万向传动装置分类及图解新型汽车底盘拆装与检修

万向节按其在扭转方向是否有明显的弹性分为刚性万向节和挠性万向节。前者是靠刚性铰链式零件传递动力，而后者则是靠弹性组件传递动力，且具有缓冲减振作用。在汽车上普遍采用刚性万向节。刚性万向节又可分为不等速万向节（常用的为十字轴式）、准等速万向节（三销式、双联式等）和等速万向节（球叉式、球笼式等）。

1.十字轴式刚性万向节

(1)十字轴式刚性万向节的结构图4-3所示为十字轴式刚性万向节。它主要由万向节叉2和6、十字轴4及轴组成。两万向节叉2和6上的孔分别活套在十字轴4的两对轴颈上。当主动轴转动时，从动轴也随之转动，同时又可绕十字轴中心在任意方向摆动。为了减少摩擦和磨损，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，并用螺钉和轴承盖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，润滑油则用注油嘴注入十字轴内腔。为避免润滑油流出及尘垢进入轴承，在十字轴的轴颈上套着装在金属座圈内的油封7。另外，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，安全阀即被顶开使润滑油外溢，使油封不致因油压过高而损坏。

万向节中常见的滚针轴承轴向定位方式，除上述盖板式外，还可采用互盖式、U形螺栓式及卡圈固定式等结构。

近年来在十字轴式刚性万向节上多用橡胶油封，其密封性能好，而且当十字轴内腔润滑脂压力超过允许值时，润滑脂就从油封与轴颈配合面溢出，故可以不装安全阀。

(2)十字轴式刚性万向节的不等速性与等速排列 万向节在运动过程中，有两个特殊位置：主动叉处于垂直位置，十字轴平面与主动叉轴相垂直；主动叉处于水平位置，十字轴平面与从动叉轴相垂直。下面通过这两个特殊的运动状态，来分析说明单个万向节传动的不等速性。图4-4所示为十字轴式刚性万向节传动的速度特性分析。设主动叉轴1为垂直布置而且以ω₁等角速度旋转，从动叉轴2与主动叉轴1有夹角α，其角速度为ω₂。十字轴旋转半径OA与OB相等，设其为r。

图4-3 十字轴式刚性万向节

1—轴承盖 2、6—万向节叉 3—油嘴 4—十字轴 5—安全阀 7—油封 8—滚针 9—套筒

图4-4 十字轴式刚性万向节传动的速度特性分析

a）主动叉处于垂直位置 b）主动叉处于水平位置

1—主动叉轴 2—从动叉轴 3—十字轴

当万向节转动到图4-4a所示位置即主动叉处于垂直位置、十字轴平面与主动叉轴相垂直时，十字轴上A点的线速度υ_A为：

十字轴随主动叉轴1一起转动时，有

v_A1=ω₁r

十字轴随从动叉轴2一起转动时，有

v_A2=ω₂rcosα

因为v_A1=v_A2，故ω₁r=ω₂rcosα，即ω₁=ω₂cosα，故

ω₂＞ω₁

当万向节再转动90°到图4-4b所示位置，即主动叉处于水平位置，十字轴平面与从动叉轴2相垂直时，十字轴B点的线速度v_B也可求出，即

v_B1=ω₁cosα

v_B2=ω₂

因为 v_B1=v_B2，故ω₂=ω₁cosα，此时有

ω₂＜ω₁

通过对上述两个特殊位置的速度特性分析可以看出，当主动叉轴1以等角速度转动时，从动叉轴2是不等角速度转动的，即主动轴与从动轴的瞬时角速度不相等，这就是十字轴式刚性万向节传动的不等速性。从图4-4a位置转动到图4-4b位置转动了90°，从动轴2的角速度由最大值ω₁/cosα变为最小值ω₁cosα；再转90°，又回到图4-4a所示位置，从动轴的角速度ω₂又由最小值ω₁cosα变为最大值ω₁/cosα。可见，从动轴角速度的变化以180°为一个周期，在180°内时快时慢，且不等角速度变化随轴间夹角α的增大而增大。但两轴的平均速度相等，即主动轴转一周，从动轴也转一周。因此，传动的不等速度性是指从动轴在转动一周内角速度不均匀而言。

单个十字轴式刚性万向节的不等速性，会使从动轴及与其相连的传动部件产生扭转振动，从而产生附加交变载荷，影响部件的使用寿命，但是，十字轴式刚性万向节的优点是结构简单，工作可靠，允许在轴间夹角为15°～20°的两轴间传递动力，且采用两个或两个以上万向节可近似地满足等速传动，因此在汽车传动系中被广泛应用。

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，如采用图4-5所示的双向万向节传动，则第一个万向节的不等速性效应就有可能被第二个万向节的不等速效应抵消，从而实现两轴间的等角速传动。依运动学分析可知，要达到这一目的，必须满足两个条件：①第一个万向节两轴间夹角α₁，与第二个万向节两轴间夹角α₂，相等；②第一个万向节的从动叉与第二个万向节的主动叉处于同一平面内。只有在采用驱动轮独立悬架时，条件①才有可能通过整车的总体布置设计和总装配工艺的保证而实现。对每一个万向节而言，只要存在交角，万向节在工作中内部各零件之间就存在相对运动，因而导致摩擦损失。交角越大，摩擦损失越大，故在汽车总体布置时应尽量减小交角。

图4-5 双向万向节等速传动图

1、3—主动叉 2、4—从动叉

双万向节传动虽能基本解决等速传动问题，但在某些情况下已难以适应实际需要。经过长期实践，人们创造了各种形式的等速和准等速万向节。只要用一个这样的万向节，就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了等速万向节。

图4-6 三销轴式准等速万向节

a）分解图 b）安装位置图(www.xing528.com)

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

2.准等速万向节和等速万向节

（1）准等速万向节 准等速万向节有三销轴式和双联式两种。

三销轴式准等速万向节如图4-6所示，主、从动偏心轴叉分别与转向驱动桥的内、外半轴制成一体。叉孔中心线与销轴中心线互相垂直但不相交。主、从动偏心叉由两个三销轴连接。三销轴的大端有一个穿通的轴承孔，其中心线与小端轴颈中心线重合。靠近大端两侧有轴颈，其中心线与小端轴颈中心线垂直并且相交。装合时每一偏心轴叉的两叉孔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孔内，这样便形成Q₁—Q₂、Q₃—Q₄和R—R₁三极轴线。为减小摩擦，轴颈与孔的配合面装有轴承，并用卡环5轴向限位。

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，且端面与轴承座间留有较大的空隙，以保证在转向时三销轴万向节不发生运动干涉而损坏万向节。

（2）等速万向节 等速万向节的基本原理如图4-7所示，它从结构上保证万向节在工作过程中，传力点永远位于两轴交点的平分面上。两齿轮轴线交角为α，接触点为P，而P位于α平分面上。由P点到两轴的垂直距离都等于r₀，在P点处两齿轮的圆周速度是相等的，故两齿轮旋转的角速度也相等。与上述原理相似，若万向节的传力点在其交角变化时始终位于角平分面上，就可使万向节叉保持等角速的关系。目前较广泛采用的球叉式万向节和球笼式万向节都是根据这一原理制成的。

1）球叉式万向节。如图4-8所示，主动叉与从动叉分别与内、外半轴制成一体。在主、从动叉上分别有四个曲面凹槽，装配后则形成两个相交的环形槽，作为钢球滚道。四个传动钢球放在槽中，中心钢球放在两叉中心的凹槽内，以定中心。

图4-7 等速万向节

图4-8 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

图4-9 球叉式万向节等速传动原理

为方便将钢球装入槽内，在中心钢球上铣出一个凹面，中央有一深孔。装配时，先将定位销装入从动叉内，放入中心钢球；然后在两球叉槽中陆续装入三个传动钢球，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；而后再将中心钢球的孔对准从动叉孔，提起从动叉轴使定位销插入球孔中；最后将锁止销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。

球叉式万向节等速传动的结构原理如图4-9所示。主、从动叉凹槽的中心O₁、O₂与万向节中心O距离相等，故在主、从动轴以任何角度相交时，传动钢球中心都位于两圆的交点上，因而保证了等角速传动。球叉式万向节结构简单，一般应用于转向驱动桥中，其允许最大交角为32°～33°。在有些球叉式万向节中省去了定位销和锁止销，中心钢球也不铣凹面，而靠压力装配，这样结构更简单，但拆装不方便。

工作时，球叉式万向节只有两个钢球传力；反转时，由另两个钢球传力，故钢球与曲面凹槽之间的单位压力较大，磨损快，影响使用寿命。

2）球笼式万向节。按内、外滚道结构不同，球笼式万向节又分为RF型球笼式万向节、球笼式双补偿万向节和VL型万向节等。

①RF型球笼式万向节的结构如图4-10所示。图4-11所示为RF型球笼式万向节等速传动的结构原理图。外滚道中心A与内滚道中心B不重合，分别位于万向节中心O的两边，且到O等距离。钢球中心C到A、B两点的距离也相等。球笼的内外球面、内滚道（星形套）的外球面和外滚道的内球面均以万向节中心O为球心。因此，当两轴交角变化时，球笼可沿内外球面滑动，以保持钢球在一定位置。由图4-11可见，由于OA=OB，CA=CB，CO为共边，那么，两个三角形△COA与△COB全等，因此，∠COA与∠COB相等，即两轴相交任意交角α时，传力的钢球C都位于交角平分面上。此时钢球到主、从动轴的距离相等，从而保证了主、从动轴以相等的角速度旋转。

RF型球笼式万向节最大摆角达47°，且在工作时，无论传动方向如何，六个钢球全部传力。与球叉式万向节相比，其承载能力大、结构紧凑、磨损小、拆装方便，因此应用越来越广泛。

图4-10 RF型球笼式万向节

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

②VL型球笼式万向节又称为伸缩型等速万向节，如图4-12所示。星形套与筒形壳之间的轴向相对移动是通过钢球5沿内、外滚道滚动来实现的，与滑动花键相比，因其滑动阻力小，故适用于断开式驱动桥。上海桑塔纳轿车转向驱动桥所用即为VL型球笼式万向节。

VL型球笼式万向节的特点是：内、外滚道可轴向移动，从而可以使前轮跳动时轴向长度得到补偿：由于内、外滚道是通过钢球传递转矩的，因此，在内、外滚道轴向移动时为滚动摩擦，阻力较小。VL型球笼式万向节允许最大摆角为22°，轴向伸缩量可达45mm。

3）三叉式等速万向节。图4-13所示为三叉式等速万向节，也称三脚式万向节。它主要由三销总成、万向节套组成。三销总成的花键孔与传动轴内花键配合，3个销轴上均装有轴承，以减小磨损。万向节套的凸缘用螺栓连接，为防止润滑脂外漏，万向节由防护罩封护，并用卡箍紧固。

三叉式等速万向节结构简单、磨损小，并且可以轴向伸缩，在轿车上的应用也逐渐增多，常用于转向驱动桥半轴内端。

图4-11 RF型球笼式万向节等速传动原理

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（钝角） 1—中锻半轴 4—球笼 6—钢球 7—内球座（内滚道） 8—外滚座（外滚道）

图4-12 VL型球笼式万向节

1—主动轴 2—星形套（内滚道） 3—保持架（球笼） 4—筒形壳（外滚道） 5—钢球