第四章

萬向傳動軸設計第四章萬向傳動軸設計

第一節概述

第二節萬向節結構方案分析

第三節萬向傳動的運動和受力分析

第四節萬向節的設計計算

第五節傳動軸結構分析與設計

第六節中間支承結構分析與設計第一節概述

在汽車傳動系統中，變速箱的輸出軸線與驅動橋的動力輸入軸往往不在一條直線上，這時就需要折線傳力。第一節概述

萬向傳動軸一般是由萬向節、傳動軸（軸管）及其伸縮花鍵和中間支承組成。主要用于在工作過程中相對位置不斷改變的兩根軸間傳遞轉矩和旋轉運動。萬向傳動軸設計應滿足如下基本要求：

1、保證所連接的兩軸夾角和相對位置在預計范圍內變動時，能可靠而穩定地傳遞動力。

2、保證所連接兩軸盡可能等速運轉。3、由于萬向節夾角而產生的附加載荷、振動和噪聲應在允許范圍內，在使用車速范圍內不出現共振現象。4、傳動效率高，使用壽命長，結構簡單，制造方便，維修容易等。

變速器或分動器輸出軸與驅動橋輸入軸之間普遍采用十字軸萬向傳動軸。在轉向驅動橋中，多采用等速萬向傳動軸。當后驅動橋為獨立的彈性，采用萬向傳動軸。第一節概述萬向節的應用(a）變速器與驅動橋之間

(b)多軸驅動的汽車的分動器與驅動橋之間或驅動橋與驅動橋之間

(c)發動機與變速器之間（由于車架的變形造成軸線間相互位置變化的兩傳動部件）

(d)采用獨立懸架的汽車差速器之間

(e)轉向驅動車橋的差速器與車輪之間

(f)汽車的動力輸出裝置和轉向操縱機構中貨車萬向傳動變速箱驅動橋桑塔納前懸架桑塔納萬向傳動萬向節的分類不等速萬向節是指萬向節連接的兩軸夾角大于零時，輸出軸和輸入軸之間以變化的瞬時角速度比傳遞運動的萬向節。準等速萬向節是指在設計角度下工作時以等于1的瞬時角速度比傳遞運動，而在其它角度下工作時瞬時角速度比近似等于1的萬向節。輸出軸和輸入軸以等于1的瞬時角速度比傳遞運動的萬向節，稱之為等速萬向節。撓性萬向節是靠彈性零件傳遞動力的，具有緩沖減振作用。一、十字軸萬向節

典型的十字軸萬向節主要由主動叉、從動叉、十字軸、滾針軸承及其軸向定位件和橡膠密封件等組成。第二節萬向節結構方案分析

軸向定位方式：蓋板式、卡環式、瓦蓋固定式、塑料環定位式。一、十字軸式萬向節2.滾針軸承的軸向定位方式

最普通的蓋板式軸承軸向定位：螺栓1和蓋板3將套筒5固定在萬向節叉4上，并用鎖片2將螺栓鎖緊。特點：工作可靠、拆裝方便，但零件數量多。

有時將彈性蓋板6點焊在軸承座7的底部,裝配后,彈性蓋板對軸承座底部有一定的預壓力,用來防止高速轉動時由于離心力作用,在十字軸端面與軸承座底之間出現間隙而引起十字軸軸向竄動,并避免了由于這種竄動所造成的傳動軸動平衡狀態的破壞。

卡環式又分為外卡環(上圖左)和內卡環(上圖右)兩種。特點：結構簡單、工作可靠、零件數量少和質量小。

瓦蓋固定式結構中的萬向節叉與十字軸頸配合的圓孔不是一個整體，而是分成兩半，再用螺釘連接起來。特點：拆裝方便、使用可靠，但加工工藝復雜。

塑料環定位結構：在軸承碗外圓和萬向節叉的軸承中部開一環形槽，當滾針軸承動配合裝入萬向節叉到正確位置時，將塑料溢出時，表明塑料已充滿環槽。特點：定位可靠，十字軸軸向竄動小，但拆裝不方便。一、十字軸式萬向節2.滾針軸承的軸向定位方式比較※有軸向竄動將使傳動軸的動平衡狀態遭受破壞。

潤滑與密封：雙刃口復合油封、多刃口油封。

十字軸萬向節結構簡單，強度高，耐久性好，傳動效率高，生產成本低。但所連接的兩軸夾角不宜過大，當夾角由4°增至16°時，十字軸萬向節滾針軸承壽命約下降至原來的1/4。

如圖5-3（a）所示，設原動軸P1的叉面與紙成垂直，從動軸P2的叉面在紙面內，P1的角速度恒為1，P2在此位置時的角速度為1’，兩軸的夾角為當十字軸視為與P2軸一起轉動時，A點的速度vA-2為當十字軸視為與P1軸一起轉動時，A點的速度vA-1為在此位置A點的瞬時切線速度只能有一個，即

兩軸轉過900，P1軸的叉面在紙面內而P2軸的叉面又與紙面垂直，如圖5-3（b）所示。設P2軸此時的角速度為2‘，同理取B點為參考點得vB-1=1r同理因VB-2=2’rcos

VB-2=VB-1得

每轉900，P2軸的瞬時角速度2就從2’變成2’’，依此類推，因此兩軸的傳動比其變化情況如右上圖5-4所示。

從圖上我們可以看出，單萬向節在兩軸夾角越大，角速度2的變化幅度也就越大，因而產生角加速度，產生振動，這不利于機器以均勻的速度運行。解決辦法：采用雙萬向節。如圖5-5所示。

用傳動軸C與兩個萬向節將原動軸P1與從動軸P2連接起來，傳動軸C的兩部分用滑鍵（花鍵軸與花鍵套）相連，允許它自動調節其長度。

雙萬向節可以連接兩平行軸（圖5-5（a）），也可連接兩相交軸（圖5-5（b））。注意：

并不說采用了雙萬向節就解決了瞬時速度比始終等于1的問題。欲使任何瞬時主動軸與從動軸的角速度始終相等，還要滿足下列兩個條件：1、中間軸C與原動軸P1之間的夾角必須等于中間軸C與從動軸P2之間的夾角，即1=2；2、中間軸C兩端的叉面在同一平面內。

比萬向節只有在滿足上述兩條件時，才能得到恒等于1的傳動比。

設開始時中間軸C上P1端的叉面位于軸P1與C所在的平面內，這時C上P2端的叉面亦在此平面內，即如圖5-5（a）所示位置。就C軸與P1軸而言c=1cos1就C軸與P2軸而言2=2cos2如果1=2則1=2同理，在任何位置繼續找都可以找到同樣的結果。

夾角僅允許用到300，否則中間傳動軸的旋轉不均勻度太大，角應盡量小些。十字軸潤滑油道油封油封擋盤注油嘴采用橡膠油封，當十字軸內腔油壓過大時，多余的潤滑油會從橡膠油封內圓表面與軸頸接觸處溢出。滾針軸承為了潤滑軸承，十字軸上一般安有注油嘴并有油路通向軸頸。潤滑油可從注油嘴注到十字軸軸頸的滾針軸承處。二、準等速萬向節1、雙聯式萬向節雙聯式萬向節是由兩個十字軸萬向節組合而成。為了保證兩萬向節連接的軸工作轉速趨于相等，可設有分度機構。偏心十字軸雙聯式萬向節取消了分度機構，也可確保輸出軸與輸入軸接近等速。第二節萬向節結構方案分析

雙聯式萬向節的主要優點是允許兩軸間的夾角較大（一般可達50°，偏心十字軸雙聯式萬向節可達60°），軸承密封性好，效率高，工作可靠，制造方便。缺點是結構較復雜，外形尺寸較大，零件數目較多。當應用于轉向驅動橋時，由于雙聯式萬向節軸向尺寸較大，為使主銷軸線的延長線與地面交點到輪胎的印跡中心偏離不大，就必須使用較大的主銷內傾角。用途：多用于軍用越野轉向驅動橋雙萬向節等速傳動（雙聯式萬向節）兩個在同一平面內的萬向節叉當a1=a2

時，軸1和軸2的角速度相等

2.凸塊式萬向節（P117圖4-4）結構：主要由兩個萬向節叉以及兩個不同形狀的特殊凸塊組成，兩個凸塊相當于雙聯萬向節裝置中兩端帶有位于同一平面上的兩萬向節叉的中間軸及兩十字銷，因此可以保證輸入軸與輸出軸近似等速。特點：相當于雙聯式萬向節，工作可靠，加工簡單，允許的夾角較大（50°），工作面為全滑動摩擦，效率低，易磨損，對密封和潤滑要求高。用途：多用于中型以上越野車轉向驅動橋。3.三銷軸式萬向節（圖4-5）

結構：由雙聯式萬向節演變而來，主要由兩個偏心軸叉、兩個三銷軸和六個滾針軸承及其密封件等組成。特點：可直接暴露在外面，并不需要加外球殼和密封裝置，萬向節與轉向節的同心度要求不太嚴，中心不一致可以由萬向節內三銷的軸向滑動來補充，允許的最大夾角可達45°，易于密封，外形尺寸大，結構復雜，毛坯需精鍛。用途：個別中、重型越野車轉向驅動橋4、球面滾輪式萬向節（圖4-6）球面滾輪式萬向節是應用較為廣泛的準等速萬向節。裝在萬向節軸端部的三個銷軸上的球面滾輪，可以沿與萬向節節軸相連的圓管并在圓管上開有三個伸縮花鍵作用的軸向槽內移動，同時通過三個球面滾輪與軸向槽壁之間傳遞轉矩，其結構應保證沿圓周等分的三個球面滾輪的軸線始終位于或近似位于萬向節兩軸夾角的等分面上，這種結構可使兩軸間的工作夾角達43°，加工也比較容易。三、等速萬向節1、球叉式萬向節。球叉式萬向節按其鋼球滾道形狀不同可分為圓弧槽和直槽兩種形式（1）圓弧槽滾道型圓弧槽滾道型的球叉式萬向節（圖4-7a）由兩個萬向節叉、四個傳力鋼球和一個定心鋼球組成。兩球叉上的圓弧槽中心線是以O1和O2為圓心而半徑相等的圓，O1和O2到萬向節中心O的距離相等。當萬向節兩軸繞定心鋼球中心O轉動任何角度時，傳力鋼球中心始終在滾道中心兩圓的交點上，從而保證輸出軸與輸入軸等速轉動。球叉式萬向節結構較簡單，可以在夾角不大于32°～33°的條件下正常工作。磨損快，用于輕中型越野車轉向驅動橋；（2）直槽滾道型直槽滾道型球叉式萬向節（圖4-7b），兩個球叉上的直槽與軸的中心線傾斜相同的角度，彼此對稱。在兩球叉間的槽中裝有四個鋼球。由于兩球叉中的槽所處的位置是對稱的，這便保證了四個鋼球的中心處于兩軸夾角的平分面上。這種萬向節加工比較容易，允許的軸間夾角不超過20°，在兩叉間允許有一定量的軸間滑動。主要用于斷開式驅動橋，當半軸擺動時，用它可以補償半軸的長度變化而省去滑動花鍵。2．球籠式萬向節

（1）Rzeppa型球籠式萬向節球籠式萬向節是目前應用最為廣泛的等速萬向節。Rzeppa型球籠式萬向節（圖4-8a）是帶分度桿的，六個傳力鋼球2由球籠4保持在同一平面內。當萬向節兩軸之間的夾角變化時，靠比例合適的分度桿6撥動導向盤5，并帶動球籠4使六個鋼球2處于軸間夾角的平分面上。（1）Rzeppa型球籠式萬向節經驗表明，當軸間夾角較小時，分度桿是必要的；當軸間夾角大于11°時，僅靠球形殼和星形套上的子午滾道的交叉也可將鋼球定在正確位置。這種等速萬向節可在兩軸之間的夾角達到35°～37°的情況下工作。以前主要用于轉向驅動橋上，目前應用較少。(2)Birfield型球籠式萬向節Birfield型球籠式萬向節（圖4-8b）取消了分度桿，球形殼和星形套的滾道做得不同心，使其圓心對稱地偏離萬向節中心。這樣，即使軸間夾角為0°，靠內、外子午滾道的交叉也能將鋼球定在正確位置。當軸間夾角為0°時，內、外滾道的橫斷面為橢圓形，接觸點和球心的連線與過球心的徑向線成45°角，橢圓在接觸點處的曲率半徑選為鋼球半徑的1.03～1.05倍。當受載時，鋼球與滾道的接觸點實際上為橢圓形接觸區。這種萬向節允許的工作角可達42°。由于傳遞轉矩時六個鋼球均同時參加工作，其承載能力和耐沖擊能力強，效率高，結構緊湊，安裝方便，應用較為廣泛。但是滾道的制造精度高，成本較高。(2)Birfield型球籠式萬向節圖4-8（b）Birfield型球籠式萬向節

(3)伸縮型球籠式萬向節

伸縮型球籠式萬向節（圖4-8c）結構與一般球籠式相近，僅僅外滾道為直槽。在傳遞轉矩時，星形套與筒形殼可以沿軸向相對移動，故可省去其它萬向傳動裝置的滑動花鍵。這不僅結構簡單，而且由于軸向相對移動是通過鋼球沿內、外滾道滾動實現的，所以與滑動花鍵相比，其滾動阻力小，傳動效率高。這種萬向節允許的工作最大夾角為20°。圖4-8(c)伸縮型球籠式萬向節

圖4-8(c)伸縮型球籠式萬向節

Rzeppa型球籠式萬向節主要應用于轉向驅動橋中，目前應用較少。Birfield型球籠式萬向節和伸縮型球籠式萬向節被廣泛地應用在具有獨立懸架的轉向驅動橋中，在靠近轉向輪一側采用Birfield型萬向節，靠近差速器一側則采用伸縮型球籠式萬向節。伸縮型萬向節還被廣泛地應用到斷開式驅動橋中。四、撓性（柔性）萬向節

撓性萬向節依靠其彈性件的彈性變形來保證在相交兩軸間傳動時不發生機械干涉。彈性件采用橡膠盤、橡膠金屬套筒、鉸接塊、六角形橡膠圈等結構。撓性萬向節是由橡膠件將主被動軸叉交錯連接而成，依靠橡膠件的彈性變形，因彈性件的彈性變形有限，故柔性萬向節適用于兩軸間夾角不大(3°～5°)和微量軸向位移的萬向傳動裝置。如有的汽車發動機與變速器之間、變速器與分動器之間裝有柔性萬向節，以消除制造安裝誤差和車架變形對傳動的影響。撓性萬向節吸收傳動系中的沖擊載荷和衰減扭轉振動，具有結構簡單，無需潤滑等優點。第三節萬向傳動的運動和受力分析

一、單十字軸萬向節傳動

當十字軸萬向節的主動軸與從動軸存在一定夾角α時，主動軸的角速度與從動軸的角速度之間存在如下的關系

（4-1）由于cos是周期為2的周期函數，所以也為同周期的周期函數。當為0、時，達最大值且為；當為/2、3/2時，有最小值且為。因此，當主動軸以等角速度轉動時，從動軸時快時慢，此即為普通十字軸萬向節傳動的不等速性。十字軸萬向節傳動的不等速性可用轉速不均勻系數k來表示

（4-2），這樣有

顯然，當最小時，從動軸上的轉矩為最大；當最大時，從動軸上的轉矩為最小。T1與一定時，T2在其最大值與最小值之間每一轉變化兩次。如不計萬向節的摩擦損失，主動軸轉矩T1和從動軸轉矩T2與各自相應的角速度有關系式（4-3）附加彎曲力偶矩的分析

具有夾角的十字軸萬向節，僅在主動軸驅動轉矩和從動軸反轉矩的作用下是不能平衡的。從萬向節叉與十字軸之間的約束關系分析可知，主動叉對十字軸的作用力偶矩，除主動軸驅動轉矩T1之外，還有作用在主動叉平面的彎曲力偶矩。同理，從動叉對十字軸也作用有從動軸反轉矩T2和作用在從動叉平面的彎曲力偶矩

。在這四個力矩作用下，使十字軸萬向節得以平衡。a)=0，=

b)=/2，=3/2

當主動叉處于0和時位置時（圖4必存在，且矢量垂直于矢量T2；處于/2和3/2位置時-10a），由于T1作用在十字軸平面，為零；而T2的作用平面與十字軸不共平面，必有合矢量+T2指向十字軸平面的法線方向，與T1大小相等、方向相反。這樣，從動叉上的附加彎矩=T1sinα。當主動叉（圖4-10b），同理可知=0，主動叉上的附加彎矩

=T1tanα。

圖4-10十字軸萬向節的力偶矩

分析可知，附加彎矩的大小是在零與上述兩最大值之間變化，其變化周期為，即每一轉變化兩次。

使得從動叉軸支承承受周期性變化的徑向載荷為：為萬向節中心至從動叉軸支承間的距離。此時，萬向節也承受與上述力大小相等、方向相反的力。與此方向相反的反作用力矩則由主動叉軸的支承承受。同樣，使主動叉軸支承承受周期性變化的徑向載荷，萬向節也承受與其大小相等、方向相反的力。在從動軸支承和萬向節上造成大小相等、方向相反的側向載荷為：附加彎矩可引起與萬向節相連接零部件的彎曲振動，在萬向節主從動軸支承上引起周期性變化的徑向載荷，從而激起支承處的振動，使轉動軸產生附加應力和變形從而降低傳動軸的疲勞強度。因此，為了控制附加彎矩，應避免兩軸之間的夾角過大。如果十字軸萬向節的主動叉軸轉速不變，則從動叉軸周期地加速、減速旋轉，產生的慣性力矩為：為從動叉軸旋轉質量的轉動慣量為從動叉軸的角加速度通過對式（4-1）求導得出：可見，當輸入軸轉速很高，且輸入、輸出軸之間夾角較大時，由于從動叉軸旋轉的不均勻加劇所產生的慣性力矩，可能會超過結構許用值，應采取有效方法降低此慣性力矩。二、雙十字軸萬向節傳動

當輸入軸與輸出軸之間存在夾角α時，單個十字軸萬向節的輸出軸相對于輸入軸是不等速旋轉的。為使處于同一平面的輸出軸與輸入軸等速旋轉，可采用雙萬向節傳動，但必須保證同傳動軸相連的兩萬向節叉應布置在同一平面內，且使兩萬向節夾角α1與α2相等（圖4-11）。在雙向萬向節傳動中，直接與輸入軸和輸出軸相連的萬向節叉所受的附加彎矩分別由相應軸的支承反力平衡。當輸入軸與輸出軸平行時（圖4-11a），直接連接傳動軸的兩萬向節叉所受的附加彎矩，使傳動軸發生如圖4-11b中雙點劃線所示的彈性彎曲，從而引起傳動軸的彎曲振動。

當輸入軸與輸出軸相交時（圖4-11c），傳動軸兩端萬向節叉上所受的附加彎矩方向相同，不能彼此平衡，傳動軸發生如圖4-11d中雙點劃線所示的彈性彎曲，因此對兩端的十字軸產生大小相等、方向相反的徑向力。此徑向力作用在滾針軸承碗的底部，并在輸入軸與輸出軸的支承上引起反力。三、多十字軸萬向節傳動

多萬向節傳動的從動叉相對主動叉的轉角差的計算公式與單萬向節相似，可寫成

式中，為多萬向節傳動的當量夾角；為主動叉的相位角；為主動軸轉角。上式(4—7)表明，多萬向節傳動輸出軸與輸入軸的運動關系，如同具有夾角而主動叉具有初相位θ的單萬向節傳動一樣。假如多萬向節傳動的各軸軸線均在同一平面，且各傳動軸兩端萬向節叉平面之間的夾角為0或π／2，則當量夾角為：式中，等為各萬向節的夾角。式中的正負號這樣確定：當第一萬向節的主動叉處在各軸軸線所在的平面內，在其余的萬向節中，如果其從動叉平面與此平面重合定義為正，與此平面垂直定義為負。為使多萬向節傳動的輸出軸與輸入軸等速旋轉，應使萬向節傳動輸出軸與輸入軸的轉角差會引起動力總成支承和懸架彈性元件的振動，還能引起與輸出軸相連齒輪的沖擊和噪聲及駕駛室內的諧振噪聲。因此，在設計多萬向節傳動時，總是希望其當量夾角盡可能小，一般設計時應使空載和滿載兩種工況下的不大于3°。對多萬向節傳動輸出軸的角加速度幅值加以限制。對于乘用車，≤350rad/s2

；對于貨車，≤600rad/s2四、準等速萬向節傳動

以雙聯式萬向節為例分析其運動特性，雙聯式萬向節的運動簡圖如圖4-12所示。它具有兩個擺動中心A、B。當主動軸偏轉角時，其擺動中心A移到，從動軸的擺動中心B移到，擺動中心間的距離保持不變，即，并等于中間架前后萬向節叉孔間的距離。由圖4-12中的并根據正弦定理有：將代人式（4-9）中得（4-9）為了實現等角速傳動，應使代人式（4-10），可得對于結構已確定的雙聯式萬向節，a和b值是確定的，則與只在某一轉角下才能相等，因此雙聯式萬向節在不同轉角下只能實現近似等角速傳動。（4-10）（4-11）五、等速萬向節傳動（自學）

對于帶分度桿的型球籠式萬向節，必須合理地選擇分度桿的結構尺寸（圖4-13），才能實現傳力鋼球位于主、從動軸夾角的平分面上，以滿足等角速傳動的運動學要求。

第四節萬向節的設計計算一、萬向節傳動軸的計算載荷萬向傳動軸因布置位置不同，計算載荷也不同。計算方法主要有三種。一、計算載荷日常平均牽引力計算載荷應用：靜強度計算時，計算載荷TS取TSe1和TSS1（或TSe2和TSS2）較小值進行疲勞壽命計算時，計算載荷TS取TSF1或TSF2二、十字軸萬向節設計

十字軸萬向節的損壞形式主要有十字軸軸頸和滾針軸承的磨損，十字軸軸頸和滾針軸承碗工作表面出現壓痕和剝落。一般情況下，當磨損或壓痕超過0.15mm時，十字軸萬向節便應報廢。十字軸的主要失效形式是軸頸根部處的斷裂，所以在設計十字軸萬向節時，應保證十字軸軸頸有足夠的抗彎強度。設各滾針對十字軸軸頸作用力的合力為F(圖4—14)，則（4-13）

式中，為萬向傳動的計算轉矩，；

r為合力F作用線到十字軸中心之間的距離；

α為萬向傳動的最大夾角。

十字軸軸頸根部的彎曲應力和切向力應滿足

（4-14）（4-15）

為十字軸軸頸直徑（mm）；為十字軸油道孔直徑（mm）；s為合力F作用線到軸頸根部的距離（mm）；為彎曲應力的許用值，為250~350MPa;為切應力的許用值，為80~120MPa

十字軸滾針軸承中的滾針直徑一般不小于1.6mm,以免壓碎，而且尺寸差別要小，否則會加重載荷在滾針間分配的不均勻性，公差帶控制在0.003mm以內。

滾針軸承徑向間隙過大時，承受載荷的滾針數減少，有出現滾針卡住的可能性；而間隙過小時，有可能出現受熱卡住或因臟物阻滯卡住，合適的間隙為0.009～0.095mm，滾針軸承的周向總間隙以0.08～0.30mm為好。

滾針的長度一般不超過軸頸的長度，使其既有較高的承載能力，又不致因滾針過長發生歪斜而造成應力集中。滾針在軸向的游隙一般不應超過0.2～0.4mm。

為滾針直徑(mm)，為滾針工作長度(mm),,L為滾針總長度(mm)，為合力F作用下一個滾針所受的最大載荷(N)，由下式確定(4-17)i為滾針列數，z為每列中的滾針數十字軸滾針軸承的接觸應力為（4-16）

當滾針和十字軸軸頸表面硬度在58HRC以上時，許用接觸應力為3000～3200MPa。萬向節叉與十字軸組成連接支承。在力F作用下產生支承反力，與十字軸軸孔中心線成45°的B—B截面處，萬向節叉承受彎曲和扭轉載荷，其彎曲應力和扭轉應力應滿足（4-18）（4-19）

分別為界面B-B處的抗彎截面系數和抗扭截面系數，矩形截面：；橢圓形截面：；h、b分別為矩形截面的高和寬或橢圓形截面的長軸和短軸；k是與h/b有關的系數，按表4-3選取；e、a如圖4-14所示；彎曲應力的許用值為50~80MPa,扭應力的許用值為80~160MPa.

十字軸萬向節的傳動效率與兩軸的軸間角、十字軸支承結構和材料、加工和裝配精度以潤滑條件等有關。當≤25°時可按下式計算

為十字軸萬向節傳動效率；f為軸頸與萬向節叉的摩擦因數，滑動軸承：f=0.15~0.20,滾針軸f=0.05~0.10。其他符號意義同前。通常情況下，十字軸萬向節傳動效率約為97％～99％。

十字軸常用材料為20CrMnTi、20Cr、20MnVB等低碳合金鋼，軸頸表面進行滲碳淬火處理，滲碳層深度為0.8～1.2mm，表面硬度為58～64HRC，軸頸端面硬度不低于55HRC，芯部硬度為33～48HRC。萬向節叉一般采用40或45中碳鋼，調質處理，硬度為18～33HRC，滾針軸承碗材料一般采用GCrl5。三、球籠式萬向節設計

球籠式萬向節的失效形式主要是鋼球與接觸滾道表面的疲勞點蝕。在特殊情況下，因熱處理不妥、潤滑不良或溫度過高等，也會造成磨損而損壞。由于星形套滾道接觸點的縱向曲率半徑小于外半軸滾道的縱向曲率半徑，所以前者上的接觸橢圓比后者上的要小，即前者的接觸應力大于后者。因此，應控制鋼球與星形套滾道表面的接觸應力，并以此來確定萬向節的承載能力。不過，由于影響接觸應力的因素較多，計算較復雜，目前還沒有統一的計算方法。

假定球籠式萬向節在傳遞轉矩時六個傳力鋼球均勻受載，則鋼球的直徑可按下式確定（4-21）式中，d為傳力鋼球直徑(mm)；為萬向節的計算轉矩(N·mm)，。計算所得的鋼球直徑應圓整并取最接近標準的直徑。鋼球的標準直徑可參考GB7549—87。當球籠式萬向節中鋼球的直徑d確定后，其中的球籠、星形套等零件及有關結構尺寸可參見圖4—15，并按如下關系確定：鋼球中心分布圓半徑R=1.71d

星形套寬度B=1.8d

球籠寬度B1=1.8d1、Rzeppa型球籠式萬向節設計星形套滾道底徑D1=2.5d萬向節外徑D=4.9d球籠厚度b=0.185d球籠槽寬度b1=d球籠槽長度L=(1.33～1.80)d(普通型取下限，長型取上限)滾道中心偏移距h=0.18d軸頸直徑d'≥1.4d星形套花鍵外徑D2≥1.55d球形殼外滾道長度L1=2.4d中心偏移角δ≥6°2、Birfield型球籠萬向節設計

對于Birfield型球籠萬向節，以與星形套連接軸的直徑（mm）作為萬向節的基本尺寸，即

為萬向節的計算轉矩(N.mm)

，；為使用因素，對于無振動的理想傳動取1.0，有輕微振動的取1.2~1.5，有中等振動的取1.7~2.0，振動十分嚴重的取2.7~3.6

Birfield型球籠萬向節的其他尺寸可根據基本尺寸查表4-4確定。球形殼和星形套采用15NiMo制造，并經滲碳、淬火、回火處理；選用軸承用鋼球，材料為GCr15。四、撓性萬向節設計

盤式撓性萬向節中橡膠盤的拉應力和擠應力應滿足（4-23）（4-24）

為萬向節靜強度計算用轉矩(N·mm)

，i為一個萬向節叉上的螺栓數，R為橡膠盤的平均半徑(mm);R1、R2為橡膠盤的外半徑和內半徑，b為橡膠盤的厚度(mm);

d0為螺栓孔的直徑，許用拉應力；MPa許用擠壓應力MPa第五節傳動軸結構分析與設計傳動軸總成主要由傳動軸及其兩端焊接的花鍵和萬向節叉組成。傳動軸中一般設有由滑動叉和花鍵軸組成的滑動花鍵，以實現傳動長度的變化。

傳動軸在工作時，其長度和夾角是在一定范圍變化的。設計時應保證在傳動軸長度處在最大值時，花鍵套與軸有足夠的配合長度；而在長度處在最小時不頂死。傳動軸夾角的大小直接影響到萬向節的壽命、萬向傳動的效率和十字軸旋轉的不均勻性。式中，Lc為傳動軸長度（mm），即兩萬向節中心之間的距離；dc和Dc分別為傳動軸軸管的內、外徑（mm）。（4-26）

在長度一定時，傳動軸斷面尺寸的選擇應保證傳動軸有足夠的強度和足夠高的臨界轉速。所謂臨界轉速，就是當傳動軸的工作轉速接近于其彎曲固有振動頻率時，即出現共振現象，以致振幅急劇增加而引起傳動軸折斷時的轉速。傳動軸的臨界轉速nk

（r/min）為

在設計傳動軸時，取安全系數K=nk/nmax=1.2～2.0，K=1.2用于精確動平衡、高精度的伸縮花鍵及萬向節間隙比較小時，nmax為傳動軸的最高轉速（r/min）。（4-5）式中，[]為許用扭轉切應力，為300Mpa；其余符號同前。

傳動軸軸管斷面尺寸除滿足臨界轉速的要求外，還應保證有足夠的扭轉強度。軸管的扭轉切應力應滿足當傳動軸長度超過1.5m時，為了提高nk以及總布置上的考慮，常將傳動軸斷開成兩根或三根，萬向節用三個或四個，而在中間傳動軸上加設中間支承。

對于傳動軸上的花鍵軸，通常以底徑計算其扭轉切力(MPa)，許用切應力一般按安全系數為2～3確定，即(4-28)

式中，T1為傳動軸的計算轉矩（N.mm

）dh花鍵軸的花鍵內徑（mm）

。

當傳動軸花鍵的齒側擠壓應力(MPa)應滿足：

式中，為傳動軸的計算轉矩(N·mm)