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1、第五章 万向节与传动轴,第一节 万向节,一、万向节的构造与工作原理,在工程机械传动系统中，变速箱的输出轴线与驱动桥的动力输入轴往往不在一条直线上，这时就需要折线传力。,为了使轴线平行或相交的两根轴连接以传递动力，就需要使用万向节。,图5-1所示为十字形万向节的构造。,图5-2为万向切的工作原理。,如图5-3（a）所示，设原动轴P1的叉面与纸成垂直，从动轴P2的叉面在纸面内，P1的角速度恒为1，P2在此位置时的角速度为1，两轴的夹角为,当十字轴视为与P2轴一起转动时，A点的速度vA-2为,当十字轴视为与P1轴一起转动时，A点的速度vA-1为,在此位置A点的瞬时切线速度只能有一个，即,两轴转过90
2、0，P1轴的叉面在纸面内而P2轴的叉面又与纸面垂直，如图5-3（b）所示。,设P2轴此时的角速度为2，同理取B点为参考点得,vB-1=1r,同理因 VB-2=2rcos VB-2=VB-1,得,每转900，P2轴的瞬时角速度2就从2变成2，依此类推，因此,两轴的传动比,其变化情况如右上图5-4所示。,从图上我们可以看出，单万向节在两轴夹角越大，角速度2的变化幅度也就越大，因而产生角加速度，产生振动，这不利于机器以均匀的速度运行。,解决办法：采用双万向节。如图5-5所示。,用传动轴C与两个万向节将原动轴P1与从动轴P2连接起来，传动轴C的两部分用滑键（花键轴与花键套）相连，允许它自动调节其长度。
3、,双万向节可以连接两平行轴（图5-5（a），也可连接两相交轴（图5-5（b）。,注意：,并不说采用了双万向节就解决了瞬时速度比始终等于1的问题。欲使任何瞬时主动轴与从动轴的角速度始终相等，还要满足下列两个条件：,1、中间轴C与原动轴P1之间的夹角必须等于中间轴C与从动轴P2之间的夹角，即1=2；,2、中间轴C两端的叉面在同一平面内。,比万向节只有在满足上述两条件时，才能得到恒等于1的传动比。,设开始时中间轴C上P1端的叉面位于轴P1与C所在的平面内，这时C上P2端的叉面亦在此平面内，即如图5-5（a）所示位置。,就C轴与P1轴而言 c=1cos1,就C轴与P2轴而言 2=2cos2,如果 1=
4、2,则 1=2,同理，在任何位置继续找都可以找到同样的结果。,夹角仅允许用到300，否则中间传动轴的旋转不均匀度太大，角应尽量小些。,二、铰接式车架万向节的布置,对于铰接车架，其中间铰接点O必须布置在纵向中心线上，但究竟是靠前轴好一点？还是靠后轴好一点或前后轴等距离好一点？,到目前为止，这个问题还没有一个定论，在设计时往往由总体布置时各机构配置的具体需要来确定。,不过铰接点如距前后等距离，则转弯时前后轮沿同一车辙滚动，否则就有内轮差，行驶时注意即可。,如何布置铰接点下面的万向节呢？,如图5-6所示，万向切铰点A与B应与O点等距离，这样铰接车架前后部偏转一个角度时，由于AO=BO，则1=2=/2
5、（如图5-6（b）满足瞬时速度相等的传动条件。,如不布置在中间而且偏离较大时（如图5-6（c），则车架偏转时，21，不能满足等速传动条件，应从结构上采取措施避免。,三、等速万向节,为了增加附着力以提高其作业性能，工程机械往往采用全轮驱动，这时转向轮就成为转向驱动轮，这样就必须设置变角传动机构万向节装置。,如果在两侧转向轮各设置一套铰接双万向节，尺寸过大且结构复杂，因此在该部位的变角传动机构目前广泛采用球式（球叉式或球笼式）等角速万向节，但也有采用特殊设计的双万向节的结构如三销式等角速万向节。,如图5-8（a）所示，齿轮轴线的夹角为，两个齿轮轮齿的接触点P位于角的等分平面内。,P点对于两个轴的圆
6、周速度均相同，角速度也应相等。,在球式万向节里，不管角如何变化，只要各钢球的中心始终在角的等分平面内，就可以实现等角速度传动，见图5-8（b）。,1、球叉式等角速万向节,图5-9为球式万向节的一种结构球叉式万向节。,2、球笼式等角速成万向节,图5-10为球式万向节的另一种结构球笼式万向节。,图5-11为球笼式万向节等角速传动原理。,球笼式等角速万向节可在两轴夹角达420时传递力矩，且六个钢球全部传力。比之球叉式承载力大，折装方便，因此应用广泛，如前轮驱动的轿车，WL-60液压挖掘机等采用。,轴向可伸缩的球笼式万向节（图5-12）的内外滚道为圆柱形。,四、十字形万向节的计算,1、轴颈弯曲强度,图
7、5-13为十字轴的危险断面在轴颈部。,式中 P 万向节叉在一个轴颈上作用的圆周力（N）；其值为P=Mj/（2a）。dj 十字轴轴颈直径（mm）；dk 十字轴油孔直径（mm）；十字轴许用弯曲强度，=250MPa；,2、滚针接触强度,由赫芝-别辽耶夫公式导出,式中 Q 每一个滚针的负荷（N），Q=4.6kP/z；z 每个滚针轴承的滚针数；k 轴承特征系数，此种结构取k=1；dj 十字轴轴颈直径（mm）；dz 滚针轴承滚针直径（mm）；l 滚针有效工作长度（mm）；j 许用接触强度，j=30003200MPa。,3、滚针轴承的承载能力,式中 a 万向节输入轴和输出轴之间的夹角；P 滚针轴承上的许用作
8、用力（N）；n 传动轴转速（r/min）。,第二节 传动轴,一、原理与构造,作用：传递扭矩。,形状：空心的圆形断面。,要求：材质分布均匀。,制造方式：钢板卷制对焊而成。,传动轴和万向节装配后必须作动平衡试验并校正。,平衡精度由离心力P=G2r/g来确定，用贴平衡片的办法来平衡离心力。,平衡后的不平衡度以重径积来表示，并应在表5-1范围内。,工程机械常直接选用各种汽车的传动轴，或稍加改造。,解放牌汽车的传动轴如图5-14 所示。,二、计算,1、强度计算：传动轴主要传递扭矩，可按下式计算其扭转应力,式中 D-传动轴外径（mm）；d-传动轴内径（mm）；Mj-计算力矩（N.mm）；-许用扭转应力，1
9、25MPa,2、临界转速,传动轴的转速接近于其自振频率时，出现共振，挠度急剧增加，致使传动轴迅速折断，此转速即为其临界转速。,临界转速由下式确定,式中 nl 传动轴的临界转速（r/min）；D 传动轴外径（mm）；d 传动轴内径（mm）；L 传动轴支承长度，可取两万向节中心到中心的距离（cm）,nl至少应比传动轴实际使用最大转速nmax大25%，或nl-nmax1000r/min，或nl应比发动机最大转速大70%80%。,习 题,1、除球叉式等速万向节与球笼式等速万向节外，你还见过哪些等速万向节在工程机械与汽车中应用？2、工程机械用的传动轴，研制时应注意技术上掌握哪些要点？3、某型解放牌汽车的传动轴外径D=89mm，内径d=84mm，支承长度L=12681325 mm，所用的汽油机Nmax/nmax=71（w）/2800（r/min），Mmax=310N.m（2800r/min时），试根据该传动轴传递扭矩作强度计算，并计算其临界转速。4、题3之解放牌汽车的万向节十字轴的结构尺寸，参看图5-13：dj=25 mm，dk=6 mm，a=39 mm，s=15 mm，计算十字轴轴颈的弯曲强度。此十字万向节每个滚针轴承的滚针数z=45，滚针直径为3 mm，滚针有效工作长度为15mm，度计算滚针的接触应力与滚针轴承的承载力。,
