球笼式万向节设计

球笼式万向节设计作者：xxx；指导老师：xxx（xxx大学工学院 2011级车辆工程专业合肥 230036）下载须知：本文档是独立自主完成的毕业设计，只可用于学习交流，不可用于商业活动。

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摘要：球笼式万向节是上个世纪六七十年代快捷发展出来的一种万向节，它的特点是密封性好、同步性好、紧凑、结构简单、寿命长、承重效果好、效率高、角位移大。

它主要应用于起重机、拖拉机、汽车、纺织、医疗等领域。

本设计基于对汽车传动系统布局结构的设计，以确定球笼式万向节的结构特性和其他参数。

对于球笼式万向节等速性的运动，受力，效率和寿命有了深入的分析。

选择了材料分析过程中的重要部分和零件，并采用三维绘图软件PRO-E进行了分析。

关键词：球笼式万向节；结构；设计；分析；选择；寿命校核1 绪论球笼式等速万向节是奥地利A.H.Rzeppa于1926年发明的（简称Rzeppa型），后经过多次改进。

1958年英国波菲尔（Birfidld）集团哈迪佩塞公司成功滴研制了比较理想的球笼联轴器（称Birfield型：或普通型，简称BJ型）。

1963年日本东洋轴承株式会社引进这项新技术，进行了大量生产、销售，并于1965年又试制成功了可作轴向滑动的伸缩型（亦称双效补偿型，简称DOJ型）球笼万向联轴器。

目前，球笼式等速万向节已在日、英、美、德、法、意等12个国家进行了专利主城。

Birfield型和Rzeppa型万向节在结构上的最大区别，除没有分度机构外，还在于钢球滚道的几何学与断面形状不一样。

Rzeppa型万向节用的是单圆弧的钢球滚道，单圆弧滚到其半径大一个间隙，因此最大接触应力常发生在滚道边缘处。

当钢球的载荷很大时，滚道边缘易被挤压坏，从而降低了工作能力。

Birfield （BJ型）万向节的钢球滚道横断面的轮廓为椭圆型，骑等角速传动是依靠外套滚到中心A、内套滚到中心B等偏置地位于万向节中心O的两侧实现的。

而伸缩型的等速传动则依靠保持架（球笼）外球面中心A与内球面中心B等偏置地位于万向节中心O的两边实现的。

2 结构分析球笼式万向节是目前应用最为广泛的等速万向节。

早期的Rzeppa型球笼式万向节(图1—a)是带分度杆的，球形壳1的内表面和星形套3的球表面上各有沿圆周均匀分布的六条同心的圆弧滚道，在它们之间装有六个传力钢球2，这些钢球由球笼4保持在同一平面内。

当万向节两轴之间的夹角变化时，靠比例合适的分度杆6拨动导向盘5，并带动球笼4使六个钢球2处于轴间夹角的平分面上。

经验表明，当轴间夹角较小时，分度杆是必要的；当轴间夹角大于11°时，仅靠球形壳和星形套上的子午滚道的交叉也可将钢球定在正确位置。

这种等速万向节无论转动方向如何，六个钢球全都传递转矩，它可在两轴之间的夹角达35°～37°的情况下工作。

目前结构较为简单、应用较为广泛的是Birfield型球笼式万向节(图1—b)。

它取消了分度杆，球形壳和星形套的滚道做得不同心，令其圆心对称地偏离万向节中心。

这样，即使轴间夹角为0°，靠内、外子午滚道的交叉也能将钢球定在正确位置。

当轴间夹角为0’时，内、外滚道决定的钢球中心轨迹的夹角稍大于11°，这是能可靠地确定钢球正确位置的最小角度。

滚道的横断面为椭圆形，接触点和球心的连线与过球心的径向线成45‘角，椭圆在接触点处的曲率半径选为钢球半径的1．03～1．05倍。

当受载时，钢球与滚道的接触点实际上为椭圆形接触区。

由于工作时球的每个方向都有机会传递转矩，且由于球和球笼的配合是球形的，因此对这种万向节的润滑应给予足够的重视。

润滑剂的使用主要取决于传动的转速和角度。

在转速高达1500r／min时，一般使用防锈油脂。

若转速和角度都较大时，则使用润滑油。

比较好的方法是采用油浴和循环油润滑。

另外，万向节的密封装置应保证润滑剂不漏出，根据传动角度的大小采取不同形式的密封装置。

这种万向节允许的工作角可达42°。

由于传递转矩时六个钢球均同时参加工作，其承载能力和耐冲击能力强，效率高，结构紧凑，安装方便。

但是滚道的制造精度高，成本较高。

伸缩型球笼式万向节(图1c)结构与一般球笼式相近，仅仅外滚道为直槽。

在传递转矩时，星形套与筒形壳可以沿轴向相对移动，故可省去其它万向传动装置中的滑动花键。

这不仅使结构简单，而且由于轴向相对移动是通过钢球沿内、外滚道滚动实现的，所以与滑动花键相比，其滚动阻力小，传动效率高。

这种万向节允许的工作最大夹角为20°。

Rzeppa型球笼式万向节以前主要应用于转向驱动桥中，目前应用较少。

Birfield型球笼式万向节和伸缩型球笼式万向节被广泛地应用在具有独立悬架的转向驱动桥中，在靠近转向轮一侧采用Birfield型万向节，靠近差速器一侧则采用伸缩型球笼式万向节，以补偿由于前轮跳动及载荷变化而引起的轮距变化。

伸缩型万向节还被广泛地应用到断开式驱动桥中。

图1.球笼式万向节3 球笼式万向节设计球笼式万向节的失效形式主要是钢球与接触滚道表面的疲劳点蚀。

在特殊情况下，因热处理不妥、润滑不良或温度过高等，也会造成磨损而损坏。

由于星形套滚道接触点的纵向曲率半径小于外半轴滚道的纵向曲率半径，所以前者上的接触椭圆比后者上的要小，即前者的接触应力大于后者。

因此，应控制钢球与星形套滚道表面的接触应力，并以此来确定万向节的承载能力。

不过，由于影响接触应力的因素较多，计算较复杂，目前还没有统一的计算方法。

假定球笼式万向节在传递转矩时六个传力钢球均匀受载，则钢球的直径可按下式确定 32101.2⨯=S T d 式中，d 为传力钢球直径(mm)；Ts 为万向节的计算转矩(N ·m)，TS = min[Tse ，Tss]。

计算所得的钢球直径应圆整并取最接近标准的直径。

钢球的标准直径可参考GB7549—87。

当球笼式万向节中钢球的直径 d 确定后，其中的球笼、星形套等零件及有关结构尺寸可参见图2按如下关系确定：图2.球笼式万向节基本尺寸钢球中心分布圆半径 R=1．71d星形套宽度 B=1．8d球笼宽度 B1=1．8d星形套滚道底径 Dl=2．5d万向节外径 D=4．9d球笼厚度 b=0．185d球笼槽宽度 b1=d球笼槽长度 L=(1．33～1．80)d (普通型取下限，长型取上限)滚道中心偏移距 h=0．18d轴颈直径 d′≥1．4d星形套花键外径 D2≥1．55d球形壳外滚道长度 L1=2．4d中心偏移角δ≥6°3.1球笼式万向节的等速性的分析3.1.1 从结构上证明球笼式万向节的等速性球笼式万向节的等速性是由本身的结构所决定的 ,不论有无轴间角,沿着6 个钢球球心所在的平面剖开 , 都可建立图3所示的结构。

设星形套沟道和钢球的共轭接触点(或区)半径为 R 1 , 钟形壳沟道和钢球的共轭接触点的半径为 R 2 ,设钢球回转半径为 R ,接触点 A 既是钟形壳沟道上的一部分 ,又是钢球上的一部分,即接触区为钟形壳沟道和钢球的共轭部分 , 因此存在ω钟A =ω球A , 同理ω星B =ω球B ,同一个钢球具有同一个角速度 ,即ω球A =ω球B ,因此存在ω钟 =ω球 =ω星 , 这就充分证明球笼式万向节内部每一部件的角速度都相同,即整个球笼式万向节具有等速性。

也可理解为钢球是一种链 , 它把钟形壳和星形套联接为同一个整体, 因此具有相同的角速度。

图33.1.2 从投影几何学证明球笼式万向节的等速性投影学认为 :当输入轴和输出轴的传动点始终位于输入和输出连接角的某一个平面上 ,且这个平面是唯一的 ,这个机构具有等速性。

参见图 4,对球笼式万向节, A 面和 B 面的两 个圆在 C 平面上的投影是一致的, C 平面也就是 6 个钢球球心所在的平面, 因此证明球笼式万向 节具有等速性.也可以这样理解 :把一根橡胶管弯曲后, 使其 一端等速旋转, 结果是中间弯曲部分不断产生拉 伸和压缩 ,把力传递给另一端 ,使另一端也等速旋 转。

这样理解等速性 , 就可以把球笼式万向节和 挠性联轴器看成同一种结构。

图43.1.3 球笼式万向节线速度的分析图5所示是球笼式万向节形成轴间角的运动 原理图。

当球笼式万向节没有形成轴间角时 ,钟 形壳轴线 OO 2 和星形套轴线 OO1 重合 ,钢球球 心为 A 点 ,在第三平面 C(OA 所在平面)中, 任 一钢球中心点 A 的线速度为 VA =ω1·OA(对于 主动轴), V ′A =ω2·OA(对于从动轴), 由于存在 ω1 =ω2 , 因此存在 VA =V ′A , 说明 B 平面(主动 轴)的线速度和 A 平面(从动轴)的线速度经投影后在 C 平面上的线速度是相等的。

在 B 平面和 A 平面中 ,主动轴线速度 V 1=O 1 A ·ω1，线速度 V2 =O2A ·ω2，由于球笼等速万向节存在ω1=ω2 ,所以存在下式A O A O V V 2121=设 OA =R (钢球回转半径), 设偏心距 OO 1=e1, OO 2 =e2 由几何关系可得:O 1 A =R/cos γA1，O2A=R/cos γA2，由上式得2121cos cos A A V V γγ=2121e R A O +=，2222e R A O +=，所以 22221221e R e R V V ++=上式表明 ,在 C 平面上的 A 点沿γ1 角投影为 B 平面上的主动轴线速度, 沿γ2 角投影为 A 平面上的从动轴线速度, 反过来也可认为由γ1 角和γ2 角就可以确定 C 平面。

上式表明 ,主动轴的线速度 V1 和从动轴的线速度V2 的比值是由球笼式万向节偏心距决定的。

只有当 e1 =e2 时 , 才存在 V1 =V2 , 球笼式万向节才存在α=2β这一特性。

如果 e1 ≠e2 ,就必然存在 V 1 ≠V 2 , α≠2β ,但它们的角速度都相等,具备同步性。

当球笼式万向节形成轴间角α时, 钢球转角为β , 钢球从点 A 移至点 B 。

在 B 点时, VB1/VB2 =O1 B/BG ,由于 O1 B =O1 A , 在文献中已经证明 B G =O 2 A , 因此在形成轴间角的过程中,(1)式永远成立。

由于γB1 ≠γ1, γB2 ≠γ2, 在钢球转动形成β角时 , 投影角度随时发生变化, 但投影角度比值是固定不变的。

上式可改写为V1/ V 2 =cosγA2/cos γA1 =cosγB2/cosγB1 。

也可以认为 O1 A 和O 2 A 为刚性连杆, 在形成轴间角的过程中,连杆长度是不变的,但在钢球移动到不同位置时两连杆间的夹角发生变化。