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十字軸式萬向傳動(dòng)軸的原理及其結(jié)構(gòu) 十字軸式萬向傳動(dòng)軸是應(yīng)用于兩相交軸或兩平行軸之間的動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)的傳遞裝置。由于它結(jié)柯簡單、運(yùn)行可靠、使用維護(hù)方便而被廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械傳動(dòng)中。如：交通運(yùn)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(dòng)鏈。 圖1是常見的雙接頭萬向傳動(dòng)軸屬于剛性非等速率傳橢十字軸式萬向傳動(dòng)軸。 使用于不同場臺的傳動(dòng)軸，其結(jié)構(gòu)型式和技術(shù)性能要求也有所不同。準(zhǔn)確、臺理地選用和維護(hù)傳動(dòng)軸，對保證機(jī)槭穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行以及延長其使用壽命十分重要。 一、傳動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)特性 一套完整的傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)特性 圖2是單接頭萬向傳動(dòng)軸的原理圖。它由兩個(gè)分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸相連接的叉頭與一個(gè)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(dāng)主動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，從動(dòng)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(dòng)比始終等于1。但是，當(dāng)我們觀察其瞬時(shí)傳動(dòng)情況時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，由于軸間折角的存在，它的傳動(dòng)比是變化的，即當(dāng)主動(dòng)軸以角速度ω1勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，從動(dòng)軸由于叉子所處的位置不同而以ω2轉(zhuǎn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(dòng)軸 （1）由于軸f可折角的存在(β≠0，其瞬時(shí)的傳動(dòng)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(dòng)。 （2）軸間折角越大，瞬時(shí)傳動(dòng)比變化也越大，當(dāng)軸間折角趨于9O時(shí)，傳動(dòng)比趨于零，表明機(jī)構(gòu)將會(huì)卡死， 不能傳動(dòng)。 （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(dòng)誤差，降低了兩軸間的傳動(dòng)精度。 （4）從動(dòng)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(dòng)，從而影響傳動(dòng)效率，降低機(jī)械及傳莉軸的使用壽命。 （5）結(jié)構(gòu)上的對稱性，可以實(shí)現(xiàn)逆向傳動(dòng)。 2、雙接頭萬向節(jié)和雙聯(lián)接萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)特性 圖4所示是按下列條件組合兩個(gè)單接頭萬向節(jié)而形成的雙接頭十字軸式萬向傳動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)特性上的區(qū)別： （1）傳動(dòng)過程中兩個(gè)萬向節(jié)的不等速性互補(bǔ)，正好實(shí)現(xiàn)主、從動(dòng)軸之間的等速率傳動(dòng)，即ω1=ω2； （2）中間聯(lián)接軸仍然具有不等角速度轉(zhuǎn)動(dòng)的特點(diǎn)。因而，上述的組合條件稱為十字軸式萬向傳動(dòng)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(dòng)軸。 圖2 單接頭萬向節(jié)的原理 圖3 單接頭萬向傳動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)特性 圖4 雙接頭萬向傳動(dòng)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(dòng)軸的主要參數(shù)與確定 1、扭矩 扭矩是表明傳動(dòng)軸傳遞能力的重要參數(shù)，按不同的定義，在設(shè)計(jì)過程中．可以分為如下幾種： 設(shè)計(jì)扭矩Md：是根據(jù)傳動(dòng)軸的十字軸和軸承的承載能力經(jīng)計(jì)算得出的，通常也稱樣本扭矩。 極限扭矩ML：是傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)際應(yīng)用中，傳動(dòng)軸的實(shí)際工作扭矩受多方面因素的影響．如結(jié)構(gòu)性因素(動(dòng)力機(jī)類型、折角大小等)，工況性因素(沖擊、振動(dòng)等)。通常按下列方式來確定傳動(dòng)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(dāng)動(dòng)力機(jī)為電動(dòng)機(jī)時(shí)，壽命要求小于5000h，折角為3時(shí)，K1=1；K2為工況系數(shù)，輕微沖擊時(shí)取K2=1.1～1.5，中等沖擊時(shí)取1.5～2，重型沖擊時(shí)取2～3，趕重型沖擊時(shí)取3～6。 2、傳動(dòng)軸折角 傳動(dòng)軸運(yùn)行的平穩(wěn)性取決于傳動(dòng)軸的折角、轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)軸的折角以確保傳動(dòng)軸的運(yùn)行較為平穩(wěn)，保證一定的使用壽命，特性值計(jì)算如下： D=nβ<[D] 式中：n一一傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速．r/min β一一傳動(dòng)軸折角，[] [D]—— 許用特性值，[]r/min 在實(shí)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(yùn)行的傳動(dòng)軸，其雙接頭傳動(dòng)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(dòng)軸的運(yùn)行和壽命將產(chǎn)生很大影響。 3、傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速 除了短而剛性大的傳動(dòng)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(yùn)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(shí)上，一根軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到與軸的橫向自振角頻率相同時(shí)，軸的運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)不平穩(wěn)、變形和振動(dòng)，即所謂的臨界轉(zhuǎn)速。同時(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定，使臨界轉(zhuǎn)速趨于下降。 因而，在實(shí)際確定軸的轉(zhuǎn)速時(shí)，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(dòng)軸的設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)的干擾力。 當(dāng)轉(zhuǎn)速高于500～1000r/min時(shí)，傳動(dòng)軸需要進(jìn)行動(dòng)平衡處理。常用的平衡品質(zhì)等級有G16和G40兩種。 4、傳動(dòng)軸長度 傳動(dòng)軸的長度取決于輸入、輸出裝置之間的距離以及折角變動(dòng)所需的伸輔長度。固而萬向軸的實(shí)際工作長度是變動(dòng)的。傳動(dòng)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(dòng)軸的結(jié)構(gòu)與布置 傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)）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(dòng)）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(dòng)）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(dòng))的場合。 根據(jù)需要可以將四種不同型式進(jìn)行組合，形成多級萬向軸傳動(dòng)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(dòng)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(jī)加工制成。它所具備的高硬度、耐磨和高強(qiáng)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(jì)制作上采用了不同形式的密封結(jié)構(gòu)和軸承滾動(dòng)體的布置。同時(shí)，為便于維護(hù)，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(dòng)，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(jì)、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(shí)上它是由一個(gè)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(dòng)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(dòng)軸選用漸開線花鍵，必要時(shí)在花鍵上進(jìn)行涂塑處理，增加配合精度和耐磨性。對低速大扭矩傳動(dòng)軸通常采用矩形花鍵。 （3）聯(lián)接軸管：高速運(yùn)行的傳動(dòng)軸所采用的聯(lián)接軸管均為專用的傳動(dòng)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(jì)、制造上作特別處理。對大扭矩、低轉(zhuǎn)速傳動(dòng)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(jī)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(dòng)軸，如圖11. 圖6 雙接頭萬向傳動(dòng)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(dòng)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(dòng)軸聯(lián)接