4.1 万向传动装置构造

万向传动装置主要由万向节和传动轴等组成，如图4.2所示。由于发动机与驱动装置之间的位置关系，有时需要将传动轴分成两段，在中部还加装中间支承。

4.1.1 万向节

万向节按其扭转方向上是否有明显的弹性分为刚性万向节和挠性万向节。前者是靠零件的铰链式连接来传递动力的，而后者是靠弹性零件来传递动力，且有缓冲减振作用。

汽车上采用刚性万向节较多，刚性万向节按其速度特性又分为不等速万向节、准等速万向节和等速万向节。汽车上采用不等速万向节有十字轴式，准等速万向节有三销轴式、双联式等，等速万向节有球叉式、球笼式等。不等速万向节主要用在发动机前置、后轮驱动的变速器和驱动桥之间。前轮驱动汽车普遍使用等速万向节。发动机后置、后轮驱动的汽车也使用等速万向节。若驱动桥为独立悬架，半轴外侧也用等速万向节。

1．十字轴式刚性万向节

1）结构组成

图4.3所示为解放CA1092型汽车十字轴式刚性万向节，主要由万向节叉2和6、十字轴4及轴承等组成。两个万向节叉轴分别与主、从动轴相连，其叉形上的孔分别活套在十字轴的两对轴颈上。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。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，然后用螺钉和轴承盖1将套筒固定在万向节叉上，并用锁片将螺钉锁紧。

为了润滑轴承，十字轴内钻有互相贯通的油道，油道与润滑脂嘴3及安全阀5相通。十字轴端面上制有凹槽，使从油嘴注入的润滑脂能通过该槽到达滚针轴承的工作表面上。为避免润滑脂流出及尘垢进入轴承，十字轴轴颈的内端套装有带金属壳的毛毡油封7。当十字轴内腔润滑脂压力超过允许值时，安全阀5打开，润滑脂外溢，使油封不会因油压过高而损坏。现代汽车多采用橡胶油封，其密封性能好，多余的润滑脂从油封与轴颈配合面溢出，故无须安装安全阀。

为了防止滚针轴承在离心力作用下从万向节叉内脱出，轴承应进行轴向定位。常见的定位方式除上述盖板式外，还有采用内、外挡圈固定式两种，内挡圈固定式如图4.4所示，外挡圈固定式如图4.5所示，其特点是结构简单、工作可靠。

2）速度特性

当十字轴式刚性万向节的主动叉是等角速转动，而从动叉是不等角速转动时，其变化情况可用图4.6所示来分析。设主动叉轴1以等角速ω1旋转，两叉轴夹角为α。

当主动叉轴1转至图4.6（a）所示位置，即主动叉处于垂直位置，并且十字轴平面与主动叉轴1相垂直时，十字轴3上A点的瞬时线速度可以从主动叉轴1和从动叉轴2两个方面求出：

υA=ω1r=ω2rcosα

ω2=ω1/cosα

此时ω2＞ω1。

当主动叉轴1转过90°至图4.6（b）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，十字轴上B点的瞬时线速度也可以从主动叉轴1和从动叉轴2两个方面求出：

υB=ω1rcosα=ω2r ω2=ω1cosα

此时ω2＜ω1。

由上述两个特殊情况的分析可以看出，对于十字轴式刚性万向节来说，当主动叉轴1以等角速转动时，从动叉轴2是不等角速的：从图4.6（a）转到图4.6（b）位置，从动叉轴2的角速度由最大值ω1/cosα变至最小值ω1cosα；主动叉轴1再转90°，从动叉轴2的角速度又由最小值变至最大值。可见从动叉轴角速度变化的周期为180°，即在一圈内有两快两慢。显然，从动轴2不等速程度是随轴间夹角α的加大而加大的，而主、从动叉轴的平均转速是相等的，即主动轴转一圈，从动轴也转一圈。

单个十字轴式刚性万向节传动的不等速性，将使从动轴及与其相连的传动部件产生扭转振动，从而产生附加的交变载荷，影响部件使用寿命。所谓“传动的不等速性”是就从动轴在转动一周内其角速度不均匀而言。

从以上分析可以想到，若采用两个十字轴式刚性万向节，且在中间以传动轴相连接，利用第二个万向节的不等速效应抵消第一个万向节的不等速效应，从而实现两轴间的等速传动。从运动学的原理分析可知，要达到这一目的，同时还必须满足以下两个条件：

（1）第一个万向节的从动叉和第二个万向节的主动叉与传动轴相连，且传动轴两端的万向节叉处于同一平面内；

（2）第一个万向节两轴之间的夹角α1与第二个万向节两轴之间的夹角α2相等。

第一个条件可以通过正确装配传动轴和万向节给以保证，而后一个条件α1=α2，只有在驱动桥采用独立悬架时才有可能通过整车的总体布置来实现，因为变速器与主减速器的相对位置是固定的。若驱动桥采用非独立悬架，由于弹性悬架的振动，主减速器输入轴与变速器输出轴的相对位置不断变化，不可能在任何情况下都保证α1=α2。此时万向传动装置只能做到使传动的不等速性尽可能小。

双万向节等速传动有两种排列方式：①平行排列，如图4.7（a）所示；②等腰三角形排列，如图4.7（b）所示。必须说明，所谓等速传动是就传动轴两端的输入轴1和输出轴3而言。对于传动轴2来说，只要夹角不为0，它就不等角速转动，与万向节、传动轴的排列方式无关。

当传动距离较远，采用两个以上十字轴式刚性万向节时，实现等速传动的布置原则将在后面传动轴中叙述。

十字轴式刚性万向节结构简单、工作可靠，允许在轴间夹角为15°～20°的两轴之间传递动力，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应用最为广泛，其缺点是十字轴轴颈和滚针轴承润滑不良，易于磨损松旷，使传动发响、抖动。

2．准等速万向节

在转向驱动桥和断开式驱动桥中，由于分段半轴在布置上受轴向尺寸限制，而且转向轮要求偏转角度较大，一般在30°～40°，并要等速或接近等速传动，刚性十字轴双万向节传动已难以适应，故在转向驱动桥及断开式驱动桥中广泛采用各种型式的准等速万向节和等速万向节。

准等速万向节实际上是根据上述双万向节实现等速传动的原理设计而成的，只能近似地实现等速传动，所以称为准等速万向节。常见的有三销轴式、双联式和凸块式等。

1）双联式万向节

双联式万向节实际上是一套传动轴长度减缩至最小的双万向节等速传动装置，如图4.8所示。双联叉3相当于处于同一平面上的两个万向节叉及传动轴。欲使轴1和轴2的角速度相等，应保证两轴间的夹角相等，即α1=α2。因此，有的双联式万向节的结构中装有分度机构，以使双联叉3的轴线平分所连两轴的夹角。

如图4.9所示是带分度机构的双联式万向节结构图，万向节叉6的内端有球头，装在球座9内。球座9通过支承套2与万向节叉1相连。球头与球座中心位于两十字轴中心连线的中点。当万向节叉6相对万向节叉1绕球心转过一个角度时，双联叉5的偏转角基本上等分两万向节叉1和6的夹角，因而双联式万向节具有准等速性。

双联式万向节可使两轴之间有较大的夹角，并具有结构简单、制造方便、工作可靠等优点，因此在转向驱动桥中应用较广泛，延安SX2150、斯太尔等汽车均采用了这种结构。

2）三销轴式万向节

三销轴式万向节是由双联式万向节演变而来的准等速万向节。东风EQ2080型越野汽车和红岩CQ2160重型越野汽车转向驱动桥均采用三销轴式准等速万向节。

如图4.10所示是东风EQ2080型汽车转向驱动桥中的三销轴式万向节，其结构如图4.10（a）所示，由主动偏心轴叉2、从动偏心轴叉4、两个三销轴1和3及6个滑动轴承和密封件等组成。主、从动偏心轴叉分别与转向驱动桥的内、外半轴制成一体。叉孔中心线与叉轴中心线互相垂直但不相交，两轴叉由两个三销轴连接。三销轴的大端有一穿通的轴承孔，其中心线与小端轴颈中心线重合。靠近大端两侧有两轴颈，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个轴颈配合，而后两个三销轴小端的轴颈互相插入对方的大端轴承孔内，这样便形成了Q1-、R-R′和Q2-三根轴线，如图4.10（b）所示。传递转矩时，由主动偏心轴叉2，经轴线Q1-Q′1、R-R′、Q2-传到从动偏心轴叉4。为了减轻摩擦和磨损，轴颈与孔的配合面装有轴承，并用卡环轴向限位。

在与主动偏心轴叉2相连的三销轴3的两个轴颈端面和轴承座之间装有推力垫片5，其余轴颈端面均无推力垫片，且轴颈端面与轴承座之间留有较大的空隙，以保证在转向时三销轴式万向节不致发生运动干涉现象。

三销轴式万向节的优点是允许相邻两轴间有较大交角，最大可达45°。在转向驱动桥中采用这种万向节可使汽车获得较小的转弯半径，提高了汽车的机动性。其缺点是结构尺寸大。目前，三销轴式万向节在中、重型载货汽车上都有应用。

3．等速万向节

等速万向节保证万向节在工作过程中，其传力点永远位于两轴交点的平分面上，如图4.11所示的是等速万向节的工作原理图。两个大小相同的锥齿轮的接触点P位于两齿轮轴线交角α的平分面上，由P点到两轴的垂直距离都等于r, P点处两齿轮的圆周速度是相等的，因此两个齿轮旋转的角速度也相等。若万向节的传力点在其交角变化时始终位于角平分面内，则可使两万向节叉保持等角速的关系。目前采用较广泛的球叉式万向节和球笼式万向节均根据这一原理设计。

1）球叉式万向节

球叉式万向节的结构如图4.12所示，由主动叉6、从动叉1、4个传动钢球5和定心钢球4组成。其主动叉6与从动叉1分别与内、外半轴制成一体。在主、从动叉上各有4个曲面凹槽，装合后，形成两条相交的环形槽，作为传动钢球5的滚道，4个传动钢球5装于槽中，定心钢球4放在两叉中心的凹槽内，以定中心。

球叉式万向节等角速传动原理如图4.13所示。主、从动叉曲面凹槽的中心线分别是以O1、O2为圆心的两个半径相等的圆，且圆心O1、O2到万向节中心O的距离相等，即O1O =OO2。这样，无论主、从动轴以任何角度相交，4个钢球中心都位于两圆的交点上，亦即所有传动钢球始终位于两轴交角α的角平分面上，因而保证了等角速传动。

球叉式万向节结构简单，允许最大交角为32°～38°。但由于前行时只有两个钢球传力，倒车时则由另外两个钢球传力，故钢球与曲面滚道之间接触压力较大，磨损较快。随着凹槽的磨损，万向节工作的准确性就会下降，并且这种万向节的制造工艺较复杂，因此它用于中、小型越野汽车的转向驱动桥上，如北京BJ2020。

2）球笼式万向节

球笼式万向节按其内、外滚道结构的不同又可分为球笼式碗形万向节、球笼式双补偿万向节和球笼伸缩万向节等。

（1）球笼式碗形万向节球笼式碗形万向节又称固定型球笼式等速万向节，简称RF节，如图4.14所示。主要由星形套7、球笼4、球形壳8及钢球6等组成。星形套7通过内花键与中段半轴9相连接，用卡环9、隔套7和碟形弹簧8轴向限位。星形套7的外表面有6条曲面凹槽，形成内滚道。球形壳8与带花键的外半轴制成一体，内表面制有相应的6条曲面凹槽，形成外滚道。球笼4上有6个窗孔。装合后6个钢球分别装于6条凹槽中，并用球笼使之保持在一个平面内。工作时，转矩由主动轴1传至星形套7，经6个均布的钢球6传给球形壳8，并通过球形壳上的花键轴传至转向驱动轮，使汽车行驶。

球笼式碗形万向节等速传动的结构原理如图4.15所示。其内星轮6的外球面、球笼3的内球面和外球面以及外星轮1的内球面均以万向节中心O点为球心。球笼使6个钢球球心所在的平面通过中心O点。外滚道中心A与内滚道中心B不重合，分别位于中心O的两侧且OA=OB。当两轴交角α变化时，球面之间绕O点相互滑转，钢球则在内、外滚道上滚动且始终与内、外滚道相切，即钢球中心C到A、B两点的距离均相等。由于OA=OB, CA=CB, CO是共边，则两个三角形△COA与△COB全等，故∠COA=∠COB，即两轴相交任意交角α时，传力的钢球都位于两轴夹角的平分面上。此时钢球到主动轴和从动轴的距离a和b相等，从而保证了从动轴与主动轴以相等的角速度旋转。

球笼式等速万向节可在两轴最大交角为42°情况下传递转矩，无论传动方向如何，6个钢球全部传力。与球叉式万向节相比，在相同的外廓尺寸下，其承载能力强、使用寿命长、结构紧凑、拆装方便，因此应用越来越广泛。目前国内外多数轿车的前转向驱动桥均采用这种万向节，如红旗CA7220、一汽奥迪100、捷达、高尔夫和上海桑塔纳等轿车。

（2）球笼式双补偿万向节。球笼式双补偿万向节又称为球笼滑动式万向节，如图4.16所示。其外球座4为圆筒形，内、外滚道是与轴线平行的直线凹槽，即圆筒形，在传递转矩时，内球座2与外球座4可以相对轴向移动。球笼3的内外球面在轴线方向是偏心的，内球面中心B与外球面中心A分别位于万向节中心O的两边，且OA=OB。同样，钢球中心C到A、B的距离相等，以保证万向节作等速传动。

球笼式双补偿万向节能轴向相对移动，因此可省去万向传动装置中的滑动花键等伸缩机构，使结构简化，且轴向位移是通过钢球沿内、外滚道的滚动来实现的，滚动阻力小、磨损轻、寿命长，故最适用于断开式驱动桥。

（3）球笼伸缩式万向节。球笼伸缩式万向节，简称VL型万向节，上海桑塔纳轿车转向驱动桥内侧靠近主减速器处所用万向节就是VL型万向节，如图4.17所示。其内、外滚道为圆筒形，只是圆筒中心线不与轴线平行，而是以相同的角度相对于轴线倾斜着，而且同一零件上相邻两条滚道的倾斜方向相反，即呈“V”形。装合后，同一圆周方向位置处，内、外滚道的倾斜方向刚好相反，即对称交叉，而钢球则处于内、外滚道的交叉部位。当内半轴7与中半轴1以任意夹角相交时，由于内、外滚道及球笼6的控制作用，使所有传动钢球都位于轴间交角的平分面上，从而实现等角速传动。

因为该万向节的内外滚道沿圆周方向呈“V”形布置，且在动力的传递过程中，内、外星轮可作轴向运动，从而使前轮跳动时轴向长度得到补偿，所以称为VL型万向节。其允许最大的轴间夹角为22°，轴向伸缩量可达45mm。由于内、外星轮是通过钢球传递转矩的，所以内、外星轮在作轴向移动时为滚动摩擦，摩擦阻力小。VL型万向节两轴交角范围为20°～25°，较十字轴刚性万向节相邻两轴的交角范围大，但小于球叉式和RF节。

VL型万向节在轿车的转向驱动桥中均布置在靠主减速器侧，而轴向不能伸缩的固定型球笼式万向节，则布置在靠近车轮侧。

3）三叉式等速万向节

三叉式万向节也称作三销式万向节。三销式万向节的里面没有钢球，而是使用3个带有滚针的轴承，可以在钟形壳内的3个轨道里进行向内和向外滑移，以此来适应驱动轴在车辆运动时产生的长度变化。如图4.18所示为丰田皇冠轿车断开式后驱动桥，其半轴使用的是三叉式等速万向节，它主要由三销总成11和内万向节套5组成。三销总成的花键孔与传动轴内花键端配合，3个销轴上均装有轴承，以减小磨损。万向节套凸缘与差速器的凸缘用螺栓连接。为了防止润滑脂外溢，万向节装有防护罩7，并用两个卡箍10和12紧固。

三叉式等速万向节结构简单、磨损小，并且可轴向伸缩，在轿车上应用逐渐广泛，国产奥迪、红旗、富康、捷达、夏利等轿车的等速驱动轴上均采用三叉式万向节。

总的来说，与普通万向节比较，等速万向节的构造复杂，制造成本较高，所以只用在转向驱动轮的传动中。有的微型汽车，为了降低制造成本，转向驱动轮的传动也不用等速万向节，而用一种挠性万向节代替。

4．挠性万向节

上述万向节传力元件都是刚性的，统称为刚性万向节。有时万向节传力元件也可用带弹性的材料制造，则称挠性万向节。

挠性万向节依靠其中弹性件的弹性形变来保证在相交两轴间传动时不发生机械干涉。弹性件可以是橡胶盘、橡胶金属套筒、六角形橡胶圈或其他结构形式。由于弹性件的弹性形变量有限，故挠性万向节一般用于夹角不大两轴间，一般在3°～5°范围内。并且在只有微量轴向位移的万向传动装置中，常用来连接固定安装在车架上的两个部件，如发动机与变速器或变速器与分动器之间，以消除制造安装误差和车架变形对传动的影响。此外，它还具有能吸收传动系统中的冲击载荷和衰减扭转振动、结构简单、无须润滑等优点。

如图4.19所示为上海SH3540A型自卸汽车上用来连接发动机输出轴与液力机械变速器输入轴的挠性万向节。它主要由借螺栓固定在发动机飞轮上的大圆盘2、与花键毂5铆接在一起的连接圆盘4、连接二者的4副弹性连接件3以及定心用的中心轴1组成。

弹性连接件的两个橡胶块装在两半对合的外壳中，每个橡胶块中各有一衬套。每副弹性连接件中的一个橡胶块用螺栓固定在大圆盘上，而另一橡胶块用螺栓固定在连接圆盘上，动力经大圆盘输入，通过衬套传给每一副弹性连接件中的一个橡胶块，再经外壳、另一橡胶块和衬套传给连接圆盘，最后经花键毂和花键轴输出。

对于径向刚度较小的挠性万向节，主、从动件之间应有定中心装置，以免转速升高时由于轴线偏离加大而产生振动和噪声。

4.1.2 传动轴

1．传动轴的布置型式

因驱动桥与车架是弹性连接的，故采用十字轴式万向节所组成的万向传动装置不可能在任何情况下都保证等速传动，传动轴的布置形式有以下几种：

1）单节式传动轴

当传动距离较近时采用，传动轴只有一节，两端用普通万向节分别与变速器和驱动桥连接，如图4.1（b）、（c）所示。装配时，传动轴两端的万向节叉在同一平面内就可满足满载时等速传动的条件。

2）双节式传动轴

当传动距离较远时，采用两节传动轴、3个万向节。其布置型式有两种：①汽车变速器输出轴与中间传动轴不在一条直线上，当汽车满载时其两节传动轴之间近似在一直线上，相当于只有一根传动轴，此时中间万向节不起改变角速度的作用。因此，为满足满载等速传动的条件，两节合起来作为整根传动轴，两端万向节叉应装在同一平面内。为此一些汽车规定中间传动轴两端的万向节叉相互垂直，主传动轴两端的万向节叉在同一平面内，如图4.1（a）所示。②中间传动轴与变速器输出轴近似在一条直线上，则第一个万向节不起改变角速度的作用，此时相当于一节传动轴、两个万向节，因此只要主传动轴满足等速传动即可。

3）三节式传动轴

某些长轴距的汽车，将传动轴分为3节，前两节为中间传动轴，分别用中间支承轴支承于车架，后一节为主传动轴。装配时，每节传动轴两端的万向节叉都应装在同一平面内才能保证等速传动。

越野汽车的传动轴布置在变速器到分动器、分动器到各驱动桥之间，如图4.20所示东风EQ2080型越野汽车传动轴的布置。从变速器到分动器4、分动器到前桥1和中桥7的传动距离较近，所以都采用一节传动轴、两个万向节。而从分动器到后驱动桥10的距离较远，传动轴分为3段，用4个万向节连接，但其中间一段轴作为中间支承轴支承在中桥壳上。这样，满载时变速器输出轴与分动器的各轴、中桥7和后桥10的输入轴以及中间支承8的轴线近似平行，且每一节传动轴两端的万向节叉均在同一平面内，从而近似满足平行排列，而前桥1则近似地满足等腰三角形排列，从而保证汽车满载时为近似的等速传动。

2．传动轴的结构

传动轴是万向传动装置中的主要传力部件，通常用来连接变速器（或分动器）和驱动桥；在转向驱动桥和断开式驱动桥中，则用来连接差速器和驱动轮；在汽车转向操纵机构中，用来连接转向轴和转向器。

汽车传动轴一般采用高强度空心管制成，以提高刚度和强度，一般用厚薄均匀的薄钢板卷制焊接而成。常见的轻型汽车中的传动轴为开式管状结构，超重型汽车的传动轴则直接采用无缝钢管。

在断开式驱动桥、转向驱动桥中，车轮传动轴的转速相对比较低，需要传递较大的扭矩，一般是采用实心传动轴。本节重点介绍用来连接变速器和驱动桥的传动轴。

如图4.21所示为解放CA1091型汽车万向传动装置。传动轴分两段，由3套十字轴式万向节连接。中间传动轴4的两端用止口定位，分别焊有万向节叉和带花键的轴头，花键轴头与凸缘连接，并用螺母紧固。主传动轴16前端花键轴头与万向节滑动叉13套合形成滑动花键连接，使主传动轴可以轴向伸缩。为了减轻花键处的摩擦和磨损，还装有用以加注润滑脂的油嘴14，并在两端分别用堵盖12和油封15及防尘罩进行密封，盖和罩同时还能起防尘防水的作用。由于万向传动装置中润滑脂嘴较多，为了加注方便，装配正确的万向传动装置应保证所有润滑脂嘴处于同一条直线上，且十字轴上的润滑脂嘴指向传动轴。

传动轴高速旋转时，由于离心力的作用将产生剧烈振动，因此在传动轴和万向节装配后，要进行动平衡试验。图4.21中的零件3即为平衡用的平衡片，平衡后的传动轴总成应在叉轴上标有记号，如图4.21所示的装配位置记号21，以便拆装时保持两者的相对位置。

传动轴过长时，自振频率降低，易产生共振。故常将其分为两段并加中间支承，前段称中间传动轴，如图4.21所示的中间传动轴4；后段称主传动轴，如图4.21所示的主传动轴16。

为了减小滑动花键连接处轴向移动的阻力和磨损，有的传动轴在花键槽内设置滚动元件，即采用滚动花键，如图4.22所示。这样轴向移动由滚动来实现，其摩擦损失小、传动效率高，但结构复杂、成本高。

4.1.3 中间支承

传动轴布置有两节以上时须加中间支承，通常将中间支承安装在车架的横梁上，能补偿传动轴轴向和角度方向的安装误差以及汽车行驶时因发动机窜动或车架变形等引起的位移。中间支承有双列圆锥滚子轴承式、蜂窝软垫式、摆动式和中间支承轴式等。

中间支承通常用包括轴承、带油封的盖、支架和使轴承与车架间成弹性连接的弹性元件等机件。

解放CA1091型汽车采用双列圆锥滚子轴承式中间支承，如图4.21所示。轴承9装在中间传动轴后端轴颈上，有两个内圈和一个公用外圈，两个内圈之间有一个隔套。带油封5的前后盖6和8之间装有弹性元件橡胶垫环7，用3个螺栓紧固。紧固时，橡胶垫环会径向扩张，其外圆挤紧于支架11的内孔中。这种支承的特点是承载能力大，轴承轴向间隙可通过磨削轴承内圈之间的隔套来调整，使用寿命长。

东风EQ1090E型汽车采用蜂窝软垫式中间支承，如图4.23所示。轴承3可在轴承座2内轴向滑动。轴承座装在蜂窝形橡胶垫5内，通过U形支架6固定在车架横梁上。由于采用弹性支承，传动轴可在一定范围内向任意方向摆动，并能随轴承一起作适当的轴向移动，因此能有效地补偿安装误差及轴向位移。此外，还可以吸收振动、减少噪声传导，这种支承结构简单，效果良好，应用较广泛。

有的汽车上采用摆动式中间支承，如图4.24所示。中间支承部分可绕支承轴3摆动，改善了传动轴轴向传动时轴承的受力情况。橡胶衬套2和5能适应传动轴在横向平面内少量的位置变化。