第3章 万向节总成的设计
3.1 万向节类型的选择
万向节是转轴和转轴之间实现变角度传递动力的基本部件，按其在扭转方向上是否有明显的弹性，可分为挠性万向节和刚性万向节。刚性万向节的动力是靠零件之间的铰链式连接传递的；而挠性万向节的动力则靠弹性零件传递的，且有一定的缓冲减振作用。刚性万向节根据其运动特点又可分为不等速万向节、准等速万向节和等速万向节和等速万向节三种形式[11]。
不等速万向节是指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，但平均角速度相等的万向节。准等速万向节是指在设计角度下以相等的瞬时角速度传递运动，而在其他角度下以近似相等的瞬时角速度传递运动的万向节。输出轴和输入轴以始终相等的瞬时角速度传递运动的万向节，称之为等速万向节。万向节分类如下图3.1所示：
万向节 刚性万向节 不等速万向节 准等速万向节 等速万向节 挠 性万向十字轴式 双联式 凸块式 三销轴式 球面滚轮式球叉式 球笼 节 式
图3.1 万向节的分类
由于十字轴式万向节具有结构简单、传动可靠、效率高、且制造成本低，被广
泛应用于各类汽车的传动系统中。根据本设计适用的车型，选用十字轴式万向节。
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3.2 十字轴式万向节的结构分析
十字轴式万向节的基本构造，一般由一个十字轴、两个万向节叉、和滚针轴承等组成。两个万向节叉上的孔分别松套在十字轴的两对轴颈上。为了减少磨擦损失、提高效率、在十字轴轴颈和万向节间有由滚针和套筒组成的滚针轴承。然后，将将套筒固定在万向节叉上，以防止轴承在离心力作用下从万向节叉内脱出。这样，当主动轴转动时，从动轴既可随之转动，又可绕十字轴中心在任意方向摆动。目前，最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[12]。
最普通的盖板式轴承轴向定位结构是用螺栓和盖板将套筒固定在万向节叉上，并用锁片将螺栓锁紧。它工作可靠，拆装方便，但零件数目较多。有时将弹性盖板点焊于轴承座底部，装配后，弹性盖板对轴承座底部有一定的预压力，用来防止高速转动时由于离心力作用，在十字轴端面与轴承座底之间出现间隙而引起十字轴轴向窜动，
[13]
并避免了由于这种窜动所造成的传动轴动平衡状态的破坏。卡环式又分为外卡式和
内卡式两种。它们具有结构简单、工作可靠、零件少和质量小的优点。瓦盖固定式结构中的万向节叉与十字轴颈配合的圆孔不是一个整体，而分成两半，再用螺钉连接起来。这各结构具有拆装方便、使用可靠的优点，但加工艺复杂。塑料环定位结构是在轴承碗外圆和万向节叉的轴承孔中部开一环形槽，当滚针轴承动配合装入万向节叉到正确位置时，将塑料经万向节叉上的小孔压注到环槽中，待万向节叉上另一与环槽垂直的小孔有塑料溢出时，表明塑料己充满环槽。这种结构轴向定位可靠，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，十字轴的端间隙始终为零，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。
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。毛毡油封由于漏油多，防尘、防水效果差，加注润滑油时，在个别滚针轴承中可能出现空气阻塞而造成缺油，故应用己越来越少。在结构较复杂的双刃口复合油封中反装的单刃口橡胶油封，用作径向密封；另一双刃口橡胶油封用作端面密封。当向十字轴内腔注入润滑油时，陈油、磨损产物及多余的润滑油便从橡胶油封内圆表面与十字轴轴颈接触处溢出，不需安装安全阀，防尘、防水效果良好。在灰尘较多的条件下使用时，可显著提高万向节寿命。十字轴万向节结构简单，强度高，耐久性好，传动效率高，生产成本低；但所连接的两轴夹角不宜过大。当夹角由4?增至于16?时，万向节中的滚针轴承寿命将下降到原来寿命的1/4。
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3.3 万向节的受力分析
3.3.1 单十字轴万向节的受力分析
当十字轴万向节的主、从动轴之间的夹角为α时，主、从动轴的角速度ω1、ω2 之间存在如下关系：
?1cos? （3.1） ?22?21?sin?cos?1式中：?1—主动叉转角，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?1是周期为2π的周期函数，所以?1/?2也为同周期的周期函数。当?1为0、π时，ω2达到最大值，?2max??1/cos?；当?1为?/2、3?/2时，ω2达到最小值，
?2min??1/cos?。因此，当主动轴以等角速度转动时快、时慢，此即为普通十字轴万
向节传动的不等速性[15]。
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：
K??2max??2min?sin?tan? （3.2）
?1如不计万向节的磨擦损失，主、从动轴转矩T1和T2与各自相应的角速度有
T1?1?T2?2的关系，这样有
1?sin2?cos2?1T2?T1 （3.3）
cos?显然，当ω1/ω2最小时，从动轴上的转矩为最大值，T2max?T1/cos?；当?2/?1最大时，从动轴上的转矩为最小值，T2min?T1/cos?。当T1与α一定时，T2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，由于其主、从动叉轴上的转矩T1 、T2作用在不同的平面上，因此仅在主动轴驱动转矩和从动轴反转的作用下是不能平衡的。在不计万向节惯性力矩时，主、从动叉轴上的转矩T1 、T2和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矩。从万向节叉与十字轴之间的约束关系分析可知，主动叉树十字轴的作用力矩，除主动轴驱动转矩T1之外，还有作用在主动叉
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平面的弯曲力矩T? 。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
1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。
当主动叉在两特殊位置时，附加弯曲力矩的大小及变化特点：
当主动叉处于?1?0和π位置时，如图3.1（a）,由于T1作用在十字轴轴线平面上，故T?必为零，而T2的作用平面与十字轴不共面，必有T?2存在，且矢量T?2垂
1直于矢量T2，合矢量T2??T2指向十字轴平面的法线方向，与T1大小相等，方向相反。这样，从动叉上的附加弯矩T?= T1sinα。当主动叉处于?1??和3?位置时图3.1
222（b）,同理可知T?2为零，主动叉上的附加弯矩T?1= T1tanα。
（a) ?1?0或π时
（b) ?1＝π/2或3?/2
图3.1 十字轴万向节的力矩平衡
分析可知，附加弯矩T?、T?2的大小是在零与上述两面最大值之间变化，变化周
1期为π，即每一转变化再次。T?2使从动叉轴支承受周期性变化的径向载荷为：
T2?T1sin? F2j? （3.4） ?L2L2式中：L2—万向节中心至从动叉轴支承间的距离
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此时，万向节也承受与上述力大小相等、方向相反的力。与此方向相反的反作用力矩则由主动叉轴的支承承受。同样，T?使主动叉轴支承承受周期性变化的径向载
1荷，万向节也承受与其大小相等、方向相反的力。在从动轴支承和万向节上造成大小相等、方向相反的侧向载荷为：
F2c?T1tan? （3.5）
L2cos?附加弯矩可引起与万向节相连零部件的弯曲振动，在万向节主、从动轴支承上引起周期性变化的径向载荷，从而激起支承处的振动，使传动轴产生附加应力和变形，从而降低传动轴的疲劳强度。因此，为了控制附加弯矩，应避免两轴之间的夹角过大。
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：
T2G?J2?2 （3.6）
式中，J2—从动叉轴旋转质量的转动惯量；
ε2—从动叉轴的角加速度，可通过对式3.1求导得出：
?12cos?sin2?sin2?1 （3.7） ?2?22(1?sin?cos?1)可见，当输入轴转速很高，且输入、输出轴之间夹角较大时，由于从动叉轴旋转的不均匀加剧所产生的惯性力矩，可能会超过结构许用值。应采取有效方法降低此惯性力矩。
3.3.2 双十字轴万向节传动
当输入轴与输出轴之间存在夹角α时，单个十字轴万向节的输出轴相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边的两面万向节叉布置在同一平面内，且使两万向节夹角α1与α2相等如图3.2a、c。
在双万向节传动中，直接与输入轴和输出轴相连的万向节叉所受的附加弯矩分别由相应轴的支承反力平衡。当输入轴与输出轴的轴线平行时如图3.2a，直接连接传动轴的两万向节叉所受的附加弯矩彼此平衡，传动轴发生如图3.2b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如图3.2c，传动轴两端万向节叉上所受附加弯矩方向相同，不能彼此平衡，传动轴发生如图3.2d，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。此
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