(畢業(yè)論文)伸縮型球籠式等速萬向節(jié)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 伸縮型球籠式等速萬向節(jié)設(shè)計(jì) 系 (院): 機(jī)械工程系 專 業(yè)：機(jī)械制造與自動(dòng)化 班 級(jí): 學(xué) 號(hào)：姓 名:指導(dǎo)教師： 成都工業(yè)學(xué)院 2010年5月25日摘 要 伸縮型球籠式等速萬向節(jié)是汽車的關(guān)鍵部件之一，它直接影響車輛的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)性能。本設(shè)計(jì)根據(jù)在汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的布置，確定球籠式等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與參數(shù)等。對(duì)球籠式等速萬向節(jié)的等速性、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、受力情況、效率和壽命進(jìn)行了深入分析。 對(duì)重要零件進(jìn)行了材料的選擇和工藝性分析。并且運(yùn)用三維制圖軟件pro-e和二維制圖軟件caxa，進(jìn)行了輔助分析。關(guān)鍵詞 等速萬向節(jié) 汽車 設(shè)計(jì) 分析 效率 使用壽命 軟件abstract teles

2、copic type of ball cage patterned constant speed universal joint is one of the key components of cars, which directly affect vehicles to drive performance. this design according to the structure in auto transmission system, to determine the layout of ball cage patterned constant speed universal join

3、t structure characteristics and parameters etc. of ball cage patterned constant speed universal joint of constant sex, motion, stress, efficiency and analyzes the service life. an important part of the analysis of the choice of materials and workmanship. and to use 3d drawing software pro - e and 2d

4、 graphics software caxa, the auxiliary analysis.keywords: rzeppa constant velocity joins; car; design; analysis; efficiency; service life; software.目 錄摘 要10 引言40.1 汽車萬向節(jié)與傳動(dòng)軸技術(shù)發(fā)展綜述40.2 球籠式等速萬向節(jié)的發(fā)展?fàn)顩r50.3 球籠式等速萬向節(jié)的潤滑及密封技術(shù)現(xiàn)狀61 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)確定71.1 結(jié)構(gòu)選擇71.2 等速證明91.3 等速萬向節(jié)等速的保證101.4參數(shù)確定131.4.1 萬向節(jié)軸徑和鋼球直徑131.4

5、.2 鋼球回轉(zhuǎn)中心徑151.4.3 筒形外殼溝道溝槽形狀及設(shè)計(jì)參數(shù)161.4.4 溝道偏心距171.4.5 萬向節(jié)基本尺寸的確定182 萬向節(jié)運(yùn)動(dòng)分析與力學(xué)分析222.1 鋼球的運(yùn)動(dòng)分析222.1.1 鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡222.1.2 鋼球沿y軸方向運(yùn)動(dòng)242.1.3 鋼球沿徑向運(yùn)動(dòng)252.1.4 鋼球的切向速度與切向加速度262.2 萬向節(jié)受力分析282.2.1 鋼球位置計(jì)算282.2.2 鋼球運(yùn)動(dòng)平面與原始平面對(duì)應(yīng)半徑的夾角302.2.4 橢圓上各鋼球的圓周力312.3 保持架運(yùn)動(dòng)和受力分析323 萬向節(jié)主要零件的材料選擇及工藝流程343.1 筒形外殼343.1.1 筒形外殼材料的選擇343.

6、1.2 筒形外殼工藝流程343.2 球籠363.2.1 球籠材料的選擇363.3 星形套383.3.1 星形套材料選擇383.3.2 星形套工藝流程393.4 半軸403.4.1 半軸材料的選擇403.5 鋼球413.5.1 鋼球材料選擇413.6 星形套與半軸的固定414 制造技術(shù)415 球籠式萬向節(jié)的潤滑426 等速萬向節(jié)的效率436.1效率公式的推導(dǎo);446.2 扭矩?fù)p失公式的推導(dǎo):446.3 鋼球與內(nèi)外滾道之間的摩擦損失：456.4 鋼球與保持架之間的摩擦損失：466.5 外滾道與保持架之間的摩擦損失：466.6 內(nèi)滾道與保持架之間的摩擦損失：477 萬向節(jié)壽命分析488 設(shè)計(jì)總結(jié)54

7、10 謝詞5511 參考文獻(xiàn)570 引言0.1 汽車萬向節(jié)與傳動(dòng)軸技術(shù)發(fā)展綜述 在汽車傳動(dòng)系和驅(qū)動(dòng)系中，萬向節(jié)和傳動(dòng)軸作為一種重要的工程部件獲得了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，萬向節(jié)可劃分為非等速、等速和準(zhǔn)等速萬向節(jié)三種，單個(gè)虎克萬向節(jié)的非等速性最早是由ponceler借助球面三角所證明。面球籠式（rzeppa）萬向節(jié)和三樞軸（tripode）萬向節(jié)的等特征則分別由后來的metzner和micheorain獲得證明。 根據(jù)萬向節(jié)類型，傳動(dòng)軸可分為：虎克萬向節(jié)傳動(dòng)軸；球籠式萬向節(jié)傳動(dòng)軸；三樞軸式萬向節(jié)傳動(dòng)軸。大家知道，傳動(dòng)軸的主要功能是在輸入軸和輸出軸之間距離與夾角改變時(shí)能盡可能均勻滴傳遞扭矩和旋

8、轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，特別是前輪驅(qū)動(dòng)橋車大量生產(chǎn)一來，萬向節(jié)和傳動(dòng)軸，尤其是等速萬向節(jié)傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)理論和制造技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。當(dāng)今國際上，萬向節(jié)和傳動(dòng)軸生產(chǎn)廠加之間的競爭日趨勢(shì)激烈：把一種新產(chǎn)品投放市場，不僅要求騎強(qiáng)度和壽命應(yīng)滿足各種使用要求的規(guī)定，而且還要求產(chǎn)品的價(jià)格更具有競爭性和輕量化。 我國“八五”開始重視轎車的發(fā)展，作為關(guān)鍵零部件之一的等速萬向節(jié)被國家列為重點(diǎn)扶持的關(guān)鍵零部件項(xiàng)目之一。但由于起步較晚，與國外相比，無論是從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、還是制造技術(shù)都存在一定的差距。0.2 球籠式等速萬向節(jié)的發(fā)展?fàn)顩r球籠式等速萬向節(jié)是奧地利a.h.rzeppa于1926年發(fā)明的（簡稱rzeppa

9、型），后經(jīng)過多次改進(jìn)。1958年英國波菲爾（birfidld）集團(tuán)哈迪佩塞公司成功滴研制了比較理想的球籠聯(lián)軸器（稱birfield型：或普通型，簡稱bj型）。1963年日本東洋軸承株式會(huì)社引進(jìn)這項(xiàng)新技術(shù)，進(jìn)行了大量生產(chǎn)、銷售，并于1965年又試制成功了可作軸向滑動(dòng)的伸縮型（亦稱雙效補(bǔ)償型，簡稱doj型）球籠萬向聯(lián)軸器。目前，球籠式等速萬向節(jié)已在日、英、美、德、法、意等12個(gè)國家進(jìn)行了專利主城。 birfield型和rzeppa型萬向節(jié)在結(jié)構(gòu)上的最大區(qū)別，除沒有分度機(jī)構(gòu)外，還在于鋼球滾道的幾何學(xué)與斷面形狀不一樣。rzeppa型萬向節(jié)用的是單圓弧的鋼球滾道，單圓弧滾到其半徑大一個(gè)間隙，因此最大接觸

10、應(yīng)力常發(fā)生在滾道邊緣處。當(dāng)鋼球的載荷很大時(shí)，滾道邊緣易被擠壓壞，從而降低了工作能力。birfield（bj型）萬向節(jié)的鋼球滾道橫斷面的輪廓為橢圓型，騎等角速傳動(dòng)是依靠外套滾到中心a、內(nèi)套滾到中心b等偏置地位于萬向節(jié)中心o的兩側(cè)實(shí)現(xiàn)的。而伸縮型的等速傳動(dòng)則依靠保持架（球籠）外球面中心a與內(nèi)球面中心b等偏置地位于萬向節(jié)中心o的兩邊實(shí)現(xiàn)的。0.3 球籠式等速萬向節(jié)的潤滑及密封技術(shù)現(xiàn)狀衛(wèi)視球籠式等速萬向節(jié)都能可靠的正常工作，必須使其保持良好的潤滑狀態(tài)，否則就會(huì)造成金屬元件的直接接觸，加劇萬向節(jié)原件的磨損或擦傷，降低其工作壽命。因此對(duì)此種萬向節(jié)的潤滑、密封應(yīng)給與足夠的重視。球籠式等速萬向節(jié)所才用的潤滑劑

11、主要取決于轉(zhuǎn)速和角度。在轉(zhuǎn)速高達(dá)1500r/min時(shí)，使用一種優(yōu)良的油脂，這種油脂能防銹。若轉(zhuǎn)速和角度都較大時(shí)，則使用潤滑油。同時(shí)，萬向節(jié)的密封裝置應(yīng)包成潤滑劑步泄漏。常用筒式波紋型橡膠密封罩。1 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)確定1.1 結(jié)構(gòu)選擇伸縮型球籠式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)與一般球籠式相近，僅僅外滾道為直槽。在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)，星形套與筒形殼可以沿軸向相對(duì)移動(dòng)，故可省去其它萬向傳動(dòng)裝置的滑動(dòng)花鍵。這不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且由于軸向相對(duì)移動(dòng)是通過鋼球沿內(nèi)、外滾道滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，所以與滑動(dòng)花鍵相比，其滾動(dòng)阻力小，傳動(dòng)效率高。這種萬向節(jié)允許的工作最大夾角為20。 rzeppa型球籠式萬向節(jié)主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋中，目前應(yīng)用較少。b

12、irfield型球籠式萬向節(jié)和伸縮型球籠式萬向節(jié)被廣泛地應(yīng)用在具有獨(dú)立懸架的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋中，在靠近轉(zhuǎn)向輪一側(cè)采用birfield型萬向節(jié)，靠近差速器一側(cè)則采用伸縮型球籠式萬向節(jié)。伸縮型萬向節(jié)還被廣泛地應(yīng)用到斷開式驅(qū)動(dòng)橋中。伸縮型球籠式等速萬向節(jié)屬于等速萬向節(jié)，其工作特點(diǎn)是所有傳力點(diǎn)總是位于兩軸夾角的等分平面上，這樣被萬向節(jié)所聯(lián)接的兩軸的角速度就永遠(yuǎn)相等。在轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋、斷開式驅(qū)動(dòng)橋等的車輪傳動(dòng)裝置中，廣泛地才用等速萬向節(jié)。某輕型汽車采用的伸縮型球籠式等速萬向節(jié)，其結(jié)構(gòu)件圖見圖1。球籠式萬向節(jié)由于汽油六個(gè)鋼球同時(shí)承載，承載能力及耐沖擊能力強(qiáng)、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，工作角很大。適合輕型汽車上

13、應(yīng)用。 1、 從動(dòng)軸 2、筒形外殼 3、密封圈 4、球籠 5、星型套 6、傳力鋼球 7、主動(dòng)軸 圖1 伸縮型球籠式等角速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 1.2 等速證明 伸縮型球籠式等角速萬向節(jié)的等速傳動(dòng)原理如圖1所示。外滾到中心a與內(nèi)滾到的中心b分別位于萬向節(jié)中心o的兩邊，且與o等距離。傳力鋼球的中心c位于a、b兩點(diǎn)的距離也相等。保持架的內(nèi)外球面、星型套的外球面和筒形外殼的內(nèi)球面均以萬向節(jié)o為球心。因此，當(dāng)兩軸夾角變化時(shí)，保持架科研內(nèi)、外球面滑動(dòng)，以保持傳力鋼球在一定位置。 由圖1可見，由于oa=ob,ca=cb,則三角形，因此，,即兩軸相交任意角時(shí)，其傳力鋼球的中心c都位于夾角的平分面上。此時(shí)，傳力鋼球

14、到主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的距離a和b相等，根據(jù)公式：，.由于傳力鋼球的速度（）相同，半徑，從而保證了主、從動(dòng)軸以相等的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。1.3 等速萬向節(jié)等速的保證圖2 內(nèi)外環(huán)與鋼球的工作原理圖 已知偏移角和中心偏置距是保證等速性的關(guān)鍵尺寸。 可根據(jù)鋼球在內(nèi)外環(huán)鋼球滾道中的工作狀況，先求出鋼球在楔緊狀態(tài)下的楔角的極限值，再選擇一個(gè)大于/2楔角的角度作為偏移角，并求其相對(duì)應(yīng)的中心偏置距。 最大楔角的確定方法如下： 由圖2可見，鋼球在楔角時(shí)剛好楔緊。由于在楔緊狀態(tài)下內(nèi)外環(huán)作用在鋼球上的法相壓力有將鋼球推向分離的趨勢(shì)，因此在接觸點(diǎn)e和f處的摩擦力則傾向于阻止鋼球分離，兩種里綜合作用的結(jié)果，是鋼球保持平衡狀態(tài)。在圖

15、中建立坐標(biāo)系xoy，則當(dāng)鋼球處于楔緊狀態(tài)時(shí)，應(yīng)滿足下式： （1-1） （1-2） （1-3）式中：、內(nèi)環(huán)、外環(huán)與鋼球接觸點(diǎn)上的壓力；內(nèi)環(huán)與鋼球接觸點(diǎn)處的摩擦系數(shù)；外環(huán)與鋼球接觸點(diǎn)處的摩擦系數(shù)；楔角；半徑。由式（1-1）、（1-2）可得： （1-4）由式（1-1）、（1-3）可得： （1-5）由式（1-2）、（1-3）可得： （1-6）在楔緊狀態(tài)下，鋼球與內(nèi)外環(huán)之間均為靜止滑動(dòng)摩擦，故有： （1-7）即（1-4）、（1-7）可得楔進(jìn)條件為： 即 （1-8）由式（1-3）、（1-7）可得：由式（1-8）可知，當(dāng)時(shí)，鋼球處于鎖止?fàn)顟B(tài)。故保證了等速萬向節(jié)的等速性。1.4參數(shù)確定1.4.1 萬向節(jié)軸徑和

16、鋼球直徑對(duì)于球籠式萬向節(jié)，其軸徑尺寸s(萬向節(jié)的名義尺寸)可按下面經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中，為使用因素影響系數(shù)，對(duì)傳動(dòng)軸而言，的值越大，允許負(fù)荷就越小?？紤]輕型汽車使用條件主要為城區(qū)道路，故取=1.2； 為傳動(dòng)軸傳遞的最大扭矩。取動(dòng)力輸出最大轉(zhuǎn)矩158nm，額定轉(zhuǎn)速r/min，主減速器傳動(dòng)比，變速器一檔傳動(dòng)比。所以傳動(dòng)軸最大扭矩為 （nm）經(jīng)計(jì)算，由于球籠式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系列標(biāo)準(zhǔn)，見表1。取，鋼球直徑為。表1 球籠萬向節(jié)系列數(shù)據(jù)（部分）名義尺寸單位758795100113125150與星型套聯(lián)接的軸徑直接mm19.122.223.825.428.631.838.1鋼球直徑mm14.28816.669

17、18.00019.05021.43123.81228.575星型套最大直徑mm22.42/22.3526.67/26.5926.67/26.5930.48/30.3533.15/33.0237.16/37.0846.10/45.97最小直接mm20.22、20.0924.67/24.5624.67/24.5625.53/25.4030.61/30.4833.35/33.2241.28/41.15槽距mm22.75/45.522.75/45.522.75/45.520/4020/4013/2610.50/21花鍵齒數(shù)192323232518球殼外徑mm708188921031151371.4.2

18、 鋼球回轉(zhuǎn)中心徑筒形外殼與星型套通過各自溝道曲率中心的鋼球回轉(zhuǎn)中心徑可按下式計(jì)算其中：鋼球回轉(zhuǎn)中心徑系數(shù)，一般取； 星型套內(nèi)花鍵大經(jīng)，為26.60mm； 筒形外殼最大外徑，為88mm。 計(jì)算得，mm ?。?。1.4.3 筒形外殼溝道溝槽形狀及設(shè)計(jì)參數(shù) 由于星型套滾道接觸點(diǎn)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的要小，即前者的接觸應(yīng)力大于后者。因而與外滾道相比，內(nèi)滾道磨損較大，疲勞壽命較短，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重控制鋼球與星型套滾道表面的接觸應(yīng)力，并以此確定萬向節(jié)的承載能力。 本設(shè)計(jì)采用雙偏心弧形的滾道形式，其主參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算如下。1） 溝道截面圓弧半徑筒形外殼溝道圓弧半徑可按

19、下式計(jì)算取，得。2）溝道接觸角鋼球與筒形外殼溝道截面圓弧的切點(diǎn)和鋼球中心線與鋼球縱向中心線的夾角為接觸角，一般。3） 溝道圓弧與鋼球兩中心距的水平距離筒形外殼溝道截面圓弧中心與鋼球中心距的水平距離為代入數(shù)據(jù)得：。4）溝底間隙 筒形外殼底部與鋼球的間隙可通過結(jié)構(gòu)分析由下式計(jì)算：代入數(shù)據(jù)得：1.4.4 溝道偏心距由于球籠式萬向節(jié)等速性的基本原理得，筒形外殼和星型套的溝道中心與各自球面中心的距離（偏心距）相等。由圖1的幾何關(guān)系可得偏心距為取，計(jì)算得。星型套通過其溝道曲率中心的溝道截面形狀是同筒形外殼一樣的，也是關(guān)于鋼球中心對(duì)稱的雙偏心圓弧型，其主要參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算與筒形外殼相同。1.4.5 萬向節(jié)基本

20、尺寸的確定1）傳力鋼球分布半徑由經(jīng)驗(yàn)公式： 又知： 得： 取：2） 球籠厚度圖3 球籠基本尺寸由公式： 又得： ?。?） 星型套基本尺寸圖4 星型套基本尺寸 星型套寬度由公式： 推出：又知球籠厚度為3，鋼球分布半徑30，可推出星型套外徑 4）球籠寬度 由公式： 推出： 5）球籠槽的寬度 由公式： 推出： 6）球籠槽長度 由公式： 推出： ?。?7）中心偏移距 由公式： 推出：?。?） 軸頸由公式： 推出： 9) 星型套花鍵外徑由公式： 推出： ?。?10）筒形外殼滾道長度圖5 筒形外殼基本尺寸 由公式： 推出： ?。?11) 中心偏移角 由公式：2 萬向節(jié)運(yùn)動(dòng)分析與力學(xué)分析2.1 鋼球的運(yùn)動(dòng)分

21、析2.1.1 鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡在球籠式等速萬向節(jié)中，鋼球是主要的傳力部件，鋼球的運(yùn)動(dòng)對(duì)萬向節(jié)的工作能力和性能騎著舉足輕重的作用。在工作時(shí)，鋼球的每個(gè)方向都有機(jī)會(huì)傳遞扭矩。因此對(duì)鋼球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和手里情況必須進(jìn)行細(xì)致的分析。圖6 鋼球的運(yùn)動(dòng)如圖6（a）所示，當(dāng)主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間沒有夾角時(shí)，鋼球的運(yùn)動(dòng)平面?zhèn)鲃?dòng)軸垂直，此時(shí)，鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓。（2-1）當(dāng)主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間存在夾角之后，鋼球的運(yùn)動(dòng)平面不再與軸垂直（對(duì)于球籠式等速萬向節(jié)，存在偏差），因此，當(dāng)豬都周旋轉(zhuǎn)時(shí)，鋼球有三種運(yùn)動(dòng)分量：（1） 收轉(zhuǎn)軸的牽連，繞軸線作周而復(fù)始的圓周運(yùn)動(dòng)，鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓，如圖6（a）。（2） 沿軸向（平行于軸線）作

22、往復(fù)的曲線運(yùn)動(dòng)，鋼球處于橢圓的短軸位置時(shí)，產(chǎn)生軸向位移，橢圓長軸的兩端點(diǎn)，對(duì)應(yīng)軸向運(yùn)動(dòng)的邊界轉(zhuǎn)動(dòng)一周，每個(gè)鋼球在此區(qū)間內(nèi)，往返一次，如圖6（c）。（3） 沿徑向（垂直與軸線）作往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，鋼球處于橢圓的短軸位置時(shí)，為運(yùn)動(dòng)的最低點(diǎn)；處于橢圓的長軸位置時(shí)，為運(yùn)動(dòng)的最高點(diǎn)；轉(zhuǎn)動(dòng)一周，每個(gè)鋼球在最高和最低點(diǎn)的區(qū)間里，往返兩次，如圖6（d）。 對(duì)應(yīng)于上述三種運(yùn)動(dòng)變量，分別計(jì)算鋼球的線速度和線加速度，由于為考慮兩軸間夾角變化，此處不計(jì)哥氏加速度。假設(shè)鋼球的軌跡方程式為：（2-2）（2-3）式中：a橢圓短軸； b橢圓長軸； 傳動(dòng)軸角速度。又 （r為鋼球分布圓半徑）推出 （2-4）式中： 為橢圓上任意點(diǎn)到

23、萬向節(jié)中心的距離。2.1.2 鋼球沿y軸方向運(yùn)動(dòng)當(dāng)萬向節(jié)輛傳動(dòng)軸之間沒有夾角時(shí)，萬向節(jié)的傳力平面與傳動(dòng)軸垂直，鋼球沒有軸向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)傳動(dòng)之間夾角為時(shí)，鋼球產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)。在y軸方向，鋼球主要受內(nèi)滾道軌道的限制。此時(shí)，鋼球沿內(nèi)滾道作曲線運(yùn)動(dòng)，如圖6（c）所示。由鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡和圖6（c）可知， （2-5） （2-6）對(duì)y求導(dǎo)，解得鋼球的y向速度和y向加速度為：（2-7）（2-8）2.1.3 鋼球沿徑向運(yùn)動(dòng)如前所述，鋼球在徑向，即在z方向上，做往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，有力學(xué)分析可得：徑向速度：（2-9）徑向加速度：（2-10）2.1.4 鋼球的切向速度與切向加速度由于鋼球在任意瞬時(shí)，即有沿軸向的運(yùn)動(dòng)，又

24、有沿徑向的運(yùn)動(dòng)，還有與傳動(dòng)軸在一起的牽連運(yùn)動(dòng)。將其簡化，可以認(rèn)為在傳力平面上，鋼球的速度為切向速度，加速度為切向加速度，如圖7所示。圖7 鋼球的瞬時(shí)速度與加速度 由理論力學(xué)可得：切向速度： （2-11） 切向加速度： （2-12）2.2 萬向節(jié)受力分析2.2.1 鋼球位置計(jì)算由上述可知，在兩軸之間存在夾角時(shí)，鋼球運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓，且鋼球還有軸向和徑向運(yùn)動(dòng)，所以騎運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜。在對(duì)萬向節(jié)進(jìn)行受力分析時(shí)，必須首相確定某一瞬時(shí)鋼球的位置。如前所述，鋼球的橢圓軌跡為： 橢圓方程： （2-13） 式中： 圖8 鋼球位置計(jì)算 如圖8所示，過每一鋼球和萬向節(jié)中心連線，得： 式中： 式中：假設(shè)中的第一個(gè)鋼球在某

25、一時(shí)刻的角度。將 代入 （2-13）式中得： 將 和 代入上式，得： （2-14）上式中，令 由此，可得鋼球位置為： （2-15） （2-16） 由式（2-9），可得 （2-17）2.2.2 鋼球運(yùn)動(dòng)平面與原始平面對(duì)應(yīng)半徑的夾角當(dāng)主、從傳動(dòng)軸之間存在夾角時(shí)，每個(gè)鋼球的運(yùn)動(dòng)半徑與對(duì)應(yīng)的原始半徑之間存在夾角，由萬向節(jié)中鋼球的空間位置可知， （2-18）2.2.3 橢圓上諸點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的距離 由萬向節(jié)鋼球的空間位置和圖9可知， （2-19）式中： 圖9 鋼球的受力2.2.4 橢圓上各鋼球的圓周力由力和力矩的關(guān)機(jī)可以得到： （2-20）將式（2-19）代入上式，并結(jié)合圖9，可以得到： （2-21）即：式中

26、：；解得： （2-22）所得即為六個(gè)鋼球的受力情況。2.3 保持架運(yùn)動(dòng)和受力分析在球籠式等速萬向節(jié)中，6個(gè)鋼球受保持架6個(gè)窗口的限制，并使6個(gè)球心連接起來組成的“連心面”始終垂直于保持架的中心線。當(dāng)傳遞扭矩時(shí)，由于保持架本身受到外環(huán)內(nèi)球面、內(nèi)環(huán)外球面的支承，因此可阻止鋼球從滾道中跳出。保持架的主要功能是在任何負(fù)載和角度下使球保持在一個(gè)平面上。雖然咋一看上去增加了零件的數(shù)目，然而沒有球籠導(dǎo)致了許多不理的情況： 1、沒有球籠，只有半球在一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上傳遞力矩。 2、軌道在一個(gè)限定的公差范圍內(nèi)制造。 3、由于每對(duì)軌道在任意負(fù)載和角度下要保證正確的定位而使得軌道傾斜角度很大。在有球籠式的傳動(dòng)系中，軌道

27、將通過球籠和其他軌道共同作用。當(dāng)主、從動(dòng)軸之間存在某個(gè)角度時(shí)，鋼球在滾道上滾道，保持架的內(nèi)外球面一萬向節(jié)中心為求新在對(duì)應(yīng)的球面的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)萬向節(jié)在某一角度下告訴轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼球?qū)a(chǎn)生很大的軸向力，是鋼球脫離滾道。保持架吃屎收到內(nèi)、外滾道一級(jí)鋼球的作用力，并且保持架的受力與萬向節(jié)的壓力角、偏置距有關(guān)。由于保持架的受力較復(fù)雜，由國外資料可知騎經(jīng)驗(yàn)公式為：式中：扭矩； 偏置距； 式中：鋼球分布圓半徑； 式中：壓力角； 兩軸夾角3 萬向節(jié)主要零件的材料選擇及工藝流程3.1 筒形外殼3.1.1 筒形外殼材料的選擇材料通常選擇的是cf53，毛坯通常為留有加工余量的鍛件，或者是大規(guī)模生產(chǎn)的精密成形件。對(duì)毛坯在低硬

28、度條件下加工后，對(duì)內(nèi)球面軌道滾道進(jìn)行熱處理，熱處理至表面硬度62hrc，淬硬深度rht550=1.1+1.0。接著對(duì)內(nèi)球面、軌道和支承部位進(jìn)行磨削。3.1.2 筒形外殼工藝流程圖10 筒形外殼序號(hào)工序主要內(nèi)容01鑄造02熱處理時(shí)效03銑銑前后端面04車外圓及倒角先進(jìn)行大端車削再小端05車內(nèi)圓半精車至5406鏜孔小端孔半精鏜精鏜至36h707拉花鍵立式拉床08清洗清洗機(jī)上清洗09軌道和花鍵表面進(jìn)行高頻淬火筒形外殼淬火機(jī)床10回火低溫回火11磨端面和外圓數(shù)控磨端面外圓磨床12磨內(nèi)球面及內(nèi)球道筒形外殼式立式磨加工專機(jī)13清洗清洗機(jī)14鉗工去毛刺15磁力探傷磁力探傷機(jī)16檢驗(yàn)17流入裝配區(qū)3.2 球籠

29、3.2.1 球籠材料的選擇材料選擇為20crmnti。窗孔沖壓達(dá)到rf125的尺寸。在硬度低的條件下加工后，對(duì)球籠進(jìn)行滲碳處理。然后對(duì)內(nèi)、外球面和窗孔進(jìn)行磨削。磨削表面的滲碳深度為eht=0.6+0.4，表面硬度為62hrc。3.2.2 球籠工藝流程圖11 球籠序號(hào)工序主要內(nèi)容01鑄造02熱處理時(shí)效03車車端面以及內(nèi)球面04車車另一端面及外球面05沖窗孔窗口沖床06拉窗孔窗孔專用拉床07去窗孔處毛刺去毛刺機(jī)08滲碳箱式多用爐熱處理線09磨外球面保持架外球面專用磨床10磨內(nèi)球面保持架內(nèi)球面專用磨床11磨削窗孔平面窗孔磨床12清洗清洗機(jī)13磁力探傷磁力探傷機(jī)14檢驗(yàn)15流入裝配區(qū)3.3 星形套 3

30、.3.1 星形套材料選擇棒料或精密鍛件用于小尺寸的萬向節(jié)：大尺寸的萬向節(jié)，使用傳統(tǒng)的鍛造方法。cf53鋼主要用于大型系列產(chǎn)品萬向節(jié)的生產(chǎn)上。滲碳鋼sae8620h或din21nicrmo6一般用于中、小系列產(chǎn)品。熱處理和硬度參數(shù)與筒形外殼相同。達(dá)到rf-125級(jí)別時(shí)，內(nèi)花鍵按saedp24/48標(biāo)準(zhǔn)，通常采用拉削方法制成。3.3.2 星形套工藝流程圖12 星型套序號(hào)工序主要內(nèi)容01鑄造02熱處理時(shí)效03車車端面以及內(nèi)圓04車車另一端面以及外球面05拉花鍵立式拉床06滲碳箱式多用爐熱處理07磨外球面星型套外球面專用磨床08莫外滾到星型套外球道專用磨床09清洗清洗機(jī)10磁力探傷磁力探傷機(jī)11檢驗(yàn)1

31、2流入裝配區(qū)3.4 半軸3.4.1 半軸材料的選擇 短剛性傳動(dòng)軸主要用45鋼制成，其表面淬硬深度rhtr450=2.5+2.0，表面硬度值為58hrc。長傳動(dòng)軸使用焊接花鍵軸的薄壁鋼管。外花鍵按saedp24/48標(biāo)準(zhǔn)，用冷成行（搓齒）方法是將轉(zhuǎn)矩傳給傳動(dòng)軸的推薦方法。3.5 鋼球3.5.1 鋼球材料選擇 用滾動(dòng)軸承制品，品質(zhì)/，采用din5401標(biāo)準(zhǔn)。萬向節(jié)安裝要求幾乎沒有游隙?？梢詠砘芈淖儞Q萬向節(jié)夾角來檢測游隙。在這種情況下，游隙約達(dá)3%軸間夾角。3.6 星形套與半軸的固定 為了便于拆卸，在這里選擇圓形彈性擋圈聯(lián)接的。但和方形卡環(huán)相比較在承軸向載荷方面不如方形卡環(huán)。4 制造技術(shù) 以德國

32、大眾公司等速萬向節(jié)制造技術(shù)為實(shí)例。該公司所屬一子公司共有員工550人，生產(chǎn)等速萬向節(jié)170種，其中固定式萬向節(jié)12種，軸向伸縮型萬向節(jié)8種，半軸65種（可組成170種等速萬向節(jié)）。每天生產(chǎn)2.1萬根。毛坯外協(xié)。筒形外殼、星形套的內(nèi)外道銑、磨及花鍵滾扎、螺紋加工均采用德國excello磨床公司的數(shù)控機(jī)床。筒形外殼滾到銑削、磨削工藝先進(jìn)，機(jī)床自動(dòng)化程度高。球槽銑削分組、精銑，采用三工位四軸數(shù)控球槽銑床加工，生產(chǎn)效率每小時(shí)達(dá)200件以上。滾到磨削采用數(shù)控球槽磨床，使用高效cbn砂輪，一臺(tái)機(jī)床同時(shí)加工兩個(gè)工件，每小時(shí)加工70-100件，滾到和花鍵柄部高頻感應(yīng)熱處理在生產(chǎn)線上進(jìn)行。星形套鍛后直接進(jìn)行磨削

33、內(nèi)滾道，采用普通砂輪，一臺(tái)機(jī)床同時(shí)加工兩個(gè)工件，集中熱處理。球籠窗口磨削采用數(shù)控六軸窗口磨床，每小時(shí)加工230-300件，集中熱處理。半軸分實(shí)心和空心兩種，空心軸為三段電弧焊而成。花鍵加工則采用先進(jìn)、高效的搓齒機(jī)。使用西門子數(shù)控系統(tǒng)加工，實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，多軸加工。5 球籠式萬向節(jié)的潤滑因?yàn)榍蚧\式有滑動(dòng)的擺動(dòng)，在外部工作和密封，一般才用脂潤滑。 采用優(yōu)質(zhì)的汽車鋰基潤滑脂潤滑，并用2.5%的mos2作為鋰基潤滑脂的添加劑。注意加脂量不能過多，以防止產(chǎn)生過熱事故，影響潤滑效果。mos2 是一種固體潤滑劑，過去在推廣使用中，主要是把它加入潤滑油或潤滑脂中作為提高潤滑油或潤滑脂性能的添加劑?，F(xiàn)在又廣泛作為

34、摩擦表面薄膜潤滑劑在復(fù)合自潤滑材料等方面使用，并已成功地用于軸承潤滑。該種潤滑的大致作法是：在摩擦面上先涂上微量的mos2 運(yùn)轉(zhuǎn)過程中仍采用規(guī)定的潤滑劑。實(shí)踐證明：軸承不僅得到兩號(hào)的潤滑效果，而且降低了軸承噪音，延長了軸承使用壽命。6 等速萬向節(jié)的效率 birfield加接觸等速萬向節(jié)的效率很高。據(jù)國外臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測得，在其工作角度為5-10度時(shí)，其效率可達(dá)到98%；而在其工作家督為0度的理想狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，其效率近似達(dá)到100%。效率的高低主要取決于結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)摩擦，而內(nèi)摩擦受到求得負(fù)載、速度和角度的影響，還受潤滑劑粘性阻力的影響。由萬向節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，鋼球在內(nèi)外滾道內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)

35、中，既有滑動(dòng)又有滾動(dòng)。由于壓力角的正確選擇，萬向節(jié)能控制滾動(dòng)與滑動(dòng)之比，大約為4：1。由于外滾到長度大于內(nèi)滾道的長度，可以認(rèn)為鋼球與內(nèi)滾到之間只有滾動(dòng)，而球與外滾道之間的的滑動(dòng)距離等于內(nèi)外滾道弧長之差。鋼球與內(nèi)外滾道之間既有滾動(dòng)摩擦又有滑動(dòng)摩擦。滑動(dòng)摩擦主要與潤滑介質(zhì)有關(guān)，在潤滑良好的狀況下，滾道摩擦和滑動(dòng)摩擦相比要小的多，可以忽略不計(jì)。由實(shí)驗(yàn)可得，萬向節(jié)受潤滑劑粘性阻力的影響很小，也可以忽略不計(jì)。由此殼認(rèn)為在萬向節(jié)中滑動(dòng)摩擦是效率損失中關(guān)鍵的部分。滑動(dòng)摩擦主要產(chǎn)生于鋼球與滾道之間、保持架與內(nèi)外滾道之間以及鋼球與保持架之間。6.1效率公式的推導(dǎo);在萬向節(jié)中，導(dǎo)致其效率降低的原因是扭矩的損失。效

36、率與扭矩?fù)p失的關(guān)系是： （6-1） 式中： 效率 扭矩?fù)p失 輸入扭矩6.2 扭矩?fù)p失公式的推導(dǎo): 由上所述，扭矩?fù)p失主要由鋼球與滾道之間、保持架與內(nèi)外滾道之間以及鋼球與保持架之間的滑動(dòng)摩擦所產(chǎn)生。故必須首先明確機(jī)構(gòu)中的受力情況。 在萬向節(jié)中，萬向節(jié)內(nèi)部摩擦受力情況如圖13的四種情況：圖13 萬向節(jié)內(nèi)部的摩擦受力情況6.3 鋼球與內(nèi)外滾道之間的摩擦損失： 在上圖13（1）中，鋼球在滾道中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。鋼球與滾道間的受力如圖所示。由于萬向節(jié)的壓力角為，萬向節(jié)中心到內(nèi)、外滾道的接觸半徑分別為r，。并且由圖可得： r= 式中： d鋼球直徑 d鋼球分布直徑 壓力角（） 在萬向節(jié)工作角度為時(shí)，鋼球與滾道面間的

37、扭矩為： 式中： 鋼球與滾道之間摩擦副摩擦系數(shù)； f鋼球與內(nèi)外滾道的正壓力。由圖上可知，式中：上式可以寫成：式中：f=6.4 鋼球與保持架之間的摩擦損失： 由前所述，外滾道的長度大于內(nèi)滾道的長度，當(dāng)鋼球在外滾道滑動(dòng)時(shí)，在鋼球與保持架的接觸區(qū)域內(nèi)，鋼球與保持架之間也有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。且其之間的力的作用為f,如圖13（2）所示。當(dāng)萬向節(jié)工作角度為時(shí)，鋼球與保持架之間的滑動(dòng)摩擦損失為： 式中： 鋼球與保持架之間摩擦副摩擦系數(shù) f鋼球與保持架之間的作用力 其中 ： f=26.5 外滾道與保持架之間的摩擦損失： 由于外滾道、保持架與鋼球之間均為球面副配合。當(dāng)萬向節(jié)存在工作角度時(shí)，外滾道和保持架之間產(chǎn)生摩擦，從

38、而造成摩擦損失，如圖13（3）所示。由力的平衡原理，、與在水平方向上平衡。由此可以得到： 式中： 外滾道與保持架之間摩擦副摩擦系數(shù) 如圖所示，與外滾道的長度、鋼球的分布半徑和萬向節(jié)的工作角度有關(guān) 當(dāng)萬向節(jié)存在工作角度時(shí)，外滾道與保持架之間的滑動(dòng)摩擦損失為： 式中：r 外滾道曲率半徑6.6 內(nèi)滾道與保持架之間的摩擦損失：如外滾道與保持架之間的關(guān)系一樣，由于內(nèi)滾道、保持架與鋼球之間也為球面副配合。當(dāng)萬向節(jié)存在工作角度時(shí)，內(nèi)滾道和保持架之間也產(chǎn)生摩擦，從而造成摩擦損失，如圖13（4）所示。由力的平衡原理，、與 在水平方向平衡。由此可以得到： 式中： 內(nèi)滾道與保持架之間摩擦副摩擦系數(shù) 如圖所示，與內(nèi)滾

39、道的長度、鋼球的分布半徑和萬向節(jié)的工作角度有關(guān) 當(dāng)萬向節(jié)存在工作角度時(shí)，外滾道與保持架之間的滑動(dòng)摩擦損失為： 綜上所述，萬向節(jié)扭矩?fù)p失主要由上述4中情況產(chǎn)生。因此，萬向節(jié)扭矩?fù)p失為：將式代入（6-1）式中，就可以計(jì)算出萬向節(jié)的效率7 萬向節(jié)壽命分析伯菲爾德等速萬向節(jié)采用了正常值這一概念來設(shè)計(jì)。所謂正常值即表示在一般情況下萬向節(jié)多能達(dá)到預(yù)計(jì)壽命的功率或扭距數(shù)值。壽命是指受疲勞因素所制約的使用時(shí)間，即是在一給定轉(zhuǎn)速下的使用小時(shí)數(shù)。為了確定一個(gè)壽命基準(zhǔn)，表面應(yīng)力規(guī)定為0.8437。此時(shí)，若萬向節(jié)在一定的應(yīng)用扭矩和100r/min的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)，其壽命為25200h。這種壽命僅是一種比較基準(zhǔn)，衡量能否達(dá)

40、到設(shè)計(jì)所要求的合理壽命。若扭矩比設(shè)計(jì)的扭矩高，轉(zhuǎn)速等于或高于100r/min時(shí)，則壽命將顯著縮短。計(jì)算時(shí)必須作必要的修正。 圖14所示為合速度系數(shù)與壽命的關(guān)系。所謂合速度系數(shù)是指為計(jì)算特定的角度和扭矩的速度系數(shù)，熟讀在這里是指應(yīng)力循環(huán)數(shù)或每分鐘的轉(zhuǎn)速。在萬向節(jié)尺寸初步確定后可在上表中查到對(duì)應(yīng)的扭矩。供設(shè)計(jì)時(shí)參考。 達(dá)到預(yù)計(jì)壽命時(shí)的扭矩或功率可按下式計(jì)算： 同時(shí)： 式中：表示轉(zhuǎn)速為100r/min，=1，能得到1500h計(jì)算壽命的扭矩（kgm），=0.0026s, 考慮萬向節(jié)夾角對(duì)壽命的影響因素，稱為角度因素。圖15表示出了在任何角度下運(yùn)轉(zhuǎn)的速度極限。它用代表萬向節(jié)不同尺寸的曲線表示，可以查出它

41、的具體的值； n轉(zhuǎn)速； 合速度系數(shù)。它取決于萬向節(jié)的工作角度和動(dòng)力性能； 在時(shí)的比功率，= 0.00037s s萬向節(jié)軸頸直徑（mm）圖14 波菲爾德等角速萬向節(jié)的和速度系數(shù)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的關(guān)系在n=100r/min；u=1500h；=1時(shí)，可以根據(jù)圖14查出=1.056.如果在已知扭矩m,轉(zhuǎn)速n和角度因素或比功率n，轉(zhuǎn)速n和角度因素，選擇萬向節(jié)所要求的壽命，則可用下式計(jì)算出合速度： 或 對(duì)于等扭矩、等速和等角度傳動(dòng)的萬向節(jié)，可以按圖14來估計(jì)壽命。 當(dāng)萬向節(jié)在不同工況下工作時(shí)，可按下面介紹的方法來確定萬向節(jié)的壽命。首先根據(jù)上式來計(jì)算出各種工況下的合速度系數(shù)然后，利用線圖14，根據(jù)已知的各種工況下的轉(zhuǎn)速n便可以得到各種工況下萬向節(jié)的使用壽命u令為萬向節(jié)的破壞比。萬向節(jié)在下運(yùn)轉(zhuǎn)，與總所的壽命時(shí)間u的比例，可得在這個(gè)時(shí)間內(nèi)萬向節(jié)壽命的比例為： 其它類似的可以根據(jù)以上公式算出壽命的比例。所有的這些比例加起來等于1因此按下式可以求出萬向節(jié)的總的壽命： 式中：，各種工況下的壽命時(shí)間占總壽命時(shí)間的百分比。設(shè)本次設(shè)計(jì)的小汽車的轉(zhuǎn)速n=200r/min，平均傳動(dòng)效率為95%，轉(zhuǎn)向角度10扭矩m=1800n.m占使用時(shí)間的百分比為28%根據(jù)圖1