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十字軸式萬向傳動軸的原理及其結(jié)構(gòu) 十字軸式萬向傳動軸是應(yīng)用于兩相交軸或兩平行軸之間的動力或運動的傳遞裝置。由于它結(jié)柯簡單、運行可靠、使用維護方便而被廣泛應(yīng)用于各類機械傳動中。如：交通運輸，建筑工程．冶金礦山、軋鋼以及軍工器械等。其傳避的扭矩小至幾Nm，大到幾百kNm，它的結(jié)構(gòu)也從單接頭，雙接頭發(fā)展到多根聯(lián)接的萬向傳動鏈。 圖1是常見的雙接頭萬向傳動軸屬于剛性非等速率傳橢十字軸式萬向傳動軸。 使用于不同場臺的傳動軸，其結(jié)構(gòu)型式和技術(shù)性能要求也有所不同。準確、臺理地選用和維護傳動軸，對保證機槭穩(wěn)定、可靠地運行以及延長其使用壽命十分重要。 一、傳動軸的運動特性 一套完整的傳動軸是由不同數(shù)量的萬向節(jié)以不同的聯(lián)接方式組合而成。 1、單接頭萬向節(jié)的運動特性 圖2是單接頭萬向傳動軸的原理圖。它由兩個分別與主動軸和從動軸相連接的叉頭與一個軸承組成，兩軸成一定的角度β相交。Β稱為輸入或輸出軸的軸間折角。 由圖2可以看到，當主動軸旋轉(zhuǎn)一周時，從動軸也旋轉(zhuǎn)一周，因而它們的旋轉(zhuǎn)周數(shù)始終相等，即傳動比始終等于1。但是，當我們觀察其瞬時傳動情況時會發(fā)現(xiàn)，由于軸間折角的存在，它的傳動比是變化的，即當主動軸以角速度ω1勻速轉(zhuǎn)動時，從動軸由于叉子所處的位置不同而以ω2轉(zhuǎn)動，并且隨著叉子角位移φ1的變化而變化： 角速度的差異必然出現(xiàn)二軸轉(zhuǎn)角的差異 圖3為單接頭萬向軸的運動特性描述，從圖中我們可以得出如下結(jié)論： 圖1 雙接頭萬向傳動軸 （1）由于軸f可折角的存在(β≠0，其瞬時的傳動比發(fā)生變化(i≠1），并以輸人軸轉(zhuǎn)角的π為周期交替變化，表明輸入、輸出軸之間為等周數(shù)而非等速率傳動。 （2）軸間折角越大，瞬時傳動比變化也越大，當軸間折角趨于9O時，傳動比趨于零，表明機構(gòu)將會卡死， 不能傳動。 （3）角位移差的存在，表明輸入、輸出軸之間出現(xiàn)異相，從而產(chǎn)生傳動誤差，降低了兩軸間的傳動精度。 （4）從動軸角速度的變化，必產(chǎn)生角加速度，由此系統(tǒng)的附加慣性矩引起沖擊和振動，從而影響傳動效率，降低機械及傳莉軸的使用壽命。 （5）結(jié)構(gòu)上的對稱性，可以實現(xiàn)逆向傳動。 2、雙接頭萬向節(jié)和雙聯(lián)接萬向節(jié)的運動特性 圖4所示是按下列條件組合兩個單接頭萬向節(jié)而形成的雙接頭十字軸式萬向傳動軸的結(jié)構(gòu)。其組合條件是軸同折角必須相等β1=β2；中間聯(lián)接軸兩端叉頭的軸承孔中心必須處在同一平面內(nèi)； 主，從動軸和中間聯(lián)接軸的軸線必須處在同一平面內(nèi)。 由圖4我們可以看到．雙接頭萬向軸與單接頭萬向軸在運動特性上的區(qū)別： （1）傳動過程中兩個萬向節(jié)的不等速性互補，正好實現(xiàn)主、從動軸之間的等速率傳動，即ω1=ω2； （2）中間聯(lián)接軸仍然具有不等角速度轉(zhuǎn)動的特點。因而，上述的組合條件稱為十字軸式萬向傳動軸的等速條件。圖5是按等速條件組成的雙聯(lián)中心球節(jié)十字軸式萬向傳動軸。 圖2 單接頭萬向節(jié)的原理 圖3 單接頭萬向傳動軸的運動特性 圖4 雙接頭萬向傳動軸結(jié)構(gòu)示意圖 圖5 雙聯(lián)中心球節(jié)十字萬向軸 二、傳動軸的主要參數(shù)與確定 1、扭矩 扭矩是表明傳動軸傳遞能力的重要參數(shù)，按不同的定義，在設(shè)計過程中．可以分為如下幾種： 設(shè)計扭矩Md：是根據(jù)傳動軸的十字軸和軸承的承載能力經(jīng)計算得出的，通常也稱樣本扭矩。 極限扭矩ML：是傳動軸在折角為零的狀態(tài)下，發(fā)生破壞的最大靜扭極限。 最大扭矩Mm：是傳動軸在不產(chǎn)生永久變形的情況下所能傳遞的最大扭矩。 疲勞扭矩Mdw：是傳動軸在一定的壽命要求下所能承受的持續(xù)交變載荷的能力。 它們的關(guān)系需符臺：ML>Mm>Md>Mdw 在實際應(yīng)用中，傳動軸的實際工作扭矩受多方面因素的影響．如結(jié)構(gòu)性因素(動力機類型、折角大小等)，工況性因素(沖擊、振動等)。通常按下列方式來確定傳動軸的工作扭矩： M=MnK1K2＜Md 式中：Mn為需要傳遞的名義扭矩；K1為結(jié)構(gòu)性系數(shù)l～5，當動力機為電動機時，壽命要求小于5000h，折角為3時，K1=1；K2為工況系數(shù)，輕微沖擊時取K2=1.1～1.5，中等沖擊時取1.5～2，重型沖擊時取2～3，趕重型沖擊時取3～6。 2、傳動軸折角 傳動軸運行的平穩(wěn)性取決于傳動軸的折角、轉(zhuǎn)動速度和中間聯(lián)接軸的慣量等因素。在通常情況下，以一定的速度來限定傳動軸的折角以確保傳動軸的運行較為平穩(wěn)，保證一定的使用壽命，特性值計算如下： D=nβ<[D] 式中：n一一傳動軸轉(zhuǎn)速．r/min β一一傳動軸折角，[] [D]—— 許用特性值，[]r/min 在實際應(yīng)用中最大的折角控制在≤35為佳。 特別指出的是對大扭矩、高轉(zhuǎn)速條件下運行的傳動軸，其雙接頭傳動軸中輸入、輸出軸折角的差異應(yīng)有所限制，一般不得大于1～1.5否則，對傳動軸的運行和壽命將產(chǎn)生很大影響。 3、傳動軸的轉(zhuǎn)速 除了短而剛性大的傳動軸以外，對一般具有一定長度而且轉(zhuǎn)速較高的軸，除了考慮其運行的平穩(wěn)性以外，我們還必須考慮其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性。事實上，一根軸的轉(zhuǎn)速達到與軸的橫向自振角頻率相同時，軸的運轉(zhuǎn)出現(xiàn)不平穩(wěn)、變形和振動，即所謂的臨界轉(zhuǎn)速。同時，由于軸存在結(jié)構(gòu)、制造、安裝等誤差，不可能處于絕對平衡。不平衡外力加速了運轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定，使臨界轉(zhuǎn)速趨于下降。 因而，在實際確定軸的轉(zhuǎn)速時，規(guī)定軸的最高許用轉(zhuǎn)速不得超過臨界轉(zhuǎn)速的80%，在雙接頭萬向傳動軸的設(shè)計和制造過程中。一方面考慮采用較大直徑的薄璧軸管怍為中間聯(lián)接軸，另一方面，盡量減少軸的不平衡量，以提高其臨界轉(zhuǎn)速和減少運動的干擾力。 當轉(zhuǎn)速高于500～1000r/min時，傳動軸需要進行動平衡處理。常用的平衡品質(zhì)等級有G16和G40兩種。 4、傳動軸長度 傳動軸的長度取決于輸入、輸出裝置之間的距離以及折角變動所需的伸輔長度。固而萬向軸的實際工作長度是變動的。傳動軸的最佳工作長度以取其最大值與最小值之中間值為適宜。 三、傳動軸的結(jié)構(gòu)與布置 傳動軸的組合和布置根據(jù)不同的使用要求可以有多種多樣?，F(xiàn)只介紹目前常用的雙接頭萬向傳動軸的結(jié)構(gòu)及其組合和布置形式。 1、萬向軸的結(jié)構(gòu) 圖6為常用的雙接頭萬向傳動軸的結(jié)構(gòu)系列。 A系列：適用于輸入、輸出單元之間距離較長，且有伸縮要求（或折角變動）的場合。 B系列：適用于輸入、輸出單元之間距離較短，但有伸縮要求（或折角變動）的場合。 C系列：適用于輸入、輸出單元之間距離較短，無伸縮要求（或折角變動）的場合。 D系列：適用于輸入、輸出單元之間距離較短，而且也無伸縮要求(或折角變動)的場合。 根據(jù)需要可以將四種不同型式進行組合，形成多級萬向軸傳動鏈。 以A系列為例，對其結(jié)構(gòu)作介紹。 （1）十字軸總成：它由十字軸3、滾針5、油封4、軸承碗1、滑脂嘴2組戚，如圖7。十字軸總成是傳動軸的關(guān)鍵部件，通常采用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件，經(jīng)多種熱處理、機加工制成。它所具備的高硬度、耐磨和高強度的特性，是保證萬向節(jié)的扭矩傳遞和工作壽命的基礎(chǔ)。為保證在長期不同環(huán)境卞工作，在設(shè)計制作上采用了不同形式的密封結(jié)構(gòu)和軸承滾動體的布置。同時，為便于維護，延長使用壽命，設(shè)置了四端相通的潤滑脂油道，保證工作部位能得到充分的潤滑。 （2）固定節(jié)：它由突緣叉（與輸入或輸出軸相聯(lián)接），十字軸總成和萬向節(jié)叉（與中間軸管相聯(lián)接）組成，如圖8。因在工作過程中，它不能改變相應(yīng)的相向距離只作萬向轉(zhuǎn)動，因而稱之謂固定節(jié)。其中的Lm是決定其折角的中心高度。折角要求越大，Lm越大，設(shè)計、制造的難度也越大，一般的折角在5～35范圍內(nèi)。結(jié)構(gòu)如圖9所示。事實上它是由一個固定節(jié)和一對伸縮偶件組合而成。伸縮偶件是根據(jù)安裝尺寸要求及傳動軸的扭矩所確定的。常用的結(jié)構(gòu)采用花鍵形式。對轉(zhuǎn)速較高、扭矩較小的傳動軸選用漸開線花鍵，必要時在花鍵上進行涂塑處理，增加配合精度和耐磨性。對低速大扭矩傳動軸通常采用矩形花鍵。 （3）聯(lián)接軸管：高速運行的傳動軸所采用的聯(lián)接軸管均為專用的傳動軸軸管，要求薄壁、均質(zhì)分布，以減輕其慣量，提高其臨界轉(zhuǎn)速。對某些特別要求，在設(shè)計、制造上作特別處理。對大扭矩、低轉(zhuǎn)速傳動軸，要求采用無縫鋼管制作。 2、布置形式 不同的安裝使用要求，可以采用不同的組合和布置。圖1O為單根雙接頭萬向軸的兩種布置形式。 在某些場合，由于機械結(jié)構(gòu)或安裝的位置關(guān)系，常采用多根聯(lián)接的傳動軸，如圖11. 圖6 雙接頭萬向傳動軸結(jié)構(gòu)系列 圖7 十字軸總成 圖8 固定節(jié)結(jié)構(gòu) 圖9 滑動節(jié)結(jié)構(gòu) 圖10 雙接頭萬向軸的布置形式 圖11 多根傳動軸聯(lián)接