萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸設(shè)計(jì).ppt

2020年3月21日9時(shí)23分 第七章萬(wàn)向傳動(dòng)軸設(shè)計(jì) 第一節(jié)概述第二節(jié)萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析第三節(jié)萬(wàn)向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析第四節(jié)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 2020年3月21日9時(shí)23分 第一節(jié)概述 萬(wàn)向傳動(dòng)軸一般是由萬(wàn)向節(jié) 傳動(dòng)軸和中間支承組成 主要用于在工作過程中相對(duì)位置不斷改變的兩根軸間傳遞轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 萬(wàn)向傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下基本要求 保證所連接的兩根軸相對(duì)位置在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí) 能可靠地傳遞動(dòng)力 保證所連接兩軸盡可能等速運(yùn)轉(zhuǎn) 由于萬(wàn)向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷 振動(dòng)和噪聲應(yīng)在允許范圍內(nèi) 傳動(dòng)效率高 使用壽命長(zhǎng) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 制造方便 維修容易等 變速器或分動(dòng)器輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋輸入軸之間普遍采用十字軸萬(wàn)向傳動(dòng)軸 在轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋中 多采用等速萬(wàn)向傳動(dòng)軸 當(dāng)后驅(qū)動(dòng)橋?yàn)楠?dú)立的彈性 采用萬(wàn)向傳動(dòng)軸 2020年3月21日9時(shí)23分 第二節(jié)萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)方案分析 萬(wàn)向節(jié)分為剛性萬(wàn)向節(jié)和撓性萬(wàn)向節(jié) 剛性萬(wàn)向節(jié)可分為不等速萬(wàn)向節(jié) 如十字軸式 準(zhǔn)等速萬(wàn)向節(jié) 如雙聯(lián)式 凸塊式 三銷軸式等 和等速萬(wàn)向節(jié) 如球叉式 球籠式等 不等速萬(wàn)向節(jié)是指萬(wàn)向節(jié)連接的兩軸夾角大于零時(shí) 輸出軸和輸入軸之間以變化的瞬時(shí)角速度比傳遞運(yùn)動(dòng)的萬(wàn)向節(jié) 準(zhǔn)等速萬(wàn)向節(jié)是指在設(shè)計(jì)角度下工作時(shí)以等于1的瞬時(shí)角速度比傳遞運(yùn)動(dòng) 而在其它角度下工作時(shí)瞬時(shí)角速度比近似等于1的萬(wàn)向節(jié) 輸出軸和輸入軸以等于1的瞬時(shí)角速度比傳遞運(yùn)動(dòng)的萬(wàn)向節(jié) 稱之為等速萬(wàn)向節(jié) 撓性萬(wàn)向節(jié)是靠彈性零件傳遞動(dòng)力的 具有緩沖減振作用 萬(wàn)向節(jié)動(dòng)畫演示 2020年3月21日9時(shí)23分 一 十字軸萬(wàn)向節(jié) 典型的十字軸萬(wàn)向節(jié)主要由主動(dòng)叉 從動(dòng)叉 十字軸 滾針軸承及其軸向定位件和橡膠密封件等組成 十字軸萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 強(qiáng)度高 耐久性好 傳動(dòng)效率高 生產(chǎn)成本低 但所連接的兩軸夾角不宜過大 當(dāng)夾角由4 增至16 時(shí) 十字軸萬(wàn)向節(jié)滾針軸承壽命約下降至原來(lái)的1 4 二 準(zhǔn)等速萬(wàn)向節(jié)雙聯(lián)式萬(wàn)向節(jié)是由兩個(gè)十字軸萬(wàn)向節(jié)組合而成 為了保證兩萬(wàn)向節(jié)連接的軸工作轉(zhuǎn)速趨于相等 可設(shè)有分度機(jī)構(gòu) 偏心十字軸雙聯(lián)式萬(wàn)向節(jié)取消了分度機(jī)構(gòu) 也可確保輸出軸與輸入軸接近等速 雙聯(lián)式萬(wàn)向節(jié)的主要優(yōu)點(diǎn)是允許兩軸間的夾角較大 一般可達(dá)50 偏心十字軸雙聯(lián)式萬(wàn)向節(jié)可達(dá)60 軸承密封性好 效率高 工作可靠 制造方便 缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 外形尺寸較大 零件數(shù)目較多 2020年3月21日9時(shí)23分 三 等速萬(wàn)向節(jié) 1 球叉式萬(wàn)向節(jié)球叉式萬(wàn)向節(jié)按其鋼球滾道形狀不同可分為圓弧槽和直槽兩種形式 圓弧槽滾道型的球叉式萬(wàn)向節(jié) 圖4 1a 由兩個(gè)萬(wàn)向節(jié)叉 四個(gè)傳力鋼球和一個(gè)定心鋼球組成 兩球叉上的圓弧槽中心線是以O(shè)1和O2為圓心而半徑相等的圓 O1和O2到萬(wàn)向節(jié)中心O的距離相等 當(dāng)萬(wàn)向節(jié)兩軸繞定心鋼球中心O轉(zhuǎn)動(dòng)任何角度時(shí) 傳力鋼球中心始終在滾道中心兩圓的交點(diǎn)上 從而保證輸出軸與輸入軸等速轉(zhuǎn)動(dòng) 球叉式萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單 可以在夾角不大于32 33 的條件下正常工作 圖4 1球叉式萬(wàn)向節(jié)a 圓弧槽滾道型b 直槽滾道型 直槽滾道型球叉式萬(wàn)向節(jié) 圖4 1b 兩個(gè)球叉上的直槽與軸的中心線傾斜相同的角度 彼此對(duì)稱 在兩球叉間的槽中裝有四個(gè)鋼球 由于兩球叉中的槽所處的位置是對(duì)稱的 這便保證了四個(gè)鋼球的中心處于兩軸夾角的平分面上 這種萬(wàn)向節(jié)加工比較容易 允許的軸間夾角不超過20 在兩叉間允許有一定量的軸間滑動(dòng) 2020年3月21日9時(shí)23分 2 球籠式萬(wàn)向節(jié) 球籠式萬(wàn)向節(jié)是目前應(yīng)用最為廣泛的等速萬(wàn)向節(jié) Rzeppa型球籠式萬(wàn)向節(jié) 圖4 2 是帶分度桿的 六個(gè)傳力鋼球2由球籠4保持在同一平面內(nèi) 當(dāng)萬(wàn)向節(jié)兩軸之間的夾角變化時(shí) 靠比例合適的分度桿6撥動(dòng)導(dǎo)向盤5 并帶動(dòng)球籠4使六個(gè)鋼球2處于軸間夾角的平分面上 經(jīng)驗(yàn)表明 當(dāng)軸間夾角較小時(shí) 分度桿是必要的 當(dāng)軸間夾角大于11 時(shí) 僅靠球形殼和星形套上的子午滾道的交叉也可將鋼球定在正確位置 這種等速萬(wàn)向節(jié)可在兩軸之間的夾角達(dá)到35 37 的情況下工作 圖4 2Rzeppaz型球籠式萬(wàn)向節(jié)1 球形殼2 鋼球3 星形套4 球籠5 導(dǎo)向盤6 分度桿 2020年3月21日9時(shí)23分 Birfield型球籠式萬(wàn)向節(jié) Birfield型球籠式萬(wàn)向節(jié) 圖4 3 取消了分度桿 球形殼和星形套的滾道做得不同心 使其圓心對(duì)稱地偏離萬(wàn)向節(jié)中心 這樣 即使軸間夾角為0 靠?jī)?nèi) 外子午滾道的交叉也能將鋼球定在正確位置 當(dāng)軸間夾角為0 時(shí) 內(nèi) 外滾道的橫斷面為橢圓形 接觸點(diǎn)和球心的連線與過球心的徑向線成45 角 橢圓在接觸點(diǎn)處的曲率半徑選為鋼球半徑的1 03 1 05倍 當(dāng)受載時(shí) 鋼球與滾道的接觸點(diǎn)實(shí)際上為橢圓形接觸區(qū) 這種萬(wàn)向節(jié)允許的工作角可達(dá)42 由于傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)六個(gè)鋼球均同時(shí)參加工作 其承載能力和耐沖擊能力強(qiáng) 效率高 結(jié)構(gòu)緊湊 安裝方便 應(yīng)用較為廣泛 但是滾道的制造精度高 成本較高 圖4 3Birfield型球籠式萬(wàn)向節(jié) 2020年3月21日9時(shí)23分 伸縮型球籠式萬(wàn)向節(jié) 伸縮型球籠式萬(wàn)向節(jié) 圖4 4 結(jié)構(gòu)與一般球籠式相近 僅僅外滾道為直槽 在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí) 星形套與筒形殼可以沿軸向相對(duì)移動(dòng) 故可省去其它萬(wàn)向傳動(dòng)裝置的滑動(dòng)花鍵 這不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 而且由于軸向相對(duì)移動(dòng)是通過鋼球沿內(nèi) 外滾道滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)的 所以與滑動(dòng)花鍵相比 其滾動(dòng)阻力小 傳動(dòng)效率高 這種萬(wàn)向節(jié)允許的工作最大夾角為20 圖4 4伸縮型球籠式萬(wàn)向節(jié) Rzeppa型球籠式萬(wàn)向節(jié)主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋中 目前應(yīng)用較少 Birfield型球籠式萬(wàn)向節(jié)和伸縮型球籠式萬(wàn)向節(jié)被廣泛地應(yīng)用在具有獨(dú)立懸架的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋中 在靠近轉(zhuǎn)向輪一側(cè)采用Birfield型萬(wàn)向節(jié) 靠近差速器一側(cè)則采用伸縮型球籠式萬(wàn)向節(jié) 伸縮型萬(wàn)向節(jié)還被廣泛地應(yīng)用到斷開式驅(qū)動(dòng)橋中 2020年3月21日9時(shí)23分 第三節(jié)萬(wàn)向傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)和受力分析 一 單十字軸萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)當(dāng)十字軸萬(wàn)向節(jié)的主動(dòng)軸與從動(dòng)軸存在一定夾角 時(shí) 主動(dòng)軸的角速度與從動(dòng)軸的角速度之間存在如下的關(guān)系 4 1 由于cos是周期為2的周期函數(shù) 所以也為同周期的周期函數(shù) 當(dāng)為0 時(shí) 達(dá)最大值且為 當(dāng)為 2 3 2時(shí) 有最小值且為 因此 當(dāng)主動(dòng)軸以等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 從動(dòng)軸時(shí)快時(shí)慢 此即為普通十字軸萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)的不等速性 十字軸萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)的不等速性可用轉(zhuǎn)速不均勻系數(shù)k來(lái)表示 4 2 如不計(jì)萬(wàn)向節(jié)的摩擦損失 主動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩T1和從動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩T2與各自相應(yīng)的角速度有關(guān)系式 這樣有 4 3 顯然 當(dāng) 最小時(shí) 從動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩為最大 當(dāng) 最大時(shí) 從動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)矩為最小 T1與 一定時(shí) T2在其最大 值與最小值之間每一轉(zhuǎn)變化兩次 2020年3月21日9時(shí)23分 附加彎曲力偶矩的分析 具有夾角的十字軸萬(wàn)向節(jié) 僅在主動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和從動(dòng)軸反轉(zhuǎn)矩的作用下是不能平衡的 從萬(wàn)向節(jié)叉與十字軸之間的約束關(guān)系分析可知 主動(dòng)叉對(duì)十字軸的作用力偶矩 除主動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1之外 還有作用在主動(dòng)叉平面的彎曲力偶矩 同理 從動(dòng)叉對(duì)十字軸也作用有從動(dòng)軸反轉(zhuǎn)矩T2和作用在從動(dòng)叉平面的彎曲力偶矩 在這四個(gè)力矩作用下 使十字軸萬(wàn)向節(jié)得以平衡 圖4 5十字軸萬(wàn)向節(jié)的力偶矩 a 0 b 2 3 2 當(dāng)主動(dòng)叉 處于0和 時(shí)位置時(shí) 圖4 必 存在 且矢量垂直于矢量T2 處于 2位置時(shí) 5a 由于T1作用在十字軸平面 為零 而T2的作用平面與十字軸不共平面 必有 合矢量 T2指向十字軸平面的法線方向 與T1大小相等 方向相反 這樣 從動(dòng)叉 上的附加彎矩 T1sin 當(dāng)主動(dòng)叉 圖4 5b 同理可知 0 主 動(dòng)叉上的附加彎矩 T1tan 分析可知 附加彎矩的大小是在零與上述兩最大值之間變化 其變化周期為 即每一轉(zhuǎn)變化兩次 附加彎矩可引起與萬(wàn)向節(jié)相連零部件的彎曲振動(dòng) 可在萬(wàn)向節(jié)主 從動(dòng)軸支承上引起周期性變化的徑向載荷 從而激起支承處的振動(dòng) 因此 為了控制附加彎矩 應(yīng)避免兩軸之間的夾角過大 2020年3月21日9時(shí)23分 二 雙十字軸萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng) 當(dāng)輸入軸與輸出軸之間存在夾角 時(shí) 單個(gè)十字軸萬(wàn)向節(jié)的輸出軸相對(duì)于輸入軸是不等速旋轉(zhuǎn)的 為使處于同一平面的輸出軸與輸入軸等速旋轉(zhuǎn) 可采用雙萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng) 但必須保證同傳動(dòng)軸相連的兩萬(wàn)向節(jié)叉應(yīng)布置在同一平面內(nèi) 且使兩萬(wàn)向節(jié)夾角 1與 2相等 圖4 6 當(dāng)輸入軸與輸出軸平行時(shí) 圖4 6a 直接連接傳動(dòng)軸的兩萬(wàn)向節(jié)叉所受的附加彎矩 使傳動(dòng)軸發(fā)生如圖4 6b中雙點(diǎn)劃線所示的彈性彎曲 從而引起傳動(dòng)軸的彎曲振動(dòng) 當(dāng)輸入軸與輸出軸相交時(shí) 圖4 6c 傳動(dòng)軸兩端萬(wàn)向節(jié)叉上所受的附加彎矩方向相同 不能彼此平衡 傳動(dòng)軸發(fā)生如圖4 6d中雙點(diǎn)劃線所示的彈性彎曲 圖4 6附加彎矩對(duì)傳動(dòng)軸的作用 2020年3月21日9時(shí)23分 第四節(jié)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì) 傳動(dòng)軸總成主要由傳動(dòng)軸及其兩端焊接的花鍵和萬(wàn)向節(jié)叉組成 傳動(dòng)軸中一般設(shè)有由滑動(dòng)叉和花鍵軸組成的滑動(dòng)花鍵 以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)長(zhǎng)度的變化 傳動(dòng)軸在工作時(shí) 其長(zhǎng)度和夾角是在一定范圍變化的 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證在傳動(dòng)軸長(zhǎng)度處在最大值時(shí) 花鍵套與軸有足夠的配合長(zhǎng)度 而在長(zhǎng)度處在最小時(shí)不頂死 傳動(dòng)軸夾角的大小直接影響到萬(wàn)向節(jié)的壽命 萬(wàn)向傳動(dòng)的效率和十字軸旋轉(zhuǎn)的不均勻性 在長(zhǎng)度一定時(shí) 傳動(dòng)軸斷面尺寸的選擇應(yīng)保證傳動(dòng)軸有足夠的強(qiáng)度和足夠高的臨界轉(zhuǎn)速 所謂臨界轉(zhuǎn)速 就是當(dāng)傳動(dòng)軸的工作轉(zhuǎn)速接近于其彎曲固有振動(dòng)頻率時(shí) 即出現(xiàn)共振現(xiàn)象 以致振幅急劇增加而引起傳動(dòng)軸折斷時(shí)的轉(zhuǎn)速 傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速nk r min 為 式中 Lc為傳動(dòng)軸長(zhǎng)度 mm 即兩萬(wàn)向節(jié)中心之間的距離 dc和Dc分別為傳動(dòng)軸軸管的內(nèi) 外徑 mm 4 4 2020年3月21日9時(shí)23分 在設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸時(shí) 取安全系數(shù)K nk nmax 1 2 2 0 K 1 2用于精確動(dòng)平衡 高精度的伸縮花鍵及萬(wàn)向節(jié)間隙比較小時(shí) nmax為傳動(dòng)軸的最高轉(zhuǎn)速 r min 當(dāng)傳動(dòng)軸長(zhǎng)度超過1 5m時(shí) 為了提高nk以及總布置上的考慮 常將傳動(dòng)軸斷開成兩根或三根 萬(wàn)向節(jié)用三個(gè)或四個(gè) 而在中間傳動(dòng)軸上加設(shè)中間支承 傳動(dòng)軸軸管斷面尺寸除滿足臨界轉(zhuǎn)速的要求外 還應(yīng)保證有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度 軸管的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力應(yīng)滿足 4 5 式中 為許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力 為300Mpa 其余符號(hào)同前 傳動(dòng)軸動(dòng)畫演示 2020年3月21日9時(shí)23分