万向节：减摩提效，简结可靠，广泛应用

万向节按其在扭转方向上是否有明显的弹性,可分为刚性万向节和挠性万向节。前者的动力是靠零件的铰链式连接传递的,而后者则靠弹性零件传递,且有缓冲减震作用。刚性万向节又可分为不等速万向节(常用的是十字轴式)、准等速万向节(双联式,三销轴式等)和等速万向节(球叉式,球笼式等)。

图11-71　变速器与驱动桥之间的万向传动装置

1—变速器;2—万向传动装置;3—驱动桥;4—悬架;5—车架

(一)十字轴式刚性万向节

十字轴式刚性万向节因其结构简单、传动可靠、效率高,且允许两传动轴之间在最大交角为15°～20°情况下传递动力,故普遍用于各类汽车的传动系统中。

1.十字轴式刚性万向节的构造及润滑

图11-72所示为十字轴式刚性万向节的构造。万向节叉6与前传动轴后端凸缘盘用螺栓连接。两万向节叉的两对孔分别活套在十字轴的两对轴颈上。这样,当主动轴转动时,从动轴既可随之转动,又可绕十字轴中心的任意方向摆动。为了减少摩擦损失,提高传动效率,在十字轴轴颈和万向节叉孔间装有由滚针8和套筒9组成的滚针轴承。然后用螺钉和轴承盖1将套筒9固定在万向节叉上,并用锁片将螺钉锁紧,以防止轴承在离心力作用下从万向节叉内脱出。为了润滑轴承,十字轴做成中空的,并有油路通向轴颈。润滑油从注油嘴3注入十字轴内腔。为避免将润滑油流出及灰尘进入轴承,在十字轴的轴颈上套着装在金属座圈内的毛毡油封7。在十字轴的中部还装有带弹簧的安全阀5。如果十字轴内腔的润滑油压力大于允许值,安全阀即被顶开而润滑油外溢,使油封不致因油压过高而损坏。

图11-72　十字轴刚性万向节

1—轴承盖;2、6—万向节叉;3—润滑脂嘴;4—十字轴;5—溢流阀;7—油封;8—滚针;9—套筒

图11-73　十字轴润滑道及密封装置

1—油封挡盘;2—油封;3—油封座;4—注油嘴

十字轴式万向节的损坏是以十字轴颈和滚针轴承的磨损为标志的,因此润滑与密封直接影响万向节的使用寿命。为了提高密封性能,近年来在十字轴式万向节多采用图11-73所示的橡胶油封。实践证明,橡胶油封的密封性能远优于老式的毛毡或软木垫油封。当用注油枪向十字轴内腔注入润滑油而内腔油压大于允许值时,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,故在十字轴上无需安装安全阀。

十字轴刚性万向节结构简单,传动可靠,效率高,因此应用较广泛。其不足之处是对于单个万向节在输入轴和输出轴之间有夹角的情况下,其两轴的角速度是不相等,这便是单个万向节的不等速性。

2.十字轴式刚性万向节传动的不等速性

下面就单个万向节传动过程中的两个特殊位置进行运动分析,说明它传动的不等速性。

(1)设主动叉在垂直位置,且以ω1等角速旋转,十字轴平面与主动轴垂直,从动叉轴与主动叉轴之间的夹角为α,见图11-74(a)。主动叉与十字轴连接点a的线速度va在十字轴平面内;从动叉与十字轴连接点b的线速度vb可分解为在十字轴平面内的速度vb和垂直于十字轴平面的速度v″b。由速度直角三角形可以看出vb＞vb。由十字轴的特性可知oa=ob。当万向节传动时,十字轴是绕o点转动的,其上a、b两点与十字轴平面内的线速度在数值上应相等,即=va。因此vb＞va。由此可知,当主、从动叉转到所述位置时,从动轴的转速大于主动轴的转速。

(2)设主动叉在水平位置,并且十字轴平面与从动轴垂直时的情况,见图11-74(b)。此时主动叉与十字轴连接点a的线速度va在平行于从动叉的平面内,并且垂直于主动叉。线速度va可分解为在十字轴平面内的速度va和垂直于十字轴平面的速度v″a。根据与上述同样的道理,在数值上,va＞,而=vb。因此,va＞vb,即当主、从动叉转到所述位置时,从动轴转速小于主动轴转速。

由上述两个特殊情况的分析可以看出,十字轴式万向节在转动过程中,主、从动轴的转速是不相等的。

图11-74　十字轴式刚性万向节传动的不等速性

(a)主动叉在垂直位置;(b)主动叉在水平位置;(c)主动轴转角与两轴转角差关系

图11-74(c)表示两轴转角差φ1-φ2随主动轴转角φ1的变化关系。由图可见,从动轴的角速度ω2的变化以180°为一个周期,如果主动轴以等角速转动,而从动轴则时快时慢,且不等速程度随轴间夹角α的增大而增大,此即单个十字轴万向节在有夹角时转动的不等速性。必须注意的是,所谓的“传动的不等速性”,是指从动轴在一周中角速度不均而言。而主、从动轴的平均转速是相等的,即主动轴转过一周从动轴也转过一周。

单万向节转动的不等速性,将使从动轴及与其相连的传动部件产生扭转振动,从而产生附加的交变载荷,影响部件寿命。

3.双万向节传动的等速条件

从以上分析可以想到,在两轴(例如变速器的输出轴和驱动桥的输入轴)之间,若采用如图11-75所示的双(十字轴式)万向节传动,则第一万向节的不等速效应就有可能被第二万向节的不等速效应所抵消,从而实现两轴间的等角速传动。

实现等角速传动必须满足以下两个条件:①第一万向节两轴间夹角α1与第二万向节两轴间夹角α2相等;②第一万向节的从动叉与第二万向节的主动叉处于同一平面内。

上述双万向节传动虽能近似的解决等速传动问题,但在某些情况下,例如转向驱动桥的分段半轴间,在布置上受轴向尺寸的限制,而且转向轮要去偏转角度大(30°～40°),因而上述双万向节传动已难以适应。在长期实践过程中,人们创造了各种等速和准等速万向节。只要用一个这样的万向节,即能实现或基本实现等角速传动。在转向驱动桥及独立悬架的后驱动桥中,广泛采用等角速万向节。

图11-75　双十字轴刚性万向节等速传动布置示意图

(a)平行排列;(b)等腰三角形排列
1—输入轴;2—输出轴;3—传动轴

(二)准等速万向节

准等速万向节是根据上述双万向节实现等速传动的原理而实现的,常见的有双联式和三销轴式万向节。

1.双联式万向节

双联式万向节实际上是一套传动轴长度缩减至最小的双万向节等速传动装置。图11-76中双联叉3相当于两个在同一平面上的万向节叉。欲使轴1和轴2的角速度相同,应保证α1=α2。为此,在双联式万向节结构中装有分度机构,以期双联叉的对称线平分所连两轴的夹角。

双联式万向节允许有较大的轴间夹角,且具有结构简单、制造方便、工作可靠等优点,故在转向驱动桥中的应用逐渐增多。而且在用于转向驱动桥时,可以没有分度机构,但必须保证双联式万向节中心位于主销轴线的交点,以此保证准等速传动。

图11-76　双联式万向节示意图

1、2—轴;3—双联叉

2.三销轴式万向节(www.xing528.com)

图11-77　三销轴式准等角速万向节

(a)零件形状;(b)装配示意图
1—主动偏心轴叉;2、4—三销轴;3—从动偏心轴叉;5—卡环;6—轴承座;7—衬套;8—毛毡圈;9—密封罩;10—推力垫片

三销轴式万向节是双联式万向节演变而来的准等速万向节。图11-77所示为某汽车转向驱动桥中所采用的三销轴式万向节。它主要由两个偏心轴叉1和3,两个三销轴2和4以及6个轴承,密封件等组成。主、从动偏心轴叉分别与转向驱动桥内、外半轴制成一体。叉孔中心线与叉轴中心线互相垂直但不相交。两叉由两个三销轴连接。三销轴的大端有一穿通的轴承孔,其中心线与小端轴颈中心线重合。靠近大端两侧有两轴颈,其中心线与小端轴颈中心线垂直并相交。装合时,每一偏心叉轴的两叉孔通过轴承与一个三销轴的大端两轴颈配合,而后两个三销轴的小端轴颈互相插入对方的大端轴承孔内,这样便形成了Q-Q1、P-P 1和F-F 1三根轴线。传递时,转矩由主动偏心轴叉经轴Q-Q1、PP 1和F-F 1传到从动偏心轴叉。

在与主动偏心轴叉1相连的三销轴4的两个轴颈端面和轴承座6之间装有推力垫片10。其余各轴颈端面均无推力垫片,且断面与轴承座之间留有较大的空隙,以保证在转向时三销轴万向节不致发生运动干涉现象。

三销轴式万向节的最大特点是允许相邻两轴有较大的交角,最大可达45°。在转向驱动桥中采用这种万向节可使汽车获得较小的转弯半径,提高汽车的机动性。其缺点是占用空间较大。

国产富康轿车前转向驱动桥中的半轴和轮毂之间,也采用了这种三销轴式准等速万向节。

(三)等速万向节

等速万向节的基本原理是,从结构上保证万向节在工作过程中的传力点永远位于两轴交角的平分面上。图11-78为一对大小相同的锥齿轮传动示意图。两齿轮的接触点P位于两齿轮轴线交角α的平分面上,由P点到两轴的垂直距离都等于r,在P点处两齿轮的圆周速度是相等的,因而两齿轮旋转的角速度也相等。与此相似,若万向节的传力点在其交角变化时始终位于角平分面内,则可使两万向节保持等角速度的关系。

目前采用较广的球叉式万向节和球笼式万向节均根据这一原理制成。

图11-78　等速万向节的工作原理

图11-79　球叉式万向节

1—从动叉;2—锁止销;3—定位销;4—传动钢球;5—主动叉;6—中心钢球

1.球叉式万向节

球叉式万向节的构造如图11-79所示。主动叉5与从动叉1分别与内外半轴制成一体。在主、从动叉上,各有四个曲面凹槽,装合后形成两个相交的环形槽作为钢球滚道。四个传动钢球4放在槽中,中心钢球6放在两叉中心的凹槽内,以定中心。

为顺利地将钢球装入槽中,在中心钢球6上铣出一个凹面,凹面中央有深孔。装合时,先将定位销3装入从动叉内,放入中心钢球,然后在两球叉槽中陆续装入三个从动钢球,在将中心钢球的凹面对向未放钢球的凹槽,以便装入第四个传动钢球,提起从动叉轴使定位销3插入球孔中,最后将锁止销2插入从动叉上与定位销垂直的孔中,以限制定位销轴向移动,保证中心钢球的正确位置。

这种结构的等角速传动原理可按图11-80来说明:主动叉和从动叉的中心线是以O1、O2为圆心的两个半径相等的圆,而圆心O1、O2与万向节中心O的距离相等。因此,在主动轴和从动轴以任何角度相交的情况下,传动钢球中心都位于两圆的交点上,即所有传动钢球都位于角平分面上,因而保证了等角速传动。

球叉式万向节结构简单,允许最大交角为32°～33°,一般应用于转向驱动桥中。

近年来,有些球叉式万向节中省去了定位销和锁止销,中心钢球上也没有凹面,靠压力装配。这样结构更为简单,但拆装不便。

球叉式万向节工作时,只有两个钢球传力,反转时,则由另两个钢球传力。因此,钢球与曲面凹槽之间的单位压力越大,磨损较快,影响使用寿命。

2.球笼式万向节

球笼式万向节的结构如图11-81所示。星形套7以内花键与主动轴1相连,其外表面有6条凹槽,形成内滚道。球形壳8的内表面有相应的6条凹槽,形成外滚道。6个钢球6分别装在各条凹槽中,并由保持架4使之保持在一个平面内,动力由主动轴1经钢球6,球形壳8输出。

图11-80　球叉式万向节等角速传动原理

图11-81　球笼式等速万向节

1—主动轴;2、5—钢带箍;3—外罩;4—保持架(球笼);6—钢球;7—星形套(内滚道);8—球形壳(外滚道);9—卡环

球笼式万向节的等速传动原理,如图11-82所示。外滚道的中心A与内滚道的中心B分别位于万向节中心O的两侧。因此,当两轴交角变化时,保持架可沿内、外球面滑动,以保持钢球在一定位置。

图11-82　球笼式万向节等角速传动原理

1—主动轴;2—保持架;3—钢球;4—星形套(内滚道);5—球形壳(外滚道)O—万向节中心;A—外滚道中心;B—内滚道中心;C—钢球中心;α—两轴交角(指钝角)

由于OA=OB,CA=CB,CO是共边,则△COA与△COB全等。因此,∠COA=∠COB,即两轴相交任意角α时,其传力钢球C都位于交角平分面上。此时,钢球到主动轴和从动轴的距离a和b相等,从而保证了从动轴与主动轴以相等的角速度旋转。

球笼式等角速万向节在两轴最大交角42°的情况下,仍可传递转矩,且在工作时,无论传动方向如何,6个钢球全部传力。与球叉式万向节相比,其承载能力强、结构紧凑、拆装方便,因此应用越来越广泛。例如,国产红旗牌CA7220型、捷达、桑塔纳、夏利等轿车,其前转向驱动桥的转向节处均采用这种球笼式等速万向节。

图11-83　挠性万向节

1—中心轴;2—大圆盘;3—弹性连接件;4—连接圆盘;5—花键毂

(四)挠性万向节

挠性万向节的特点是其传力元件采用夹布橡胶盘、橡胶块、橡胶环等弹性元件,从而保证在相交两轴间传动时不发生机械干涉。图11-83是上海SH3540A型自卸汽车发动机与变速器之间安装的万向传动装置,它由一个十字轴式刚性万向节、传动轴和一个挠性万向节组成。由于弹性元件的变形量有限,故挠性万向节一般用于夹角较小(3°～5°)的两轴间和有微量轴向位移的传动场合。例如,安装在车架上的两个部件之间,可使装配方便不需轴向严格对正,并能消除工作中车架变形对传动的不利影响,挠性万向节不仅结构简单、无需润滑,而且具有缓冲和减振作用。