性能起着决定性的作用。
本章将从万向节和传动轴的基本原理、设计要点以及选材等方面进行探讨。
二、万向节的基本原理和分类万向节是将两个或多个轴相互连接并能够进行相对转动的装置。
它主要通过万向节的柔性连接来解决传动系统中因轴间相对偏斜而引起的传递不平稳、受力不均等问题。
万向节一般由内外球面、轴承和套筒等组成，常见的万向节分类有钢球万向节、十字接头万向节和常温万向节等。
钢球万向节广泛应用于工程机械和汽车等领域。
它通过钢球与内外球面的接触来实现传递扭矩，具有承载能力强、传动平稳等特点。
十字接头万向节主要应用于船舶、起重机等场合，它通过两个十字绞杆的连接来实现传递扭矩，具有承载能力大、传动效率高等特点。
而常温万向节则主要应用于高速高温场合，它通过金属软管的连接来实现传递扭矩，具有抗高温、耐腐蚀等特点。
三、万向节的设计要点（一）轴间角度设定轴间角度是万向节设计的重要参数，它直接影响万向节的传动性能。
在设计时需要根据实际需求和传动方式来确定轴间角度，通常轴间角度在5°~35°之间。
（二）轴间相对偏斜轴间相对偏斜是万向节设计中需要重点考虑的问题。
在实际应用中，轴间的相对偏斜会导致万向节产生额外的旋转变形、较大的径向力和不平稳传动等问题。
因此，在设计时需要合理控制轴间相对偏斜，通常限制在1°以内。
（三）轴向长度万向节的轴向长度是指万向节两个连接轴之间的距离。
轴向长度的设计需要考虑到传递扭矩的大小、工作环境的限制以及安装方式等因素。
四、传动轴的设计要点（一）强度和刚度传动轴的设计需要满足一定的强度和刚度要求，以保证传递扭矩时不会产生过大的变形和振动。
根据传动轴的传动功率和转速等参数，可以通过强度校核和刚度计算等方法来确定传动轴的尺寸和材料。
（二）传动性能传动轴的传动性能包括传动效率、噪声和振动等方面的考虑。
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
传动轴和万向节设计
传动轴和万向节设计一、传动轴设计原理传动轴是将发动机产生的动力传递到车辆的驱动轮上的一个重要部件。
其主要功能是在发动机和驱动轮之间传递扭矩，并且能够适应车辆悬挂系统的运动。
传动轴一般采用圆柱形或者扁平形的结构，其内部有若干根同轴排列的精密钢管。
在正常情况下，传动轴的转速较低，承受的扭矩相对较小，所以设计上一般使用空心结构，以减轻重量，并提高整车的燃油经济性。
在传动轴的设计过程中，需要考虑以下几个方面：1.强度设计：传动轴在传递高扭矩时需要具备足够的弯曲强度和抗扭强度，以防止其发生破坏。
强度设计一般采用有限元分析方法，考虑材料的强度和结构的几何形状，以确保传动轴的可靠性。
2.动平衡设计：传动轴在旋转时会产生一定的离心力，为了避免引起车辆的振动和噪音问题，需要进行动平衡设计。
动平衡主要通过改变传动轴的结构和通过在不平衡部位安装平衡块的方式来实现。
3.转向角度设计：传动轴需要能够适应车辆悬挂系统的运动，所以需要根据车辆的悬挂行程和转向角度来设计传动轴的长度和角度。
过大的转向角度会造成传动轴的变形和断裂，过小的转向角度则会影响车辆的灵活性。
二、万向节设计原理万向节是传动轴和车轮之间连接的关键部件，其主要功能是实现传动轴与驱动轮间的角度传递，并在转向时能够适应轮胎的转向角度。
万向节一般由内球和外球组成，内球有两个半球形的凹槽，外球有两个凸槽，内外球通过一个钢球来连接。
当传动轴发生转动时，内外球可以相对转动，以适应车轮的角度变化。
在万向节的设计中，需要考虑以下几个因素：1.角度传递：万向节需要能够在不同角度下传递扭矩，并且保持稳定的工作状态。
在设计中需要注意内外球的形状和尺寸，以确保扭矩的传递效果和稳定性。
2.脱落力设计：万向节在工作过程中会产生较高的脱落力，为了保证其可靠性，需要进行脱落力分析和设计。
一般采用优化设计或者增加连接脱落力的结构，以确保万向节在承受高负荷时不发生脱落。
3.寿命设计：万向节在工作过程中会产生较大的摩擦和磨损，所以需要进行寿命设计。
南京工业大学汽车设计复习题
第一章汽车的总体设计1. 总体设计的任务？1．从技术先进性、生产合理性和使用要求出发，正确选择性能指标、质量参数和尺寸参数，提出整车总体设计方案，为各部件设计提供整车参数和设计要求。
2．对各部件进行合理布置和运动校核，使汽车不仅具有足够的装载容量，而且要做到尺寸紧凑、乘坐舒适、质量小、重心低、安全可靠、操纵轻便、造型美观、视野良好、维修方便、运动协调。
3．对汽车性能进行精确计算和控制，保证汽车主要性能参数的实现。
4．正确处理整体与部件、部件与部件之间，以及设计、使用与制造之间的矛盾，使产品符合好用、好修、好造和好看的原则，在综合指标方面处于国际先进水平。
汽车总体设计应满足的基本要求。
1、汽车的各项性能、成本等，要求达到设计任务书所规定的指标。
2、严格遵守和贯彻相关法规、标准的规定，例如，汽车外廓尺寸应符合GBl589—2004的外廓尺寸限界规定；使用环境复杂，应满足安全性要求－强制性安全法规。
3、知识产权保护。
4、尽可能贯彻“三化”要求：系列化，通用化，标准化。
5、进行有关运动学方面的校核，保证汽车有正确的运动和避免运动干涉。
6、拆装与维修方便。
2. 简述汽车开发程序。
1、概念设计2、成本控制（目标成本）3．试制设计（技术设计）4．试制、试验、改进、定型阶段5．生产准备阶段6．生产销售阶段3. 设计任务书包括哪些内容？1）可行性分析。
2）产品型号及其主要使用功能，技术规格和性能参数;3）整车布置方案的描述及各主要总成的结构、特性参数。
标准化、通用化、系列化水平; 4）国内、外同类汽车技术性能分析和对比;5）本车拟用的新技术、新材料和新工艺。
4. 不同形式汽车的区别主要体现在哪些方面？汽车有很多分类方法，可以按照发动机排量、乘客座位数、汽车总质量、汽车总长、车身或驾驶室的特点不同等来分类，也可以取上述特征量中的两个指标作为分类的依据。
5. 按发动机的位置分，汽车有哪几种布置型式，各自有什么优缺点？发动机前置前驱动（FF）优点a、有明显的不足转向性能；b、越过障碍的能力高；c、动力总成结构紧凑；d、有利于提高乘坐舒适性(车内地板凸包高度可以降低) ;e、有利于提高汽车的机动性(轴距可以缩短) ；f、有利于发动机散热，操纵机构简单；g、行李箱空间大；h、变形改装容易。
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（4）铰接式车架双万向节的布置
铰接式车架万向节的布置
要实现等速传动的条件：
（1）、使用双万向节
（2）、车架铰点O布置在纵向中心线上
（3）、两万向节铰点与O点的距离应相等
（二）三万向节、双传动轴传动
四、等速万向节
原理： 传力点永远位于两轴交点O的平分面上
球笼式等速万向节
主动轴
外罩 星形套（内滚道）
习 题
1. 简述十字轴万向节的不等速性及等速性？ 2. 何为传动轴的临界转速？ 3. 十字轴万向节要实现等速传动的条件？ 4. 铰接式车架的万向节应如何布置，才能实现等速传动？
在底盘上的具体应用
变速器与分动器间
第二节 万向节
一、万向节作用
１、连接不同心，有夹角且夹角不断变化的两传动轴。
２、需要传递动力的两轴之间的距离较大且不同轴，可以用 两根传动轴和中间加一万向节来连接。
３、连接虽然同轴，但由于安装或工作易变形两轴。
二、万向节类型
万向节 刚性万向节 弹性万向节 不等角速万向节 等角速万向节 球叉式 球笼式
第三节 传动轴
作用
传递扭矩，一般不承受弯矩。 结构
传动轴结构特点
空心、壁厚均匀的钢管。（1.5~4.0mm）
伸缩节：其长度可随行驶状况而变。
安装： 注意安装标记，满足动平衡要求。
传动轴的临界转速
定义 数学模型
10.25 10 D d nl (r / min) 2 L
功用
在轴间有夹角和轴的相互位置经常发生变化的转轴之间传 递动力。
组成
万向节 传动轴
•
•
万向节传动装置动画演示
在底盘上的具体应用
变速器与驱动桥之间
驱动桥 万向节 中间传动轴
主传动轴
中间支承
在底盘上的具体应用
转向驱动桥半轴
在底盘上的具体应用
断开式驱动桥的半轴
在底盘上的具体应用
转向轴
特点：可以实现主从动轴的瞬时传动比始终为1
（3）双万向节实现等速传动的布置要求
①、主动轴、从动轴与中间轴的夹角α1=α2。 ②、中间传动轴两端的万向节叉应在同一平面内。
③、应尽量减小α1、α2，最大α角可为30°；在实际使用中，
α1不可能始终等于α2，只是近似相等，对单个万向节而言， 仍有不等速性。
β1
传动的速度特性？
结论（单个十字轴万向节）
1. 当两轴夹角α和ω1为常数时，传动比不为常数，而是在
cosα～1/ cosα间作周期性的变化。即从动轴一周中的 角速度不均匀，是瞬时变化的（不等速性）。
2. 主、从动轴的转速是相同的，即平均速度相同。（等速性） 3. 不等速性，将使从动轴和与从动轴相连的传动部件产生角
加速度，从而产生扭转振动，不利于匀速行驶，使用寿命 缩短。
（一）双万向节传动
（１） 结构 在主动轴和从动轴间加一中间传动轴，用2个万向节连 接实现动力传递。
讨论
双万向节传动 与单万向节传动 在传动特性上 有什么区别？
（2）双万向节传动作用、特点
①、可以布置不相交的转轴（平行、相交） ②、可以避免单个万向节传动的不等速性
十字轴式万向节
三销轴式
三、十字轴式刚性万向节
结构
轴承盖
滚针轴承
万向节叉
十字轴
万向节叉
十字轴润滑油道
油封
油封挡盘
注油嘴
采用橡胶油封，当 十字轴内腔油压过 大时，多余的润滑 油会从橡胶油封内 圆表面与轴颈接触 处溢出。
十字轴刚性万向节的传动特性
单个万向节在输入轴与输出轴之间有夹角的情况 下，两轴的角速度不相等。
6 2 2
D—传动轴外径cm
d—传动轴内径 cm
L—支承长度cm，一般取两万向节中心距离 在设计时，应使传动轴的最大转速nmax＜0.7nl
本章小结
万向节用于连接有交角且交角可变化的两轴，在 交角来断变化的情况下完成动力的传递。常用万 向节有十字轴万向节和球笼、球叉式万向节，其 传动特性前者为不等角速万向节，后者为等角速 万向节。不等角速万向节要实现等速传动要满足 的布置条件。两者在底盘上均有应用，是重要的 传动装置。传动轴的结构要求采用均质轻型材料， 且要进行动平衡校核，以减少扭振，提高使用寿 命。同时，在设计时注意传动轴的临界转速，防 止出现共振现象。
球笼（保持架）
钢球
球形壳（外 滚道）
球笼式万向节的等速性
球滚动时，同时以A、B 为球心滚动，所以 CA=CB
星形套内滚道
外滚道中心A与内滚道中心 B分别位于万向节中心O的 两侧，且到O点的距离相等。
球笼（保持架） 球形壳（外 滚道）
主、从动轴 夹角平分面
球笼式万向节特点
承载能力强，结构紧凑，拆装方便，两轴最大 夹角可为42°左右。
w1 w2
w1 w2
vA= w1r=w2rcosa
vB= w1rcosa=w2r
ω1cosα≤ω2≤ω1/cosα
传动比：I=ω1/ω2= 1/ cosα ～ cosα
ω2/ω1随主动轴转角β1的函数曲线
传 动 特 性 ？
β1－β2随主动轴转角β1的曲线 β1－β2
α=10° 0°
90°
180 °
工程机械底盘
Construction Machinery Ch joint & Drive shaft
本章内容
1. 2.
3.
主要内容 功能 万向节类型及传动特性 传动轴的结构特点 难点 万向节传动特性 重点 万向节传动装置传动分析与具体应用
第一节 万向节传动轴装置