汽车等速万向节橡胶防尘罩的研制
万向传动装置结构与拆装
2
外等速万向节的6颗钢球要求有一定的配合 公差，并与星形套一起组成配合件。检查 轴、球笼、星形套与钢球有无凹陷与磨损， 若万向节间隙过大，需更换万向节。
3
内等速万向节的检修要检查球形壳、星形 套、球笼及钢球有无凹陷与磨损，如磨损 严重则应更换。内等速万向节只能整体调 换，不可单个更换。
4
防尘罩及卡箍、弹簧挡圈等损坏时，应予 以更换。
部门 / 时间 / 姓名
一、万向传动装置组成
二、万向传动装置分类
01 刚性万向节 03 等速万向节 05 十字轴式 07 球叉式、球笼式
பைடு நூலகம்
02 不等速万向节 04 准等速万向节 06 三销轴式、双联式
三．十字轴式万向 节
四．构造
检修
检查滚针轴承，如果滚针断裂、油封失效，应更换新件。
检查十字轴轴颈磨损、压痕剥落等情况。十字轴轴颈轻微磨损、轻 微压痕或剥落，仍可继续使用，如果轴颈磨损过甚、严重压痕(深 度超过0.1mm)或严重剥落时，应予以更换。
检查万向节叉不得有裂纹或其他严重损伤，否则更换新件。
万向节装配完毕后，可用手扳动十字轴进行检验，以转动自如没有松旷感觉 为合适。若装配过紧或过松，应查明原因，必要时应拆检及重新装配。
球笼式万向节 1.结构 2 万向节
检修
1
主要是检查内、外等速万向节中各部件的 磨损情况和装配间隙。一般外等速万向节 酌情单件更换。内等角速万向节，如某部 件磨损严重，则应整体更换。
球笼式等速万向节的结构设计
球笼式等速万向节的结构设计一、结构设计球笼式等速万向节由内球笼、外球笼、滚珠和万向节套组成。
内球笼和外球笼通过滚珠连接，能够使两个轴线在任意角度下均保持等速传动。
内球笼和外球笼的接触面采用球面滚道设计，以减小接触应力和磨损。
球笼的结构设计应确保稳定性和可靠性，并满足正常工作条件下的载荷和转速要求。
二、材料选择球笼式等速万向节主要承受转矩和轴向力，因此材料的选择需要具备较高的强度和耐磨性。
常见的材料有铸铁、合金钢和不锈钢等。
铸铁具有良好的刚性和耐磨性，但相对较重，适用于重负荷和高转速的工况；合金钢具有较高的强度和韧性，适用于中等载荷和转速的工况；不锈钢具有良好的耐腐蚀性和低温性能，适用于特殊工况。
三、加工工艺球笼式等速万向节的加工工艺主要包括锻造、车削、磨削和热处理等。
锻造是制造球笼等主要零件的常用工艺，可以提高材料的强度和致密度；车削和磨削是加工球面滚道的关键工序，需要精确控制工艺参数以保证加工质量；热处理可以改善材料的硬度和韧性，提高零件的使用性能。
四、性能测试球笼式等速万向节的性能测试主要包括耐久性测试、扭转角度测试和传动效率测试等。
耐久性测试是评价球笼式等速万向节使用寿命的重要指标，可以通过模拟实际工况进行长时间的试验；扭转角度测试是评价球笼式等速万向节传动特性的关键指标，可以通过测量其在不同角度下的扭转阻力来评估其工作性能；传动效率测试是评价球笼式等速万向节传动效率的指标，可以通过测量输入功率和输出功率来计算传动效率。
综上所述，球笼式等速万向节的结构设计、材料选择、加工工艺和性能测试等方面都对其性能和可靠性有着重要影响。
只有在这些方面都得到合理的设计和优化，才能保证球笼式等速万向节在汽车驱动系统中发挥良好的作用。
驱动轴运动校核规范
驱动轴总成运动校核规范
驱动轴总成运动校核规范
1 范围
本规范规定了驱动轴总成在跟随车轮运动的各种状态下校核的方法、要求及注意事项。
本规范适用于开发的M1类前置前驱车型驱动轴总成的运动校核。
2 规范性引用文件
JB/T 10189—2000汽车用等速万向节及其总成
3 术语
本规范采用以下术语和定义：
3.1 等速万向节:输出轴和输入轴以等于1的瞬时角速度比传递运动的万向节。
3.2 外端万向节：靠近车轮侧，只能改变工作角度的等速万向节。
3.3 内端万向节：靠近变速器侧，能改变工作角度和进行伸缩滑移运动的等速万向节。
3.4 万向节壳体：等速万向节外支承零件（如钟形壳、筒形壳）。
3.5 中间轴杆：连接内、外端万向节的实心（或空心轴），用来传递运动和扭矩。
3.6 防尘罩：与向节壳体和中间轴杆相组配，用于防止杂物进入等速万向节腔
内，并储存润滑脂的密封零件。
3.7 驱动轴总成：装在变速器与车轮之间，由内、外端万向节、中间轴杆、防尘罩及其它零件组成的传递运动和扭矩的机械部件（图1示）。
图1
3.8 左驱动轴总成：从车辆行驶方向看，位于车辆左侧的驱动轴总成。
3.9 右驱动轴总成：从车辆行驶方向看，位于车辆右侧的驱动轴总成。
3.10 内点：内端万向节与中间轴杆相连的铰接中心点。
3.11 外点：外端万向节与中间轴杆相连的铰接中心点。
3.12 万向节转角：驱动轴万向节球笼外壳轴线与中间轴杆轴线相交所构成的锐角（图2示）。
图2 防尘罩
减振胶套
中间轴杆。
球头销橡胶防尘罩改进设计
球头销橡胶防尘罩改进设计刘广征;高江华;施睿;赵松【摘要】针对某车辆球头销运动过程中,橡胶防尘罩出现因干涉造成的过早破损失效的问题,应用有限元分析软件Abaqus建立防尘罩的有限元模型,对球头销摆动过程中橡胶防尘罩的大变形进行仿真分析,以防尘罩变形后的最终构形与其周围部件之间的间隙为优化目标,以变形过程中最大Mises应力为约束,通过改变防尘罩静态构形参数,获得合理的间隙值,解决了干涉问题,确保防尘罩的使用寿命满足设计需求.试验结果与仿真分析结果一致,表明改进措施和有限元分析方法正确可行.【期刊名称】《车辆与动力技术》【年(卷),期】2017(000)001【总页数】5页(P55-58,64)【关键词】球头销;橡胶;防尘罩;有限元分析【作者】刘广征;高江华;施睿;赵松【作者单位】中国北方车辆研究所,北京100072;中国北方车辆研究所,北京100072;中国北方车辆研究所,北京100072;中国北方车辆研究所,北京100072【正文语种】中文【中图分类】U463.33+5球头销是悬挂系统的重要部件，其作用是连接摆臂与转向节，所形成的运动副具有3个转动自由度，将力和运动由转向节传递到摆臂上[1],其性能影响到车辆的安全性和操纵稳定性.球头销通过防尘罩将内部需要润滑和保护的部分与外界环境隔离，达到密封的效果.球头销常见的故障是球头和球碗异常磨损，出现间隙.导致这种故障的主要原因是橡胶防尘罩破损，润滑脂从内部流出，泥水和沙尘进入球头销的摩擦副中，造成球碗早期破损.防尘罩的使用寿命与材料、性能、使用环境有关，如果结构和尺寸设计不合理，防尘罩在球头销摆动过程中与其他悬挂部件发生接触或挤压，会造成防尘罩异常磨损，加速其失效，从而导致球头销故障.以往的防尘罩设计过程中，多以三维设计软件依据经验对橡胶的初始构型和变形后的构型进行建模，这种设计方法对橡胶的大变形模拟极为不精确，需要进行多次的物理样机迭代才能设计出满足需求的防尘罩构型.利用有限元软件Abaqus的非线性分析功能，可对超弹性材料的大变形过程进行精确模拟，结合设计约束和边界条件，通过快速修改初始构型结构参数，实现防尘罩的虚拟样机快速迭代优化设计.1.1 防尘罩结构和性能防尘罩是球头销总成中的重要零件.球头销总成如图1所示，主要由球头销、防尘罩、球碗、壳体、压盖组成，防尘罩为橡胶材料，球碗为铜或耐磨塑料材料，其余为钢制材料.球头销与球碗配合，可绕球心摆动和旋转，具有3个方向旋转自由度.防尘罩需满足以下性能要求：1) 动态密封唇在实现转动密封的同时应能承受因球头销摆动造成的侧向拉压力，密封唇与球头销和转向节之间具有足够的接触压强，维持密封状态；2)防尘罩的外形在摆动中需确保不能与转向节及车架等外部零件发生干涉.否则会因干涉造成破损.一旦有泥水从破损部位进入球铰结构的内部，则球铰很快就会出现失效[1].1.2 故障现象损坏的防尘罩见图2，橡胶表面严重破损，有受到挤压或磕碰的痕迹.将防尘罩安装到球头销总成上，防尘罩的安装状态见图3，球头销摆动到最大角度，发现防尘罩密封唇状态正常，摆臂侧密封正常，波纹处变形异常；摆动力矩明显增大后，横臂边缘压住防尘罩的波纹处，出现干涉.1.3 故障机理分析从现象可以判定，防尘罩的波纹部分与其它零件干涉，经过频繁的撞击和磨损，橡胶表面逐渐破损，最终穿透，造成密封失效.橡胶防尘罩属于非金属材料，早期设计采用二维设计方法，对橡胶的变形和应力无法进行分析，不能准确预测是否满足使用要求.在实际使用过程中，防尘罩的变形受到橡胶材料特性和结构参数的影响，特别是橡胶层的厚度、波纹部分折弯半径、波纹长度等结构参数直接影响变形效果.需要采用有限元分析法对防尘罩进行动力学仿真分析.2.1 建立三维模型根据试验结果和性能要求，对防尘罩结构进行调整.防尘罩波纹管部分常见的形状有3种：洋葱状、桶状和双折棚波纹管.双折棚波纹管可以用于偏移角度较大的情况，改进结构的防尘罩采用此形状.防尘罩的装配与使用分为两个步骤，第一步是安装防尘罩，防尘罩由自由状态压缩至安装位置状态，其目的是使密封唇与下端平面之间产生预压力；第二步是球头销摆动到最大角度，此时密封唇与球头销仍然接触，并产生合理的压力，达到维持密封作用的目的.因此,防尘罩的状态有3种：自由、装配和最大角度.在装配和最大角度装态下，基本轮廓应变形合理，不出现干涉问题.图4是设计的防尘罩基本轮廓.根据基本轮廓，建立三维模型.防尘罩的变形和运动只与其接口相关，因此可以简化三维模型，只保留壳体的接口部分、球头销接触面和下端接触面.橡胶防尘罩是圆环形零件，存在对称面，取一侧剖切面进行有限元建模，减少网格数量和计算工作量.2.2 定义材料属性防尘罩采用橡胶材料，橡胶是一种超弹体、几乎不可压缩的材料，不考虑温度效应，本构模型选取Mooney-Rivlin模型，其应变能函数[3] 为：式中：U为应变能函数；C10和C01为Rivlin系数；I1和I2分别为一阶和二阶偏应变不变量.式中：λ1、λ2和λ3为各边的伸长率,λi=1+εi，(i=1,2,3),εi为材料的应变.两参数的Mooney-Rivlin模型的应力-应变方程为根据经验，用作球头销防尘罩的橡胶材料硬度一般取邵氏65°.根据相关厂家测试的结果，材料的Rivlin系数为C10=0.123，C01=0.501.2.3 建立有限元模型仿真分析仅需要模拟防尘罩的变形过程，因此有限元模型中仅包括壳体、固定金属丝及防尘罩.壳体及金属丝刚度远大于防尘罩，可转化为离散刚体建模，用R3D4单元划分网格.防尘罩为橡胶材料，采用实体杂交单元C3D8H划分网格.为精确模拟橡胶材料的大变形球过程，确保计算过程收敛，防尘罩网格最小单元尺寸需要小于其最小结构特征尺寸.防尘罩及壳体关于球头销的摆动平面对称，因此取其摆动平面单侧模型建立有限元模型，对称面施加相应对称约束.如图5所示.分别在壳体与防尘罩之间，金属丝与防尘罩之间建立通用接触关系.壳体及金属丝参考点处分别施加固定约束.在防尘罩底部动态密封唇中心处建立参考点，在此参考点和密封唇面之间建立耦合约束，模拟球头销与防尘罩之间的相互作用关系. 为模拟防尘罩的装配及工作状态，仿真过程分为两个通用静态分析步：第一步，参考点沿z方向位移11 mm，模拟防尘罩装配过程中的预压缩；第二步，参考点绕球头销球心，在对称面内逆时针旋转30°，模拟防尘罩工作状态下变形.改进方案1分析结果见图6、图7,从分析结果可以看出，第一步圆圈内部分距离转向节较近，容易发生干涉，最大应力为0.29 MPa，第二步圆圈内部分已经超过了防尘罩密封唇的定位平面，发生干涉，最大应力为1.19 MPa，橡胶的动态许用应力为±10 MPa，最大应力在许用范围内.由于存在干涉问题，如果长期使用，波纹部分与金属摩擦，最终造成防尘罩磨穿，密封失效，因此不能满足使用要求.改进方案1橡胶层厚度均匀，受到弯曲应力时，刚度小的部位变形较大，出现干涉问题.改进方案2将变形较大的波纹部分局部加厚(见图8)，提高弯曲刚度，重新进行仿真计算，分析结果如图9、图10所示.图11、图12是将相关的三维模型装配到防尘罩模型中，分析空间位置关系.从计算结果可以看出，第一步橡胶受压后变形合理，未出现干涉问题，最大应力0.34 MPa，小于橡胶的许用应力；第二步橡胶一侧拉伸，另一侧压缩，最大应力为1.55 MPa，在许用范围内.拉伸侧橡胶与转向节、球头销接触，保证了密封作用，压缩侧波纹部分折叠，未发生橡胶与金属的干涉问题.改进方案1与改进方案2的结果比较见表1.根据仿真计算结果，采用改进方案2加工了样品，并将样件安装到球头销总成上，进行压缩、摆动试验，分析结果与试验结果对比如图13、图14所示.从图13和图14中可以看出，有限元分析变形状态与试验结果接近，波纹变形存在差别，波纹部分与其它零件无干涉，解决了橡胶与金属件的干涉问题，满足设计要求.通过分析球头销失效的故障机理，准确定位了相关设计参数.利用有限元分析软件Abaqus建立了橡胶防尘罩的仿真模型，模拟超弹性、几乎不可压缩材料的大变形过程，考核其整个变形过程中应力分布及与周围部件之间的间隙.通过修改防尘罩壁厚、波纹部分折弯半径及波纹长度，确保了改进之后的防尘罩满足强度和不与其他部件发生干涉的要求.通过试验验证，改进结果满足设计要求，表明有限元分析能够指导防尘罩产品的工程设计.【相关文献】[1] B.海兴，M.埃尔斯.汽车底盘手册-基础知识、行驶动力学、部件、系统、机电一体化及展望[M].北京：机械工业出版社，2012：407[2] 陈泳．汽车球铰防尘罩的有限元分析[J] ．汽车零部件， 2015，(4):47-49[3] 王伟，邓涛，赵树高．橡胶Mooney-Rivlin模型中材料常数的确定[J]．特种橡胶制品，2004，(4)：21-23。
万向传动装置课件
玩命提品质 疯狂抓执行
11
2 万向节结构及运动特性
十字轴式刚性万向节
1-套筒 2-十字轴 3-万向节叉 4-卡环 5-滚针轴承 6-万向节叉
技术研究院传动轴项目小组
玩命提品质 疯狂抓执行
12
2 万向节结构及运动特性
②输入轴、输出轴与传动轴的夹 角相等，即α1=α2。
玩命提品质 疯狂抓执行
15
2 万向节结构及运动特性
准等速万向节
技术研究院传动轴项目小组
双联式
结构简单，制造方便 ，工作可靠，允许有 较大的转向角，多在 转向驱动桥中采用
1) 长度减缩至最小的 双万向节
2)等角速排列条件：
α1=α2
1、2-万向节叉轴，3-双联叉
玩命提品质 疯狂抓执行
1螺丝 2橡胶 3中心钢球4黄油嘴 5传动凸缘 6球座
28
3 中间支撑及轴管
中间支撑
1）中间支承通常装 在车架横粱上，能 补偿传动轴轴向和 角度方向的安装误 差，以及汽车行驶 过程中因发动机窜 动或车架变形等引 起的位移。
2）中间支承常用弹性元件来满 足上述要求，它主要由轴承、 带油封的盖、支架、弹性元件 等组成。
玩命提品质 疯狂抓执行
技术研究院传动轴项目小组
29
3 中间支撑及轴管
轴管
技术研究院传动轴项目小组
为了得到较高的强度和刚度，轴管多做成空心、壁厚均匀的钢管，一般 由厚度1.5-3.0mm的薄钢板卷焊而成
1）功用 ·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。
Santoprene 介绍
一个化学人的企业A Chemist’s Enterprise NCM聚合物与建材－汇邦聚合物
10
汽车零件
Santoprene的应用
汽车转向系统 防尘罩 Santoprene 101-87,103-40 车型：大众、通用、丰田等 特色：取代EPDM ﹡优秀的抗疲劳性 ﹡耐候性能优良 ﹡加工性好 ﹡低气味
回收料再加工之前要干燥，80℃下至少4小时。
一个化学人的企业A Chemist’s Enterprise NCM聚合物与建材－汇邦聚合物
20
竞争品牌及分销商
竞争品牌 TA （Teknor Apex)美国 DSM荷兰 主打产品 Elexar-Sebs UnipreneMonprene 业界地位 SEBS很强 代理商 ／
一个化学人的企业A Chemist’s Enterprise NCM聚合物与建材－汇邦聚合物
14
应用实例
洗碗机 喉管 Dishwasher Filter Tub 洗碗机滤水器 Dishwasher Sump Boot 洗碗机排水器
TPE 密封圈
201-73 Knobs 旋钮
TPE
Feet 脚底
Grade Used 使用规格: 201-87 241-87 241-64
一个化学人的企业A Chemist’s Enterprise NCM聚合物与建材－汇邦聚合物
2
弹性体TPE？
热塑性弹性体简称TPE（Thermoplastic Elastomer），是 功能与性质橡胶化的热塑性塑料，也有人称它热塑性橡 胶（Thermoplastic Rubbers）简称TPR。 既达到热固性橡胶的工程性能,又具备塑料的加工性. 是由两种或以上的聚合物经过动态流化合金而组成,即 “热塑性材料”与“热固性橡胶”之结合. 可循环使用.
《汽车传动系统维修》万向传动装置
不要损伤驱动轴防尘罩、护套和油封。
模块五 万向传动装置的构造与维修 万向传动装置
万向传动装置的检修
前驱车万向传动装置的拆卸与分解
图5-22 分离前桥总成
图5-23 拆下全驱动轴总成
二、拆解
（1）用螺丝刀拆下前驱动轴孔卡环。 （2）如图5-24所示，用尖嘴钳拆下前驱动轴总成球节内侧保护套夹箍。 （3）如图5-25所示，用尖嘴钳拆下前驱动轴总成球节外侧保护套夹箍。
（2）检查传动轴花键与滑动叉花键、凸缘叉与所配合花键的配合间隙（如图5-15）：轿车应不大 于0.15mm，其他类型的汽车应不大于0.30mm，装配后应能滑动自如。
二、传动轴中间支承的检修
（1）检查中间支承的橡胶垫环是否开裂、油封磨损是否过甚而失效、轴承松旷或内孔磨损是否严 重，如果是，均应更换新的中间支承。
三、转向驱动桥的内、外半轴之间
在前置发动机的前轮驱动的汽车中，转向驱动桥的 前轮既是转向轮，也是驱动轮，因此前轮在偏转时传递 动力。对于非独立悬架的转向驱动桥，一般将一侧半轴 分为内、外两段半轴，内外侧由万向节连接，形成万向 传动装置。如图5-4所示。
图5-4 内、外半轴之间的 万向传动装置
模块五 万向传动装置的构造与维修 万向传动装置
图5-10 自由三枢轴式万向节
万向节
模块五 万向传动装置的构造与维修 万向传动装置
后驱车万向传动装置的拆装
以五菱之光为例，讲讲万向传动装置的拆装。
一、拆卸
（1）拆传动轴的滑动叉，用尖嘴钳取出蛇形卡簧，如图5-11所示。 （2）用相应大小的圆柱顶住十字轴轴承，用锤子敲打，使之从万向节叉中脱出。 （3）取出传动轴滑动叉，如图5-12所示。
球叉式万向节通常用于中小型越野汽车转向驱动桥。
万向传动装置练习题(一)
万向传动装置练习题（一）一、填空题1万向传动装置一般由和组成，有时还加装。
2万向传动装置用来传递轴线且相对位置的转轴之间的动力。
3传动轴在高速旋转时，由于离心力的作用将产生剧烈振动。
因此，当传动轴与万向节装配后，必须满足要求。
4等速万向节的基本原理是从结构上保证万向节在工作过程中。
二、选择题1、十字轴式刚性万向节的十字轴轴颈一般都是( )。
A．中空的B．实心的C．无所谓D．A，B，C均不正确2、十字轴式不等速万向节，当主动轴转过一周时，从动轴转过( )。
A．一周B．小于一周C．大于一周D．不一定3、双十字轴式万向节实现准等速传动的前提条件之一是( )。
(设a1为第一万向节两轴间夹角，a2为第二万向节两轴间的夹角)A．al=a2 B a1>a2 C．al<a2 D．a1与a2无关4、所有普通十字轴式刚性万向节“传动的不等速性”是指主动轴匀角速度旋转时，（）。
A、从动轴的转速不相等B、从动轴在旋转一周中的角速度是变化的C、从动轴的转速是相等的D、从动轴在旋转一周中的角速度是相等的5、为了使汽车应对因路面的不平而引起的传动轴长度变化，应该采用（）装置。
A. 万向接头B.中间轴承C. 滑动接头D.十字接头6、下面万向节中属于等速万向节的是( )。
（多选）A．球笼式B．双联式C．球叉式D．三销轴式7、汽车传动轴上经常会有镶装的铁片，它的作用是( )。
A．制造工艺所需B．配重平衡所需C．维修焊补的痕迹D．生产厂的标记8、前驱动桥的半轴上安装的是( )。
A．普通万向节B．十字轴万向节C 准等速万向节D．等速万向节9、为了提高传动轴的强度和刚度，传动轴一般都做成( )。
A．空心的B．实心的C．半空半实的D．无所谓10、等速万向节的作用是将()输出的动力传递给驱动轮。
A . 变速器B . 差速器C . 分动器D . 减速器11、在发动机前置、后轮驱动的汽车传动系中, 一般万向节采用的是()。
A . 普通刚性十字轴B . 准等速C . 等角速D . 球叉式12、十字轴式万向节允许相邻两轴的最大交角为()。