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万向轴  

万向轴的作用和应用


所谓万向轴,指的是利用球型连接实现不同轴的动力传送的机械结构。
万向轴,是汽车上有一个很重要的部件。
万向轴与传动轴组合,称为万向轴传动装置。在前置发动机后轮驱动的车辆上,万向轴传动装置安装在变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间;而前置发动机前轮驱动的车辆省略了传动轴,万向轴安装在既负责驱动又负责转向的前桥半轴与车轮之间。
万向轴配合 (Universal Joint Mate)
在万向轴配合中,一个零部件(输出轴)绕自身轴的旋转是由另一个零部件(输入轴)绕其轴的旋转驱动的。
万向轴即万向接头,英文名称universal joint,是实现变角度动力传递的机件,用于需要改变传动轴线方向的位置,它是汽车驱动系统的万向传动装置的 “关节”部件。万向轴与传动轴组合,称为万向轴传动装置。
万向轴的结构和作用有点象人体四肢上的关节,它允许被连接的零件之间的夹角在一定范围内变化。为满足动力传递、适应转向和汽车运行时所产生的上下跳动所造成的角度变化,前驱动汽车的驱动桥,半轴与轮轴之间常用万向轴相连。但由于受轴向尺寸的限制,要求偏角又比较大,单个的万向轴不能使输出轴与轴入轴的瞬时角速度相等,容易造成振动,加剧机件的损坏,产生很大的噪音,所以广泛采用各式各样的等速万向轴。在前驱动汽车上,每个半轴用两个等速万向轴,靠近变速驱动桥的万向轴是半轴内侧万向轴,靠近车轴的是半轴外侧万向轴。在后驱动汽车上,发动机、离合器与变速器作为一个整体安装在车架上,而驱动桥通过弹性悬挂与车架连接,两者之间有一个距离,需要进行连接。汽车运行中路面不平产生跳动,负荷变化或者两个总成安装的位差等,都会使得变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间的夹角和距离发生变化,因此在后驱动汽车的万向轴传动形式都采用双万向轴,就是传动轴两端各有一个万向轴,其作用是使传动轴两端的夹角相等,保证输出轴与轴入轴的瞬时角速度始终相等。
等速万向轴的英文名称是constant velocity universal joint,我想这不多不少会是大家将CVD和万向轴相混淆的原因吧。
(1)万向轴的分类
按万向轴在扭转方向上是否有明显的弹性可分为刚性万向轴和挠性万向轴。刚性万向轴又可分为不等速万向轴(常用的为十字轴式)、准等速万向轴(如双联式万向轴)和等速万向轴(如球笼式万向轴)三种。
(2)不等速万向轴
十字轴式刚性万向轴为汽车上广泛使用的不等速万向轴,允许相邻两轴的最大交角为15゜~20゜。下图所示的十字轴式万向轴由一个十字轴,两个万向轴叉和四个滚针轴承等组成。两万向轴叉1和3上的孔分别套在十字轴2的两对轴颈上。这样当主动轴转动时,从动轴既可随之转动,又可绕十字轴中心在任意方向摆动,这样就适应了夹角和距离同时变化的需要。在十字轴轴颈和万向轴叉孔间装有滚针轴承5,滚针轴承外圈靠卡环轴向定位。为了润滑轴承,十字轴上一般安有注油嘴并有油路通向轴颈。润滑油可从注油嘴注到十字轴轴颈的滚针轴承处。
十字轴式刚性万向轴具有结构简单,传动效率高的优点,但在两轴夹角α不为零的情况下,不能传递等角速转动。
当满足以下两个条件时,可以实现由变速器的输出轴到驱动桥的输入轴的等角速传动:
1)传动轴两端万向轴叉处于同一平面内;
2)第一万向轴两轴间夹角α1与第二万向轴两轴间夹角α2相等。
因为在行驶时,驱动桥要相对于变速器跳动,不可能在任何时候都有α1=α2,实际上只能做到变速器到驱动桥的近似等速传动。
在以上传动装置中,轴间交角α越大,传动轴的转动越不均匀,产生的附加交变载荷也越大,对机件使用寿命越不利,还会降低传动效率,所以在总体布置上应尽量减小这些轴间交角。
(3)准等速万向轴
常见的准等速万向轴有双联式和三销轴式两种,它们的工作原理与双十字轴式万向轴实现等速传动的原理是一样的。
双联式万向轴实际上是一套将传动轴长度减缩至最小的双十字轴式万向轴等速传动装置,双联叉相当于传动轴及两端处在同一平面上的万向轴叉。在当输出轴与输入轴的交角较小时,处在圆弧上的两轴轴线交点离上述中垂线很近,使得α1与α2 的差很小,能使两轴角速度接近相等,所以称双联式万向轴为准等速万向轴。
(4)等速万向轴
目前轿车上常用的等速万向轴为球笼式万向轴,也有采用球叉式万向轴或自由三枢轴万向轴的。
球笼式万向轴的结构见下图。星形套7以内花键与主动轴1相连,其外表面有六条弧形凹槽,形成内滚道。球形壳8的内表面有相应的六条弧形凹槽,形成外滚道。六个钢球6分别装在由六组内外滚道所对出的空间里,并被保持架4限定在同一个平面内。动力由主动轴1(及星形套)经钢球6传到球形壳8输出。


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