萬向節(jié)與傳動(dòng)軸

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1、第 五 章 萬 向 節(jié) 與 傳 動(dòng) 軸第 一 節(jié) 萬 向 節(jié)一 、 萬 向 節(jié) 的 構(gòu) 造 與 工 作 原 理 在 工 程 機(jī) 械 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 中 ， 變 速 箱 的 輸 出 軸 線 與 驅(qū) 動(dòng) 橋的 動(dòng) 力 輸 入 軸 往 往 不 在 一 條 直 線 上 ， 這 時(shí) 就 需 要 折 線 傳 力 。 為 了 使 軸 線 平 行 或 相 交 的 兩根 軸 連 接 以 傳 遞 動(dòng) 力 ， 就 需 要 使用 萬 向 節(jié) 。圖 5-1所 示 為 十 字 形 萬 向 節(jié) 的 構(gòu) 造 。 圖 5-2為 萬 向 切 的 工 作 原 理 。 如 圖 5-3（ a） 所 示 ， 設(shè) 原 動(dòng) 軸 P1的 叉

2、面 與 紙 成 垂 直 ， 從 動(dòng) 軸 P2的 叉 面 在紙 面 內(nèi) ， P1的 角 速 度 恒 為 1， P2在 此 位 置 時(shí) 的 角 速 度 為 1， 兩 軸 的 夾 角 為 當(dāng) 十 字 軸 視 為 與 P2軸 一 起 轉(zhuǎn) 動(dòng) 時(shí) ， A點(diǎn) 的 速 度 vA-2為rvA 22 當(dāng) 十 字 軸 視 為 與 P 1軸 一 起 轉(zhuǎn) 動(dòng) 時(shí) ， A點(diǎn) 的 速 度 vA-1為 cos11 rvA 在 此 位 置 A點(diǎn) 的 瞬 時(shí) 切 線 速 度 只 能 有 一 個(gè) ， 即 cos 12 21 故 得 AA vv 兩 軸 轉(zhuǎn) 過 900， P1軸 的 叉 面 在 紙 面 內(nèi) 而 P2軸 的 叉 面又

3、 與 紙 面 垂 直 ， 如 圖 5-3（ b） 所 示 。設(shè) P2軸 此 時(shí) 的 角 速 度 為 2， 同 理 取 B點(diǎn) 為 參 考 點(diǎn) 得vB-1=1r同 理 因 VB-2=2rcos VB-2= VB-1得 cos 12 每 轉(zhuǎn) 900， P2軸 的 瞬 時(shí) 角 速 度 2就 從 2變 成 2， 依 此類 推 ， 因 此 coscos 121 兩 軸 的 傳 動(dòng) 比 coscos121 i 其 變 化 情 況 如 右 上 圖 5-4所示 。 從 圖 上 我 們 可 以 看 出 ， 單 萬 向 節(jié) 在 兩 軸 夾 角 越 大 ，角 速 度 2的 變 化 幅 度 也 就 越 大 ， 因 而

4、產(chǎn) 生 角 加 速 度 ， 產(chǎn)生 振 動(dòng) ， 這 不 利 于 機(jī) 器 以 均 勻 的 速 度 運(yùn) 行 。 解 決 辦 法 ： 采 用 雙 萬 向 節(jié) 。 如 圖 5-5所 示 。 用 傳 動(dòng) 軸 C與 兩 個(gè) 萬 向 節(jié) 將 原 動(dòng) 軸 P 1與 從 動(dòng) 軸 P2連接 起 來 ， 傳 動(dòng) 軸 C的 兩 部 分 用 滑 鍵 （ 花 鍵 軸 與 花 鍵 套 ）相 連 ， 允 許 它 自 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 其 長(zhǎng) 度 。 雙 萬 向 節(jié) 可 以 連 接 兩 平 行 軸 （ 圖 5-5（ a） ） ， 也 可 連接 兩 相 交 軸 （ 圖 5-5（ b） ） 。注 意 ： 并 不 說 采 用 了 雙 萬 向

5、 節(jié) 就 解 決 了 瞬 時(shí) 速 度 比 始 終 等于 1的 問 題 。 欲 使 任 何 瞬 時(shí) 主 動(dòng) 軸 與 從 動(dòng) 軸 的 角 速 度 始終 相 等 ， 還 要 滿 足 下 列 兩 個(gè) 條 件 ：1、 中 間 軸 C與 原 動(dòng) 軸 P 1之 間 的 夾 角 必 須 等 于 中 間 軸 C與從 動(dòng) 軸 P2之 間 的 夾 角 ， 即 1= 2；2、 中 間 軸 C兩 端 的 叉 面 在 同 一 平 面 內(nèi) 。 比 萬 向 節(jié) 只 有 在 滿 足 上 述 兩 條 件 時(shí) ， 才 能 得 到 恒 等 于1的 傳 動(dòng) 比 。 設(shè) 開 始 時(shí) 中 間 軸 C上 P1端 的 叉 面 位 于 軸 P1

6、與 C所 在 的 平面 內(nèi) ， 這 時(shí) C上 P2端 的 叉 面 亦 在 此 平 面 內(nèi) ， 即 如 圖 5-5（ a）所 示 位 置 。就 C軸 與 P1軸 而 言 c=1cos1就 C軸 與 P2軸 而 言 2=2cos2如 果 1= 2則 1= 2同 理 ， 在 任 何 位 置 繼 續(xù) 找 都 可 以 找 到 同 樣 的 結(jié) 果 。 夾 角 僅 允 許 用 到 300， 否 則 中 間 傳 動(dòng) 軸 的 旋 轉(zhuǎn) 不 均勻 度 太 大 ， 角 應(yīng) 盡 量 小 些 。 二 、 鉸 接 式 車 架 萬 向 節(jié) 的 布 置 對(duì) 于 鉸 接 車 架 ， 其 中 間 鉸 接 點(diǎn) O必 須 布 置 在

7、縱 向 中 心線 上 ， 但 究 竟 是 靠 前 軸 好 一 點(diǎn) ？ 還 是 靠 后 軸 好 一 點(diǎn) 或 前 后軸 等 距 離 好 一 點(diǎn) ？ 到 目 前 為 止 ， 這 個(gè) 問 題 還 沒 有 一 個(gè) 定 論 ， 在 設(shè) 計(jì) 時(shí) 往往 由 總 體 布 置 時(shí) 各 機(jī) 構(gòu) 配 置 的 具 體 需 要 來 確 定 。 不 過 鉸 接 點(diǎn) 如 距 前 后 等 距 離 ， 則 轉(zhuǎn) 彎 時(shí) 前 后 輪 沿 同 一車 轍 滾 動(dòng) ， 否 則 就 有 內(nèi) 輪 差 ， 行 駛 時(shí) 注 意 即 可 。 如 何 布 置 鉸 接 點(diǎn) 下 面 的 萬 向 節(jié) 呢 ？ 如 圖 5-6所 示 ， 萬 向切 鉸 點(diǎn) A與

8、 B應(yīng) 與 O點(diǎn) 等距 離 ， 這 樣 鉸 接 車 架 前后 部 偏 轉(zhuǎn) 一 個(gè) 角 度 時(shí) ，由 于 AO=BO， 則 1= 2= /2（ 如 圖 5-6（ b） ） 滿 足 瞬 時(shí) 速 度相 等 的 傳 動(dòng) 條 件 。 如 不 布 置 在 中 間 而 且 偏 離 較 大 時(shí) （ 如 圖 5-6（ c） ） ，則 車 架 偏 轉(zhuǎn) 時(shí) ， 21， 不 能 滿 足 等 速 傳 動(dòng) 條 件 ， 應(yīng) 從結(jié) 構(gòu) 上 采 取 措 施 避 免 。三 、 等 速 萬 向 節(jié) 為 了 增 加 附 著 力 以 提 高其 作 業(yè) 性 能 ， 工 程 機(jī) 械 往 往采 用 全 輪 驅(qū) 動(dòng) ， 這 時(shí) 轉(zhuǎn) 向 輪就

9、成 為 轉(zhuǎn) 向 驅(qū) 動(dòng) 輪 ， 這 樣 就必 須 設(shè) 置 變 角 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 萬 向 節(jié) 裝 置 。 如 果 在 兩 側(cè) 轉(zhuǎn) 向 輪 各 設(shè) 置 一 套 鉸 接 雙 萬 向 節(jié) ， 尺 寸過 大 且 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 ， 因 此 在 該 部 位 的 變 角 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 目 前 廣泛 采 用 球 式 （ 球 叉 式 或 球 籠 式 ） 等 角 速 萬 向 節(jié) ， 但 也 有采 用 特 殊 設(shè) 計(jì) 的 雙 萬 向 節(jié) 的 結(jié) 構(gòu) 如 三 銷 式 等 角 速 萬 向 節(jié) 。 如 圖 5-8（ a） 所 示 ， 齒 輪 軸 線 的 夾 角 為 ， 兩 個(gè) 齒 輪輪 齒 的 接 觸 點(diǎn) P位 于

10、角 的 等 分 平 面 內(nèi) 。 P點(diǎn) 對(duì) 于 兩 個(gè) 軸 的 圓 周 速 度 均 相 同 ， 角 速 度也 應(yīng) 相 等 。 在 球 式 萬 向 節(jié) 里 ， 不 管 角 如 何 變 化 ， 只 要 各 鋼 球 的中 心 始 終 在 角 的 等 分 平 面 內(nèi) ， 就 可 以 實(shí) 現(xiàn) 等 角 速 度 傳 動(dòng) ，見 圖 5-8（ b） 。 1、 球 叉 式 等 角 速 萬 向 節(jié)圖 5-9為 球 式 萬向 節(jié) 的 一 種 結(jié)構(gòu) 球 叉 式 萬向 節(jié) 。 2、 球 籠 式 等 角 速 成 萬 向 節(jié)圖 5-10為 球 式 萬 向 節(jié) 的 另 一 種 結(jié) 構(gòu) 球 籠 式 萬 向 節(jié) 。 圖 5-11為

11、球 籠 式 萬 向 節(jié) 等 角 速 傳 動(dòng) 原 理 。 球 籠 式 等 角 速 萬 向 節(jié)可 在 兩 軸 夾 角 達(dá) 420時(shí) 傳 遞力 矩 ， 且 六 個(gè) 鋼 球 全 部 傳力 。 比 之 球 叉 式 承 載 力 大 ，折 裝 方 便 ， 因 此 應(yīng) 用 廣 泛 ，如 前 輪 驅(qū) 動(dòng) 的 轎 車 ， WL-60液 壓 挖 掘 機(jī) 等 采 用 。 軸 向 可 伸 縮 的 球 籠 式 萬 向 節(jié) （ 圖 5-12） 的 內(nèi) 外 滾 道 為圓 柱 形 。四 、 十 字 形 萬 向 節(jié) 的 計(jì) 算1、 軸 頸 彎 曲 強(qiáng) 度圖 5-13為 十 字 軸 的 危 險(xiǎn) 斷 面 在 軸 頸 部 。 )(32

12、 44 kj j dd Psd 式 中 P 萬 向 節(jié) 叉 在 一 個(gè) 軸 頸 上 作 用 的 圓 周 力 （ N） ； 其 值 為 P=Mj/（ 2a） 。 dj 十 字 軸 軸 頸 直 徑 （ mm） ； dk 十 字 軸 油 孔 直 徑 （ mm） ； 十 字 軸 許 用 彎 曲 強(qiáng) 度 ， =250MPa； 2、 滾 針 接 觸 強(qiáng) 度由 赫 芝 -別 遼 耶 夫 公 式 導(dǎo) 出 )(113.272 MPalQdd jzjj 式 中 Q 每 一 個(gè) 滾 針 的 負(fù) 荷 （ N） ， Q=4.6kP/z； z 每 個(gè) 滾 針 軸 承 的 滾 針 數(shù) ； k 軸 承 特 征 系 數(shù) ， 此

13、 種 結(jié) 構(gòu) 取 k=1； d j 十 字 軸 軸 頸 直 徑 （ mm） ； dz 滾 針 軸 承 滾 針 直 徑 （ mm） ； l 滾 針 有 效 工 作 長(zhǎng) 度 （ mm） ； j 許 用 接 觸 強(qiáng) 度 ， j =3000 3200 MPa。 3、 滾 針 軸 承 的 承 載 能 力 )(79 )(cos2 3 NnzldP NPaMP zj 式 中 a 萬 向 節(jié) 輸 入 軸 和 輸 出 軸 之 間 的 夾 角 ； P 滾 針 軸 承 上 的 許 用 作 用 力 （ N） ； n 傳 動(dòng) 軸 轉(zhuǎn) 速 （ r/min） 。 第 二 節(jié) 傳 動(dòng) 軸一 、 原 理 與 構(gòu) 造作 用 ：

14、傳 遞 扭 矩 。形 狀 ： 空 心 的 圓 形 斷 面 。要 求 ： 材 質(zhì) 分 布 均 勻 。 制 造 方 式 ： 鋼 板 卷 制 對(duì) 焊 而 成 。 傳 動(dòng) 軸 和 萬 向 節(jié) 裝 配 后 必 須 作 動(dòng) 平 衡 試 驗(yàn) 并 校 正 。 平 衡 精 度 由 離 心 力 P=G2r/g來 確 定 ， 用 貼 平 衡片 的 辦 法 來 平 衡 離 心 力 。 平 衡 后 的 不 平 衡 度 以 重 徑 積 來 表 示 ， 并 應(yīng) 在 表 5-1范圍 內(nèi) 。工 程 機(jī) 械 常 直 接 選 用 各 種 汽 車 的 傳 動(dòng) 軸 ， 或 稍 加 改 造 。 解 放 牌 汽 車 的 傳 動(dòng) 軸如 圖

15、5-14 所 示 。二 、 計(jì) 算1、 強(qiáng) 度 計(jì) 算 ： 傳 動(dòng) 軸主 要 傳 遞 扭 矩 ， 可 按下 式 計(jì) 算 其 扭 轉(zhuǎn) 應(yīng) 力 MPa dDDM j )(16 44 式 中 D- 傳 動(dòng) 軸 外 徑 （ mm） ； d- 傳 動(dòng) 軸 內(nèi) 徑 （ mm） ； Mj- 計(jì) 算 力 矩 （ N. mm） ； - 許 用 扭 轉(zhuǎn) 應(yīng) 力 ， 1000r/min， 或 nl應(yīng) 比 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 最 大 轉(zhuǎn) 速 大 70%80%。 習(xí) 題1、除球叉式等速萬向節(jié)與球籠式等速萬向節(jié)外，你還見過哪些等速萬向節(jié)在工程機(jī)械與汽車中應(yīng)用？2、工程機(jī)械用的傳動(dòng)軸，研制時(shí)應(yīng)注意技術(shù)上掌握哪些要點(diǎn)？3、某型解放牌汽車的傳動(dòng)軸外徑D=89mm，內(nèi)徑d=84mm，支承長(zhǎng)度L=12681325 mm，所用的汽油機(jī)Nmax/nmax=71（w）/2800（r/min），Mmax=310N.m（2800r/min時(shí)），試根據(jù)該傳動(dòng)軸傳遞扭矩作強(qiáng)度計(jì)算，并計(jì)算其臨界轉(zhuǎn)速。4、題3之解放牌汽車的萬向節(jié)十字軸的結(jié)構(gòu)尺寸，參看圖5-13：d j=25 mm，dk=6 mm，a=39 mm，s=15 mm，計(jì)算十字軸軸頸的彎曲強(qiáng)度。此十字萬向節(jié)每個(gè)滾針軸承的滾針數(shù)z=45，滾針直徑為3 mm，滾針有效工作長(zhǎng)度為15mm，度計(jì)算滾針的接觸應(yīng)力與滾針軸承的承載力。