伸縮型球籠式等速萬向節(jié)設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計說明書伸縮型球籠式等速萬向節(jié)設(shè)計系 ( 院):機械工程系專業(yè)：機械制造與自動化班級:08112學(xué)號： 22姓名: 0.0指導(dǎo)教師： 0.0成都工業(yè)學(xué)院2010年 5 月 25日0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)動性能。本設(shè)計根據(jù)在汽車傳動系統(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)特點與參數(shù)等。對球籠式等速萬向節(jié)的等速性、運動規(guī)律、受力情況、效率和壽命進行了深入分析。對重要零件進行了材料的選擇和工藝性分析。并且運用三維制圖軟件 Pro-e 和二維制圖軟件caxa，進行了輔助分析。關(guān)鍵詞等速萬向節(jié)汽車設(shè)計分析效率使用壽命軟件1ABSTRACTTele

2、scopic type of ball cage patterned constant speeduniversal joint is one of the key components of cars, whichdirectly affect vehicles to drive performance.Thisdesignaccordingtothestructureinautotransmissionsystem,todeterminethelayoutofballcagepatternedconstantspeeduniversaljointstructurecharacteristi

3、csand parametersetc.Of ballcage patternedconstantspeeduniversaljointofconstantsex,motion,stress, efficiency and analyzes the service life.Animportantpartoftheanalysisofthechoiceofmaterialsand workmanship.And touse 3d drawingsoftwarePro-eand2dgraphicssoftwarecaxa,theauxiliaryanalysis.Keywords: rzeppa

4、 constant velocity joins; Car; Design; Analysis; Efficiency; Service life; software.2目錄摘要 ?10 引言 ?40.1汽車萬向節(jié)與傳動軸技術(shù)發(fā)展綜述 ?40.2球籠式等速萬向節(jié)的發(fā)展?fàn)顩r ?50.3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 ?131.4.2鋼球回轉(zhuǎn)中心徑 ?151.4.3筒形外殼溝道溝槽形狀及設(shè)計參數(shù)?161.4.4溝道偏心距 ?171

5、.4.5萬向節(jié)基本尺寸的確定 ?182 萬向節(jié)運動分析與力學(xué)分析 ?222.1鋼球的運動分析 ?2232.1.1鋼球的運動軌跡 ?222.1.2鋼球沿 y 軸方向運動 ?242.1.3鋼球沿徑向運動 ?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鋼球位置計算 ?282.2.2鋼球運動平面與原始平面對應(yīng)半徑的夾角 ?302.2.4橢圓上各鋼球的圓周力 ?312.3保持架運動和受力分析 ?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 ?343.1.2筒形外殼工藝流程 ?343.2球籠 ?363.2.1

6、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 ?4043.5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)計總結(jié) ?5410 謝詞

7、?5511 參考文獻 ?575引言0.1 汽車萬向節(jié)與傳動軸技術(shù)發(fā)展綜述在汽車傳動系和驅(qū)動系中， 萬向節(jié)和傳動軸作為一種重要的工程部件獲得了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)運動學(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，傳動軸可分為：虎克萬向節(jié)傳動軸 ；球籠式萬向節(jié)傳動軸；三樞軸式萬向節(jié)傳動軸。大家知道，傳動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能盡可能均勻滴傳遞扭矩和

8、旋轉(zhuǎn)運動。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展， 特別是前輪驅(qū)動橋車大量生產(chǎn)一來，萬向節(jié)和傳動軸，尤其是等速萬向節(jié)傳動軸的設(shè)計理論和制造技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。當(dāng)今國際上，萬向節(jié)和傳動軸生產(chǎn)廠加之間的競爭日趨6勢激烈：把一種新產(chǎn)品投放市場，不僅要求騎強度和壽命應(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)被國家列為重點扶持的關(guān)鍵零部件項目之一。但由于起步較晚，與國外相比，無論是從產(chǎn)品的設(shè)計、 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

9、稱Rzeppa型），后經(jīng)過多次改進。 1958 年英國波菲爾（ Birfidld）集團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社引進這項新技術(shù)，進行了大量生產(chǎn)、 銷售，并于 1965 年又試制成功了可作軸向滑動的伸縮型（亦稱雙效補償型，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 個國家進行了專利主城。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7度機構(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

10、弧滾到其半徑大一個間隙，因此最大接觸應(yīng)力常發(fā)生在滾道邊緣處。當(dāng)鋼球的載荷很大時，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)實現(xiàn)的。而伸縮型的等速傳動則依靠保持架（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。因此對此種萬向節(jié)的潤滑、密封應(yīng)

11、給與足夠的重視。球籠式等速萬向節(jié)所才用的潤滑劑主要取決于轉(zhuǎn)速和角度。在轉(zhuǎn)速高達 1500r/min 時，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，則使用潤滑油。同時，萬向節(jié)的密封裝置應(yīng)包成潤滑8劑步泄漏。常用筒式波紋型橡膠密封罩。萬向節(jié)結(jié)構(gòu)與設(shè)計參數(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，星形套與筒形殼可以沿軸向相對移動，故可省去其它萬向傳動裝置的滑動花鍵。這不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且由于軸向相對移動是通過鋼球沿內(nèi)、外滾道滾動實現(xiàn)的，所以與滑動花鍵相比，其滾動阻力小，傳動效率高。這種萬向節(jié)允許的工作最大夾角為20。Rzeppa 型球籠

12、式萬向節(jié)主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，目前應(yīng)用較少。Birfield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)用在具有獨立懸架的轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中， 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)，其工作特點是所有傳力點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)動橋、斷開式驅(qū)動橋等的車輪傳動裝置9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)由于汽油六個鋼球同時承載，承載能力及耐沖擊能力強、傳動效

13、率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，工作角很大。適合輕型汽車上應(yīng)用。101、從動軸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 兩點的距離也相等。 保持架的內(nèi)外球11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，保持架科研內(nèi)、外球面滑動，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COACOB

14、，因此，COACOB , 即兩軸相交任意角時，其傳力鋼球的中心C都位于夾角的平分面上。此時，傳力鋼球到主動軸和從動軸的距離a 和 b 相等，根據(jù)公式： vr ，. 由于傳力鋼球的速度（ v ）相同，半徑 r a b ，從而保證了主、從動軸以相等的角速度轉(zhuǎn)動。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12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，再選擇一個大于 /2 楔角的角度作為偏移角，并求其相對應(yīng)的中心偏置距。最大楔角的確定方法如下：由圖 2 可見，鋼球在楔角時剛好楔緊。由于在楔緊狀態(tài)下內(nèi)外環(huán)作

15、用在鋼球上的法相壓力有將鋼球推向分離的趨勢，因此在接觸點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)。在圖中建立坐標(biāo)系XOY，則當(dāng)鋼球處于楔緊狀態(tài)時，應(yīng)滿足下式：Pxf2 N 2N1 sinf1 N1 sin0（1-1 ）PyN 2N1 cosf1N1 sin0（1-2 ）M e( f 2 N2f1 N1)r0（1-3 ）式中：N1 、 N2 內(nèi)環(huán)、外環(huán)與鋼球接觸點上的壓力；f1 內(nèi)環(huán)與鋼球接觸點處的摩擦系數(shù)；13f2 外環(huán)與鋼球接觸點處的摩擦系數(shù)； 楔角； 半徑。由式（ 1-1 ）、（1-2 ）可得：由式（ 1-1 ）、（1-3 ）可得：f1f 2tg1

16、f 2 f 2tgf12tgf1-4 ）（1-5 ）2由式（ 1-2 ）、（1-3 ）可得：2（1-6 ）在楔緊狀態(tài)下，鋼球與內(nèi)外環(huán)之間均為靜止滑動摩擦，故有：f1 f 2fetg e（1-7）即（ 1-4 ）、（1-7 ）可得楔進條件為：tg2 fe2tgetg 2 e1 fe21 tg 2e即2e（1-8 ）由式（ 1-3 ）、（1-7 ）可得：N1N2由式（1-8 ）可知，當(dāng)2 e 時，鋼球處于鎖止?fàn)顟B(tài)。故保證了等速萬向節(jié)的等速性。141.4 參數(shù)確定1.4.1萬向節(jié)軸徑和鋼球直徑對于球籠式萬向節(jié)，其軸徑尺寸S(萬向節(jié)的名義尺寸 ) 可按下面經(jīng)驗公式計算：SM max SFmm8.72

17、10 2式中， SF 為使用因素影響系數(shù)，對傳動軸而言， SF 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SF =1.2 ；M max 為傳動軸傳遞的最大扭矩。取動力輸出最大轉(zhuǎn)矩158N m，額定轉(zhuǎn)速 n4000 r/min ，主減速器傳動比i3.5 ，變速器一檔傳動比i g 3.2 。所以傳動軸最大扭矩為M maxM i i g0.5 885（N m）經(jīng)計算 S23.02mm ，由于球籠式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計系列標(biāo)準(zhǔn)，見表1。取 S23.8mm，鋼球直徑為 d18.000 mm。15表 1 球籠萬向節(jié)系列數(shù)據(jù)（部分）尺寸名義758795100113125150單位與星型套

18、聯(lián)接的軸mm19.122.223.825.428.631.838.1徑直接鋼球直徑mm14.28816.66918.00019.05021.43123.81228.575最大22.42/26.67/26.67/30.48/33.15/37.16/46.10/mm直徑22.3526.5926.5930.3533.0237.0845.97星最小20.22 、 24.67/24.67/25.53/30.61/33.35/41.28/mm型套直接20.0924.5624.5625.4030.4833.2241.1522.75/22.75/22.75/10.50/槽距mm20/4020/4013/264

19、5.545.545.521花鍵齒數(shù)192323232518球殼外徑mm70818892103115137161.4.2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)中心徑可按下式計算DK ( DeiDk )其中： K 鋼球回轉(zhuǎn)中心徑系數(shù)，一般取K0.52 ；Dei 星型套內(nèi)花鍵大經(jīng)，為26.60mm；Dk 筒形外殼最大外徑，為88mm。計算得， D59.59 mm?。?D60。1.4.3筒形外殼溝道溝槽形狀及設(shè)計參數(shù)由于星型套滾道接觸點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

20、較短，設(shè)計時應(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)計采用雙偏心弧形的滾道形式，其主參數(shù)設(shè)計計算如下。171）溝道截面圓弧半徑筒形外殼溝道圓弧半徑可按下式計算Rkfk d取 fk0.52，得 Rk 9.36mm。2）溝道接觸角鋼球與筒形外殼溝道截面圓弧的切點和鋼球中心線與鋼球縱向中心線的夾角為接觸角，一般45 。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hRk1 d sin2代入數(shù)據(jù)得： h0.255mm。4）溝底間隙筒形外殼底部與鋼球的間隙可通過結(jié)構(gòu)分析由下式計算：22dRkhh代入數(shù)據(jù)得：0.102mm1.4.4溝

21、道偏心距18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 e為eAOBO1 D sin2取17 ，計算得 e 3.60mm 。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)于鋼球中心對稱的雙偏心圓弧型，其主要參數(shù)的設(shè)計計算與筒形外殼相同。1.4.5萬向節(jié)基本尺寸的確定1）傳力鋼球分布半徑由經(jīng)驗公式： R(1.651.71)d又知： d18 得： R29.730.78?。?R 30 2）球籠厚度19圖 3 球籠基本尺寸由公式： b0.185d又 d 18 得： b3.33 取： b 3 3）星型套

22、基本尺寸20圖 4 星型套基本尺寸星型套寬度由公式： B 1.8d推出： B32.4 又知球籠厚度為3，鋼球分布半徑30，可推出星型套外徑D157）球籠寬度由公式：B1 B推出：B1 32.421）球籠槽的寬度由公式：b1 d推出： b118）球籠槽長度由公式：l1 (1.33 1.8)d推出： l123.9432.4?。?l124）中心偏移距由公式： h(0.120.15)d推出： h 2.162.7 ?。?h2.4 8）軸頸由公式：d1 1.4d推出： d125.2 星型套花鍵外徑由公式：d2 1.55d22推出： d227.9 取： d230 ）筒形外殼滾道長度圖 5 筒形外殼基本尺寸由

23、公式： l2.4d推出： l 43.2 l43.2 ?。?l58 中心偏移角由公式：45.5萬向節(jié)運動分析與力學(xué)分析232.1 鋼球的運動分析2.1.1鋼球的運動軌跡在球籠式等速萬向節(jié)中，鋼球是主要的傳力部件，鋼球的運動對萬向節(jié)的工作能力和性能騎著舉足輕重的作用。在工作時，鋼球的每個方向都有機會傳遞扭矩。因此對鋼球的運動規(guī)律和手里情況必須進行細(xì)致的分析。圖 6 鋼球的運動如圖 6（a）所示，當(dāng)主動軸與從動軸之間沒有夾角時，鋼球的運動平面?zhèn)鲃虞S垂直，此時，鋼球的運動軌跡為圓。x2z2r 2 （2-1 ）當(dāng)主動軸與從動軸之間存在夾角0 之后，鋼球的運動平面不再與24軸垂直（對于球籠式等速萬向節(jié)，存

24、在0 / 2 偏差），因此，當(dāng)豬都周旋轉(zhuǎn)時，鋼球有三種運動分量：（1） 收轉(zhuǎn)軸的牽連，繞軸線作周而復(fù)始的圓周運動，鋼球的運動軌跡為橢圓，如圖6（a）。（2） 沿軸向（平行于軸線）作往復(fù)的曲線運動，鋼球處于橢圓的短軸位置時，產(chǎn)生軸向位移，橢圓長軸的兩端點，對應(yīng)軸向運動的邊界轉(zhuǎn)動一周，每個鋼球在此區(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)的直線運動，鋼球處于橢圓的短軸位置時，為運動的最低點；處于橢圓的長軸位置時，為運動的最高點；轉(zhuǎn)動一周，每個鋼球在最高和最低點的區(qū)間里，往返兩次，如圖 6（d）。對應(yīng)于上述三種運動變量， 分別計算鋼球的線速度和線加速度，由于為考慮兩軸間夾角變

25、化，此處不計哥氏加速度。假設(shè)鋼球的軌跡方程式為：x2z21a2b2（2-2 ）zx tan 0 t （2-3 ）25式中： a 橢圓短軸； 橢圓長軸； 傳動軸角速度。又a rb r / cos(0/2)（r 為鋼球分布圓半徑）x2z2r推出cos 0t cos2 (0 / 2)t sin 20 t（2-4）式中：為橢圓上任意點到萬向節(jié)中心的距離。2.1.2鋼球沿 y 軸方向運動當(dāng)萬向節(jié)輛傳動軸之間沒有夾角時，萬向節(jié)的傳力平面與傳動軸垂直，鋼球沒有軸向運動。當(dāng)傳動之間夾角為0 時，鋼球產(chǎn)生軸向運動。在 y 軸方向，鋼球主要受內(nèi)滾道軌道的限制。此時，鋼球沿內(nèi)滾道作曲線運動，如圖6（c）所示。由鋼球

26、的運動軌跡和圖6（c）可知，ysin0z sin022 （2-5 ）zsin0tysin0t sin02 （2-6）26對 y 求導(dǎo)，解得鋼球的y 向速度和 y 向加速度為：dy0 sin0cos0 tsin 2 (2 0t )sin 4 ( 0t )r13dt2(cos20tcos20 sin2(cos30t cos2 0 sin 20t ) 20t) 222（2-7）1(cos20 tcos20 sin 20t )3d2y2r0 sin0 sin0t2dt 22 (20 t)0t )sin 20t)sin(20t)sin 4 ( 0t )22(sincos(2(cos20t (cos2 0

27、 sin 23(cos3cos2 0 sin250 t ) 20t0 t ) 222（2-8）2.1.3鋼球沿徑向運動如前所述，鋼球在徑向，即在z 方向上，做往復(fù)的直線運動。此時，有力學(xué)分析可得：徑向速度：dpr sin(20t )sin202Vr3dt(cos20t cos2 0 sin 20t) 22（2-9 ）徑向加速度：27(sin(20t)sin 20 )225(cos2tcos2 0sin22t ) 2dp020r2ar20dtsin2 (20t )2cos(20t )sin 202(cos2cos20sin 230t0t)22（2-10 ）2.1.4鋼球的切向速度與切向加速度由于

28、鋼球在任意瞬時，即有沿軸向的運動，又有沿徑向的運動，還有與傳動軸在一起的牽連運動。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。28圖 7 鋼球的瞬時速度與加速度由理論力學(xué)可得：切向速度：v（2-11 ）29切向加速度：2.2萬向節(jié)受力分析2.2.1鋼球位置計算ardvdddtdtdt0 sin 20ttan2(cos2cos20 sin210t0t)2r 02 sin2sin(20t )sin202(cos2cos20 sin230t0t )22（2-12 ）由上述可知，在兩軸之間存在夾角時，鋼球運動軌跡為橢圓，且鋼球還有軸向和徑向運動，所以騎運動非

29、常復(fù)雜。在對萬向節(jié)進行受力分析時，必須首相確定某一瞬時鋼球的位置。如前所述，鋼球的橢圓軌跡為：橢圓方程：式中：x2z21a2b2（2-13 ）arbr / cos( 0 / 2)30圖鋼球位置計算如圖 8 所示，過每一鋼球和萬向節(jié)中心連線，得：zkx式中：ktan( o(i1)3式中：o 假設(shè)中的第一個鋼球在某一時刻的角度。將br / cos( 0 / 2) 代入 （2-13 ）式中x2(z cos 0 )2r 2得：2將zktan( o(i 1)kx和3代入上式，x2 (1tan2 ( o(i 1) cos20 )r 2得：32（2-14 ）31212( o (i 1)20上式中，令tan)

30、 cos32由此，可得鋼球位置為：xir（2-15 ）zik rr tan( o (i 1) )3（2-16 ）由式（ 2-9 ），可得yizsin0r tan( o (i 1) ) cos20（2-17 ）2322.2.2鋼球運動平面與原始平面對應(yīng)半徑的夾角當(dāng)主、從傳動軸之間存在夾角時，每個鋼球的運動半徑與對應(yīng)的原始半徑之間存在夾角i ，由萬向節(jié)中鋼球的空間位置可知，sin 1 ( y1 )1（2-18 ）2.2.3橢圓上諸點到轉(zhuǎn)軸的距離由萬向節(jié)鋼球的空間位置和圖9 可知，hiicos i（2-19）32式中：i1.6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)機可以得到：

31、Ti hiT1h1T2 h2Tn hnmr（2-20 ）將式（ 2-19 ）代入上式，并結(jié)合圖9，可以得到：T1 :T2 :T3 :T4 : T5 : T6h1 : h2 : h3: h4: h5: h6（2-21）33T1h1Th22Th33mrT4h4T5h5T6h6即：hhi1(h2h 2h 2h2h 2h2 )式中：；123456解得：T1mT h1h22h3 2h4 2h52h62 )( h12T2mT h2h22h32h4 2h52h62 )( h12T6mT h62h22h32h4 2h52h62 )（2-22 ）( h1所得 T1、T2、T3、 T4、 T5、T6 即為六個鋼球

32、的受力情況。2.3 保持架運動和受力分析在球籠式等速萬向節(jié)中，6 個鋼球受保持架6 個窗口的限制，并使 6 個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，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34度下使球保持在一個平面上。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：、沒有球籠，只有半球在一個旋轉(zhuǎn)方向上傳遞力矩。、軌道在一個限定的公差范圍內(nèi)制造。、由于每對軌道在任意負(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。在有球籠式的傳動系中，軌道將通過球籠和其他軌道共同作用。當(dāng)主、從

33、動軸之間存在某個角度時，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)動時，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)驗公式為：Fc =Tsine tan tan式中： T 扭矩；35e 偏置距；1= cos （ 2e/ D）式中： D 鋼球分布圓半徑；= tan 0 / sin式中：0 壓力角； 兩軸夾角萬向節(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

34、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。對毛坯在低硬度條件下加工后，對內(nèi)球面軌道滾道進行熱處理，熱處理至表面硬度62HRC，淬硬深度Rht550=1.1+1.0 。接著對內(nèi)球面、軌道和支承部位進行磨削。3.1.2筒形外殼工藝流程36圖 10筒形外殼序號工序主要內(nèi)容01鑄造02熱處理時效03銑銑前后端面04車外圓及倒角先進行大端車削再小端05車內(nèi)圓半精車至 5406鏜孔小端孔半精鏜精鏜至 36H73707拉花鍵立式拉床08清洗清洗機上清洗09軌道和花鍵表面進筒形外殼淬火機床行高頻淬火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13清洗

35、清洗機14鉗工去毛刺15磁力探傷磁力探傷機16檢驗17流入裝配區(qū)3.2 球籠3.2.1球籠材料的選擇材料選擇為 20CrMnTi。窗孔沖壓達到 RF125的尺寸。在硬度低的38條件下加工后，對球籠進行滲碳處理。然后對內(nèi)、外球面和窗孔進行磨削。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球籠序號工序主要內(nèi)容01鑄造02熱處理時效03車車端面以及內(nèi)球面04車車另一端面及外球面3905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

36、面窗孔磨床12清洗清洗機13磁力探傷磁力探傷機14檢驗15流入裝配區(qū)3.3 星形套3.3.1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40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。達到 RF-125 級別時，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41序號工序主要內(nèi)容01鑄造02熱處理時效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

37、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10磁力探傷磁力探傷機11檢驗12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軸主要用45 鋼制成，其表面淬硬深度42Rhtr450=2.5+2.0 ，表面硬度值為58HRC。長傳動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)矩傳給傳動軸的推薦方法。3.5 鋼球3.5.1鋼球材料選擇用滾動軸承制品，品質(zhì)/ ，采用 DIN5401 標(biāo)準(zhǔn)。萬向節(jié)安裝要求幾乎沒有游隙。可以來回慢慢的變換萬向節(jié)夾角來檢測游隙。在這種情況下，游隙約達3%軸間夾角。3.6 星形套與半軸的固定為

38、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)。制造技術(shù)以德國大眾公司等速萬向節(jié)制造技術(shù)為實例。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43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)控機床。筒形外殼滾到銑削、磨削工藝先進，機床自動化程度高。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)效率每小時達 200 件以上。滾到磨削采用數(shù)控球槽磨床，使用

39、高效 CBN砂輪，一臺機床同時加工兩個工件， 每小時加工 70-100 件，滾到和花鍵柄部高頻感應(yīng)熱處理在生產(chǎn)線上進行。星形套鍛后直接進行磨削內(nèi)滾道，采用普通砂輪，一臺機床同時加工兩個工件，集中熱處理。球籠窗口磨削采用數(shù)控六軸窗口磨床，每小時加工230-300 件，集中熱處理。半軸分實心和空心兩種，空心軸為三段電弧焊而成。花鍵加工則采用先進、高效的搓齒機。 使用西門子數(shù)控系統(tǒng)加工， 實現(xiàn)多軸聯(lián)動，多軸加工。球籠式萬向節(jié)的潤滑44因為球籠式有滑動的擺動， 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

40、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運轉(zhuǎn)過程中仍采用規(guī)定的潤滑劑。實踐證明：軸承不僅得到兩號的潤滑效果，而且降低了軸承噪音，延長了軸承使用壽命。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)國外臺架實驗測得，在其工作角度為5-10 度時，其效率可達到98%；而在其工作家督為0度的理想狀態(tài)下運行時，其效率近似達到100%。效率的高低主要取

41、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45萬向節(jié)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，鋼球在內(nèi)外滾道內(nèi)往復(fù)運動。在運動中，既有滑動又有滾動。由于壓力角的正確選擇，萬向節(jié)能控制滾動與滑動之比，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，而球與外滾道之間的的滑動距離等于內(nèi)外滾道弧長之差。鋼球與內(nèi)外滾道之間既有滾動摩擦又有滑動摩擦?；瑒幽Σ林饕c潤滑介質(zhì)有關(guān)，在潤滑良好的狀況下，滾道摩擦和滑動摩擦相比要小的多，可以忽略不計。由實驗可得，萬向節(jié)受潤滑劑粘性阻力的影響很小，也可以忽略不計。由此殼認(rèn)為在萬向節(jié)中滑動摩擦是效率損失

42、中關(guān)鍵的部分?；瑒幽Σ林饕a(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。效率與扭矩?fù)p失的關(guān)系是：1TTm式中：（6-1 ）效率扭矩?fù)p失Tm 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46之間以及鋼球與保持架之間的滑動摩擦所產(chǎn)生。故必須首先明確機構(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)運動。鋼球與滾道間的受力如圖所示

43、。由于萬向節(jié)的壓力角為 45 ，萬向節(jié)中心到內(nèi)、外滾道的接觸半徑分別為 R1 ， R0 。并且由圖可得：R=( d ) 2( Dd11sin)222d2R0 ( d ) 2( Dd1sin ) 2 22d2式中：d鋼球直徑D鋼球分布直徑壓力角（45 ）在萬向節(jié)工作角度為時，鋼球與滾道面間的扭矩為：47T16(FR0COSCOS 0FCOSR1COS 1 )sin式中：鋼球與滾道之間摩擦副摩擦系數(shù)；鋼球與內(nèi)外滾道的正壓力。由圖上可知，式中：R0 cos 0R1 cos 1d cos上式可以寫成：T11F d sin62式中： F=PCOS6.4 鋼球與保持架之間的摩擦損失：由前所述，外滾道的長度

44、大于內(nèi)滾道的長度，當(dāng)鋼球在外滾道滑動時，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運動。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BC度為時，鋼球與保持架之間的滑動摩擦損失為：T2Fbc d sin2式中：鋼球與保持架之間摩擦副摩擦系數(shù)FBC鋼球與保持架之間的作用力其中 ： F BC =2FC6.5 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，外滾道和保持架之間產(chǎn)生摩擦，從而造成摩擦損失，如48圖 13（3）所示。由力的平衡原理， FCO 、 FCO 與 Fc 在水平方向上平衡。由此可以得到：FCFCOcos

45、 COsinCD式中：外滾道與保持架之間摩擦副摩擦系數(shù)CO 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，外滾道與保持架之間的滑動摩擦損失為：FC RT3sincos COsinCO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，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， FCi 、 FCi 與 FC 在水平方向平衡。由此可以得到：FCiFCcos CisinCi式中：內(nèi)滾道與保持架之間摩擦副

46、摩擦系數(shù)Ci 如圖所示，與內(nèi)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)49當(dāng)萬向節(jié)存在工作角度時，外滾道與保持架之間的滑動摩擦損失為：FC RT4sincos CisinCi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：TT1T2T3T4將T 式代入（ 6-1 ）式中，就可以計算出萬向節(jié)的效率萬向節(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。所謂正常值即表示在一般情況下萬向節(jié)多能達到預(yù)計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間，即是在一給定轉(zhuǎn)速下的使用小時數(shù)。為了確定一個壽命基準(zhǔn)，表面應(yīng)力c 規(guī)定為 0.8437 。此時，若萬向節(jié)在一

47、定的應(yīng)用扭矩和100r/min 的情況下運轉(zhuǎn)，其壽命為 25200h。這種壽命僅是一種比較基準(zhǔn)，衡量能否達到設(shè)計所要求的合理壽命。若扭矩比設(shè)計的扭矩高，轉(zhuǎn)速等于或高于100r/min 時，則壽命將顯著縮短。計算時必須作必要的修正。圖 14 所示為合速度系數(shù)X C 與壽命的關(guān)系。 所謂合速度系數(shù)是指50為計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應(yīng)的扭矩。供設(shè)計時參考。達到預(yù)計壽命時的扭矩或功率可按下式計算：M100XC K()M1.056kgf mNXK n同時：N100C式中： M 100 表示轉(zhuǎn)速為100r/min ， K

48、 =1，能得到 1500h 計算壽命的扭矩（ kg m）， M 100 =0.0026S 3 ,K考慮萬向節(jié)夾角對壽命的影響因素，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，可以查出它的具體的值；轉(zhuǎn)速；X C 合速度系數(shù)。它取決于萬向節(jié)的工作角度和動力性能；N100 在 M 100 時的比功率，N100 = 0.00037S 3萬向節(jié)軸頸直徑（ mm）51圖 14 波菲爾德等角速萬向節(jié)的和速度系數(shù)和運轉(zhuǎn)時間的關(guān)系在 n=100r/min ；U=1500h； K =1 時，可以根據(jù)圖 14 查出 X C =1.056.如果在已知扭矩M,轉(zhuǎn)速 n 和角度因素 K 或比功率 N，轉(zhuǎn)速 n 和角度因素 K，選擇萬向節(jié)所要求的壽命，則可用下式計算出合速度X C ：1.056MX CM100K或52105.6NX CN100Kn對于等扭矩、等速和等角度傳動的萬向節(jié)，可以按圖14 來估計壽命。當(dāng)萬向節(jié)在不同工況下工作時，可按下面介紹的方法來確定萬向節(jié)的壽命。首先根據(jù)上式來計算出各種工況下的合速度系數(shù)X C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 1 為萬向節(jié)的破壞比。U萬向節(jié)在 1 下運轉(zhuǎn)，與總所的壽命時間U0 的比例，可得在這個時間U內(nèi)萬