汽车工程学 04-万向传动装置

在现代汽车中，万向传动装置起到了承上启下的作用，得到了较为广泛的应用。

概述

组成与功用

组成：万向节、传动轴，有的装有中间支承

功用：能在轴间夹角及相对位置经常发生变化的转轴之间传递动力

万向传动装置的主要应用

• 变速器与驱动桥之间
• 越野车的变速器与分动器之间
• 转向驱动桥
• 转向操纵机构

万向节

十字轴式刚性万向节

准等速万向节

根据双万向节实现等速传动原理而设计的万向节

双联式万向节

一套传动轴长度缩减至最小的双万向节传动装置，双联叉相当于两个在同一平面内的万向节叉

优点：

• 允许两轴间的夹角较大（一般可达50°）
• 轴承密封性好
• 效率高，工作可靠，制造方便

缺点：

• 结构较复杂
• 外形尺寸大
• 零件数目较多

凸块式万向节（略）

三销轴式万向节（略）

球面滚轮式万向节（略）

等速万向节

输出轴和输入轴的瞬时角速度在所有的工作角度都相等，能够传递扭矩和旋转运动的万向节

在汽车传动中，前独立悬架驱动轮最外端转向节处尤其需要

基本原理：传力点永远位于两轴交点的平分面上

球叉式万向节（略）

每一时刻只有一半的钢球在传力，已经基本不使用

球笼式万向节（重点）

TODO

挠性万向节（略）

TODO

万向传动的运动和受力分析

十字轴万向节传动

当十字轴万向节的主动轴与从动轴存在一定夹角 $\alpha$ 时，主动轴的角速度 $\omega_1$ 与从动轴的角速度 $\omega_2$ 之间存在如下的关系

$$\frac{\omega_2}{\omega_1} = \frac{\cos \alpha}{1 - \sin^2 \alpha \cos^2 \varphi_1}$$

双十字轴万向节传动

双万向节传动能保证处于同一平面的输出轴与输入轴等速旋转的条件：

1. 同传动轴相连的两万向节叉应布置在同一平面内
2. 使两万向节夹角 $\alpha_1$ 与 $\alpha_2$ 相等

多十字轴万向节传动

多万向节传动的从动叉相对主动叉的转角差 $\Delta \varphi$ 的计算公式：

$$\Delta \varphi = \frac{\alpha_e^2}{\sin 2(\varphi_1 + \theta)}$$

字母符号	含义
$\alpha_e$	多万向节传动的当量夹角
$\theta$	主动叉的初相位角
$\varphi_1$	主动轴转角

当量夹角 $\alpha_e$

条件：多万向节传动的各轴轴线均在同一平面，且各传动轴两端万向节叉平面之间的夹角为 0 或 $\pi/2$

计算式：

$$\alpha_e = \sqrt{|\alpha_1^2 \pm \alpha_2^2 \pm \cdots|}$$

$\alpha_1$ 、$\alpha_2$ 、$\alpha_3$ 为各万向节的夹角

正负号确定原则：当第一万向节的主动叉处在各轴轴线所在的平面内，在其余的万向节中，如果其主动叉平面与此平面重合，则定义为正，与此平面垂直则定义为负

等速旋转条件：$\alpha_e = 0$

万向轴传动输出轴与输入轴的转角差会引起动力总成支承和悬架弹性元件的振动，还能引起与输出轴相连齿轮的冲击和噪声及驾驶室内的谐振噪声。故在设计多万向节传动时，总是希望其当量夹角 $\alpha_e$ 尽可能小

设计时应使空载和满载两种工况下：$\alpha_e$ ≤ 3°

输出轴的角加速度幅值 $\varepsilon = \alpha_e^2 \omega_1^2$ 加以限制：

• 对于轿车，$\alpha_e^2 \omega_1^2$ ≤ 350 rad/s²
• 对于货车，$\alpha_e^2 \omega_1^2$ ≤ 600 rad/s²
• （注意此处单位为“弧度”而非“度”）

万向节设计

基本要求

1. 保证连接的两根轴相对位置在预计范围内变动时，能可靠地传递动力
2. 保证所连接两轴尽可能等速运转
3. 由于万向节夹角而产生的附加载荷、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，制造方便，维修容易等

计算载荷

TODO

十字轴万向节设计（略）

传动效率（当 $\alpha$ ≤ 25° 时）：

$$\eta_0 = 1 - f(\frac{d_1}{r}) \frac{2 \tan \alpha}{\pi}$$

TODO

传动轴结构分析与设计

中间支承结构分析与设计

传动轴过长时，自振频率降低，易产生共振。故将其分为两段并加中间支承

附A：部分名词英文

中	英
万向节	universal joint / U-joint / cardan joint
十字轴式万向节	cross

附B：部分相关国标

GB/T 7549-2008 球笼式同步万向联轴器