伸縮型球籠式等速萬(wàn)向節(jié)設(shè)計(jì)

-.z.畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)伸縮型球籠式等速萬(wàn)向節(jié)設(shè)計(jì)系(院):機(jī)械工程系專(zhuān)業(yè)：機(jī)械制造與自動(dòng)化班級(jí):08112學(xué)號(hào)：22姓名:0.0指導(dǎo)教師：0.0**工業(yè)學(xué)院2010年5月25日摘要伸縮型球籠式等速萬(wàn)向節(jié)是汽車(chē)的關(guān)鍵部件之一，它直接影響車(chē)輛的轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)性能。本設(shè)計(jì)根據(jù)在汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的布置，確定球籠式等速萬(wàn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與參數(shù)等。對(duì)球籠式等速萬(wàn)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ca*a，進(jìn)行了輔助分析。關(guān)鍵詞等速萬(wàn)向節(jié)汽車(chē)設(shè)計(jì)分析效率使用壽命軟件ABSTRACTTelescopictypeofballcagepatternedconstantspeeduniversaljointisoneofthekeyponentsofcars,whichdirectlyaffectvehiclestodriveperformance.Thisdesignaccordingtothestructureinautotransmissionsystem,todeterminethelayoutofballcagepatternedconstantspeeduniversaljointstructurecharacteristicsandparametersetc.Ofballcagepatternedconstantspeeduniversaljointofconstantse*,motion,stress,efficiencyandanalyzestheservicelife.Animportantpartoftheanalysisofthechoiceofmaterialsandworkmanship.Andtouse3ddrawingsoftwarePro-eand2dgraphicssoftwareca*a,theau*iliaryanalysis.Keywords:rzeppaconstantvelocityjoins;Car;Design;Analysis;Efficiency;Servicelife;software.目錄TOC\o"1-3"\h\u29126摘要1230410引言4117850.1汽車(chē)萬(wàn)向節(jié)與傳動(dòng)軸技術(shù)發(fā)展綜述4189330.2球籠式等速萬(wàn)向節(jié)的發(fā)展?fàn)顩r5281960.3球籠式等速萬(wàn)向節(jié)的潤(rùn)滑及密封技術(shù)現(xiàn)狀623161萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)參數(shù)確定715111.1結(jié)構(gòu)選擇7243331.2等速證明9315301.3等速萬(wàn)向節(jié)等速的保證 10112881.4參數(shù)確定13219341.4.1萬(wàn)向節(jié)軸徑和鋼球直徑13325711.4.2鋼球回轉(zhuǎn)中心徑 15157001.4.3筒形外殼溝道溝槽形狀及設(shè)計(jì)參數(shù) 1624871.4.4溝道偏心距 17111921.4.5萬(wàn)向節(jié)基本尺寸的確定 1878502萬(wàn)向節(jié)運(yùn)動(dòng)分析與力學(xué)分析22121952.1鋼球的運(yùn)動(dòng)分析 2285062.1.1鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡 22310112.1.2鋼球沿y軸方向運(yùn)動(dòng) 24237582.1.3鋼球沿徑向運(yùn)動(dòng) 25233682.1.4鋼球的切向速度與切向加速度 26246662.2萬(wàn)向節(jié)受力分析 2863542.2.1鋼球位置計(jì)算 28319502.2.2鋼球運(yùn)動(dòng)平面與原始平面對(duì)應(yīng)半徑的夾角 30151962.2.4橢圓上各鋼球的圓周力 31184632.3保持架運(yùn)動(dòng)和受力分析 32288653萬(wàn)向節(jié)主要零件的材料選擇及工藝流程34208753.1筒形外殼 3422573.1.1筒形外殼材料的選擇 227853.1.2筒形外殼工藝流程 34157653.2球籠 36109733.2.1球籠材料的選擇 366813.3星形套 3826383.3.1星形套材料選擇 38154803.3.2星形套工藝流程 39102713.4半軸 40206833.4.1半軸材料的選擇 100193.5鋼球 4151033.5.1鋼球材料選擇 4132653.6星形套與半軸的固定 41308784制造技術(shù)41138845球籠式萬(wàn)向節(jié)的潤(rùn)滑42115676等速萬(wàn)向節(jié)的效率43242226.1效率公式的推導(dǎo); 44221236.2扭矩?fù)p失公式的推導(dǎo): 4476516.3鋼球與內(nèi)外滾道之間的摩擦損失： 453356.4鋼球與保持架之間的摩擦損失： 4656966.5外滾道與保持架之間的摩擦損失： 4650546.6內(nèi)滾道與保持架之間的摩擦損失： 47144727萬(wàn)向節(jié)壽命分析48153118設(shè)計(jì)總結(jié)541656910謝詞55682511參考文獻(xiàn)570引言0.1汽車(chē)萬(wàn)向節(jié)與傳動(dòng)軸技術(shù)發(fā)展綜述在汽車(chē)傳動(dòng)系和驅(qū)動(dòng)系中，萬(wàn)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(wàn)向節(jié)可劃分為非等速、等速和準(zhǔn)等速萬(wàn)向節(jié)三種，單個(gè)虎克萬(wàn)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(wàn)向節(jié)和三樞軸（Tripode）萬(wàn)向節(jié)的等特征則分別由后來(lái)的Metzner和MicheOrain獲得證明。根據(jù)萬(wàn)向節(jié)類(lèi)型，傳動(dòng)軸可分為：虎克萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸；球籠式萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸；三樞軸式萬(wàn)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轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，特別是前輪驅(qū)動(dòng)橋車(chē)大量生產(chǎn)一來(lái)，萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)軸，尤其是等速萬(wàn)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(guó)際上，萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)軸生產(chǎn)廠加之間的競(jìng)爭(zhēng)日趨勢(shì)激烈：把一種新產(chǎn)品投放市場(chǎng)，不僅要求騎強(qiáng)度和壽命應(yīng)滿(mǎn)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(jìng)爭(zhēng)性和輕量化。我國(guó)"八五”開(kāi)始重視轎車(chē)的發(fā)展，作為關(guān)鍵零部件之一的等速萬(wàn)向節(jié)被國(guó)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(guó)外相比，無(wú)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(wàn)向節(jié)的發(fā)展?fàn)顩r球籠式等速萬(wàn)向節(jié)是奧地利A.H.Rzeppa于1926年發(fā)明的（簡(jiǎn)稱(chēng)Rzeppa型），后經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)。1958年英國(guó)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(chēng)Birfield型：或普通型，簡(jiǎn)稱(chēng)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(xiāo)售，并于1965年又試制成功了可作軸向滑動(dòng)的伸縮型（亦稱(chēng)雙效補(bǔ)償型，簡(jiǎn)稱(chēng)DOJ型）球籠萬(wàn)向聯(lián)軸器。目前，球籠式等速萬(wàn)向節(jié)已在日、英、美、德、法、意等12個(gè)國(guó)家進(jìn)行了專(zhuān)利主城。Birfield型和Rzeppa型萬(wàn)向節(jié)在結(jié)構(gòu)上的最大區(qū)別，除沒(méi)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(wàn)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(wàn)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(wàn)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(wàn)向節(jié)中心O的兩邊實(shí)現(xiàn)的。0.3球籠式等速萬(wàn)向節(jié)的潤(rùn)滑及密封技術(shù)現(xiàn)狀衛(wèi)視球籠式等速萬(wàn)向節(jié)都能可靠的正常工作，必須使其保持良好的潤(rùn)滑狀態(tài)，否則就會(huì)造成金屬元件的直接接觸，加劇萬(wàn)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(wàn)向節(jié)的潤(rùn)滑、密封應(yīng)給與足夠的重視。球籠式等速萬(wàn)向節(jié)所才用的潤(rùn)滑劑主要取決于轉(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(rùn)滑油。同時(shí)，萬(wàn)向節(jié)的密封裝置應(yīng)包成潤(rùn)滑劑步泄漏。常用筒式波紋型橡膠密封罩。1萬(wàn)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(wàn)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(wàn)向傳動(dòng)裝置的滑動(dòng)花鍵。這不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且由于軸向相對(duì)移動(dòng)是通過(guò)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(wàn)向節(jié)允許的工作最大夾角為20°。Rzeppa型球籠式萬(wàn)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。Birfield型球籠式萬(wàn)向節(jié)和伸縮型球籠式萬(wàn)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(wàn)向節(jié)，靠近差速器一側(cè)則采用伸縮型球籠式萬(wàn)向節(jié)。伸縮型萬(wàn)向節(jié)還被廣泛地應(yīng)用到斷開(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋中。伸縮型球籠式等速萬(wàn)向節(jié)屬于等速萬(wàn)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(wàn)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(kāi)式驅(qū)動(dòng)橋等的車(chē)輪傳動(dòng)裝置中，廣泛地才用等速萬(wàn)向節(jié)。*輕型汽車(chē)采用的伸縮型球籠式等速萬(wàn)向節(jié)，其結(jié)構(gòu)件圖見(jiàn)圖1。球籠式萬(wàn)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(chē)上應(yīng)用。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(wàn)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(wàn)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(wàn)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(wàn)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(jiàn)，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(wàn)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β/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(jiàn)，鋼球在楔角β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)。在圖中建立坐標(biāo)系*OY，則當(dāng)鋼球處于楔緊狀態(tài)時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)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)；β——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(wàn)向節(jié)的等速性。1.4參數(shù)確定1.4.1萬(wàn)向節(jié)軸徑和鋼球直徑對(duì)于球籠式萬(wàn)向節(jié)，其軸徑尺寸S(萬(wàn)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(chē)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(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系列標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。取，鋼球直徑為。表1球籠萬(wàn)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mm14.28816.66918.00019.05021.43123.81228.575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鋼球回轉(zhuǎn)中心徑筒形外殼與星型套通過(guò)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?。弧切吞變?nèi)花鍵大經(jīng)，為26.60mm；——筒形外殼最大外徑，為88mm。計(jì)算得，mm?。憨L。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(wàn)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。溝道截面圓弧半徑筒形外殼溝道圓弧半徑可按下式計(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。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(guò)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(wàn)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(guò)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(chēng)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(wàn)向節(jié)基本尺寸的確定1）傳力鋼球分布半徑由經(jīng)驗(yàn)公式：又知：㎜得：?。憨L球籠厚度圖3球籠基本尺寸由公式：又㎜得：㎜?。憨L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(zhǎng)度由公式：推出：㎜?。憨L7）中心偏移距由公式：推出：㎜取：㎜軸頸由公式：推出：㎜9)星型套花鍵外徑由公式：推出：㎜?。憨L10）筒形外殼滾道長(zhǎng)度圖5筒形外殼基本尺寸由公式：推出：㎜取：㎜11)中心偏移角由公式：2萬(wàn)向節(jié)運(yùn)動(dòng)分析與力學(xué)分析2.1鋼球的運(yùn)動(dòng)分析2.1.1鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡在球籠式等速萬(wàn)向節(jié)中，鋼球是主要的傳力部件，鋼球的運(yùn)動(dòng)對(duì)萬(wàn)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(méi)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(wàn)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：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）。沿軸向（平行于軸線）作往復(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(zhǎng)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）。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(zhǎng)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(zhǎng)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)到萬(wàn)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(wàn)向節(jié)輛傳動(dòng)軸之間沒(méi)有夾角時(shí)，萬(wàn)向節(jié)的傳力平面與傳動(dòng)軸垂直，鋼球沒(méi)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(jiǎn)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(wàn)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(wàn)向節(jié)進(jìn)行受力分析時(shí)，必須首相確定*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(guò)每一鋼球和萬(wàn)向節(jié)中心連線，得：式中：式中：——假設(shè)中的第一個(gè)鋼球在*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(wàn)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(wàn)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：；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(wàn)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(lái)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(méi)有球籠導(dǎo)致了許多不理的情況：1、沒(méi)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*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，軌道將通過(guò)球籠和其他軌道共同作用。當(dāng)主、從動(dòng)軸之間存在*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(wàn)向節(jié)中心為求新在對(duì)應(yīng)的球面的旋轉(zhuǎn)。當(dāng)萬(wàn)向節(jié)在*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(wàn)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(guó)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(wàn)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(chē)外圓及倒角先進(jìn)行大端車(chē)削再小端05車(chē)內(nèi)圓半精車(chē)至φ5406鏜孔小端孔半精鏜精鏜至φ36H707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(zhuān)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(chē)車(chē)端面以及內(nèi)球面04車(chē)車(chē)另一端面及外球面05沖窗孔窗口沖床06拉窗孔窗孔專(zhuān)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(zhuān)用磨床10磨內(nèi)球面保持架內(nèi)球面專(zhuān)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3.3.1星形套材料選擇棒料或精密鍛件用于小尺寸的萬(wàn)向節(jié)：大尺寸的萬(wàn)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(wàn)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(chē)車(chē)端面以及內(nèi)圓04車(chē)車(chē)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(zhuān)用磨床08莫外滾到星型套外球道專(zhuān)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)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(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(zhǎng)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)Ⅱ/Ⅲ，采用DIN5401標(biāo)準(zhǔn)。萬(wàn)向節(jié)安裝要求幾乎沒(méi)有游隙?？梢詠?lái)回慢慢的變換萬(wàn)向節(jié)夾角來(lái)檢測(cè)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(guó)大眾公司等速萬(wàn)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(wàn)向節(jié)170種，其中固定式萬(wàn)向節(jié)12種，軸向伸縮型萬(wàn)向節(jié)8種，半軸65種（可組成170種等速萬(wàn)向節(jié)）。每天生產(chǎn)2.1萬(wàn)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(guó)E*cello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?；ㄦI加工則采用先進(jìn)、高效的搓齒機(jī)。使用西門(mén)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(wàn)向節(jié)的潤(rùn)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(rùn)滑。采用優(yōu)質(zhì)的汽車(chē)鋰基潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，并用2.5%的MoS2作為鋰基潤(rùn)滑脂的添加劑。注意加脂量不能過(guò)多，以防止產(chǎn)生過(guò)熱事故，影響潤(rùn)滑效果。MoS2是一種固體潤(rùn)滑劑，過(guò)去在推廣使用中，主要是把它加入潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂中作為提高潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂性能的添加劑?，F(xiàn)在又廣泛作為摩擦表面薄膜潤(rùn)滑劑在復(fù)合自潤(rùn)滑材料等方面使用，并已成功地用于軸承潤(rùn)滑。該種潤(rùn)滑的大致作法是：在摩擦面上先涂上微量的MoS2運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中仍采用規(guī)定的潤(rùn)滑劑。實(shí)踐證明：軸承不僅得到兩號(hào)的潤(rùn)滑效果，而且降低了軸承噪音，延長(zhǎng)了軸承使用壽命。6等速萬(wàn)向節(jié)的效率Birfield加接觸等速萬(wàn)向節(jié)的效率很高。據(jù)國(guó)外臺(tái)架實(shí)驗(yàn)測(cè)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(rùn)滑劑粘性阻力的影響。由萬(wàn)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)中，既有滑動(dòng)又有滾動(dòng)。由于壓力角的正確選擇，萬(wàn)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(zhǎng)度大于內(nèi)滾道的長(zhǎng)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(zhǎng)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?；瑒?dòng)摩擦主要與潤(rùn)滑介質(zhì)有關(guān)，在潤(rùn)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(wàn)向節(jié)受潤(rùn)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(wàn)向節(jié)中滑動(dòng)摩擦是效率損失中關(guān)鍵的部分?；瑒?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(wàn)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：（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(wàn)向節(jié)中，萬(wàn)向節(jié)內(nèi)部摩擦受力情況如圖13的四種情況：圖13萬(wàn)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(wàn)向節(jié)的壓力角為，萬(wàn)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(wàn)向節(jié)工作角度為時(shí)，鋼球與滾道面間的扭矩為：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(xiě)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(zhǎng)度大于內(nèi)滾道的長(zhǎng)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(wàn)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(wàn)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(zhǎng)度、鋼球的分布半徑和萬(wàn)向節(jié)的工作角度有關(guān)當(dāng)萬(wàn)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(wàn)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)滾道的長(zhǎng)度、鋼球的分布半徑和萬(wàn)向節(jié)的工作角度有關(guān)當(dāng)萬(wàn)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(wàn)向節(jié)扭矩?fù)p失主要由上述4中情況產(chǎn)生。因此，萬(wàn)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(wàn)向節(jié)的效率7萬(wàn)向節(jié)壽命分析伯菲爾德等速萬(wàn)向節(jié)采用了正常值這一概念來(lái)設(shè)計(jì)。所謂正常值即表示在一般情況下萬(wàn)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(wàn)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)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(wàn)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(wàn)向節(jié)夾角對(duì)壽命的影響因素，稱(chēng)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(wàn)向節(jié)不同尺寸的曲線表示，可以查出它的具體的值；n—轉(zhuǎn)速；—合速度系數(shù)。它取決于萬(wàn)向節(jié)的工作角度和動(dòng)力性能；—在時(shí)的比功率，=0.00037SS—萬(wàn)向節(jié)軸頸直徑（mm）圖14波菲爾德等角速萬(wàn)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(wàn)向節(jié)所要求的壽命，則可用下式計(jì)算出合速度：或?qū)τ诘扰ぞ?、等速和等角度傳?dòng)的萬(wàn)向節(jié)，可以按圖14來(lái)估計(jì)壽命。當(dāng)萬(wàn)向節(jié)在不同工況下工作時(shí)，可按下面介紹的方法來(lái)確定萬(wàn)向節(jié)的壽命。首先根據(jù)上式來(lái)