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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: 學(xué) 號： 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

2、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 ABSTRACT Telescopic 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

3、 transmission system, to determine the layout of ball cage patterned constant speed universal joint 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

4、of the analysis of the choice of materials and workmanship. And to use 3d drawing software Pro - e and 2d graphics software caxa, the auxiliary analysis. Keywords: rzeppa constant velocity joins; Car; Design; Analysis; Efficiency; Service life; software. 目 錄 摘 要 1 0 引言 4 0.1 汽車萬向節(jié)

5、與傳動軸技術(shù)發(fā)展綜述 4 0.2 球籠式等速萬向節(jié)的發(fā)展?fàn)顩r 5 0.3 球籠式等速萬向節(jié)的潤滑及密封技術(shù)現(xiàn)狀 6 1 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)與設(shè)計參數(shù)確定 7 1.1 結(jié)構(gòu)選擇 7 1.2 等速證明 9 1.3 等速萬向節(jié)等速的保證 10 1.4參數(shù)確定 13 1.4.1 萬向節(jié)軸徑和鋼球直徑 13 1.4.2 鋼球回轉(zhuǎn)中心徑 15 1.4.3 筒形外殼溝道溝槽形狀及設(shè)計參數(shù) 16 1.4.4 溝道偏心距 17 1.4.5 萬向節(jié)基本尺寸的確定 18 2 萬向節(jié)運動分析與力學(xué)分析 22 2.1 鋼球的運動分析 22 2.1.1 鋼球的運動軌跡 22 2.1.2 鋼

6、球沿y軸方向運動 24 2.1.3 鋼球沿徑向運動 25 2.1.4 鋼球的切向速度與切向加速度 26 2.2 萬向節(jié)受力分析 28 2.2.1 鋼球位置計算 28 2.2.2 鋼球運動平面與原始平面對應(yīng)半徑的夾角 30 2.2.4 橢圓上各鋼球的圓周力 31 2.3 保持架運動和受力分析 32 3 萬向節(jié)主要零件的材料選擇及工藝流程 34 3.1 筒形外殼 34 3.1.1 筒形外殼材料的選擇 34 3.1.2 筒形外殼工藝流程 34 3.2 球籠 36 3.2.1 球籠材料的選擇 36 3.3 星形套 38 3.3.1 星形套材料選擇 38 3.3.2 星

7、形套工藝流程 39 3.4 半軸 40 3.4.1 半軸材料的選擇 40 3.5 鋼球 41 3.5.1 鋼球材料選擇 41 3.6 星形套與半軸的固定 41 4 制造技術(shù) 41 5 球籠式萬向節(jié)的潤滑 42 6 等速萬向節(jié)的效率 43 6.1效率公式的推導(dǎo); 44 6.2 扭矩損失公式的推導(dǎo): 44 6.3 鋼球與內(nèi)外滾道之間的摩擦損失： 45 6.4 鋼球與保持架之間的摩擦損失： 46 6.5 外滾道與保持架之間的摩擦損失： 46 6.6 內(nèi)滾道與保持架之間的摩擦損失： 47 7 萬向節(jié)壽命分析 48 8 設(shè)計總結(jié) 54 10 謝詞 55 11 參考文獻

8、 57 0 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

9、能盡可能均勻滴傳遞扭矩和旋轉(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

10、奧地利A.H.Rzeppa于1926年發(fā)明的（簡稱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

11、節(jié)用的是單圓弧的鋼球滾道，單圓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。

12、因此對此種萬向節(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

13、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

14、油六個鋼球同時承載，承載能力及耐沖擊能力強、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，工作角很大。適合輕型汽車上應(yīng)用。 1、 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)外球面、星型

15、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，因此，,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：，.由于傳力鋼球的速度（）相同，半徑，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 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

16、角的極限值，再選擇一個大于β/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β時剛好楔緊。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，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： （1-1） （1-2） （1-3） 式中： 、——內(nèi)環(huán)、外環(huán)與鋼球接觸點上的壓力； ——內(nèi)環(huán)與鋼球接觸點處的摩擦系數(shù)； ——外環(huán)與鋼球接觸點處的摩擦系數(shù)； β——楔角；

17、 ——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)之間均為靜止滑動摩擦，故有： （1-7） 即（1-4）、（1-7）可得楔進條件為： 即 （1-8） 由式（1-3）、（1-7）可得： 由式（1-8）可知，當(dāng)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。 1.4參數(shù)確定 1.4.1

18、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： 式中，為使用因素影響系數(shù)，對傳動軸而言，的值越大，允許負荷就越小。考慮輕型汽車使用條件主要為城區(qū)道路，故取=1.2； 為傳動軸傳遞的最大扭矩。取動力輸出最大轉(zhuǎn)矩158Nm，額定轉(zhuǎn)速r/min，主減速器傳動比，變速器一檔傳動比。所以傳動軸最大扭矩為 （Nm） 經(jīng)計算，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，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 75 87 95 100 113 125 150 與星型套

19、聯(lián)接的軸徑直接 mm 19.1 22.2 23.8 25.4 28.6 31.8 38.1 鋼球直徑 mm 14.288 16.669 18.000 19.050 21.431 23.812 28.575 星型套 最大直徑 mm 22.42/22.35 26.67/26.59 26.67/26.59 30.48/30.35 33.15/33.02 37.16/37.08 46.10/45.97 最小直接 mm 20.22、20.09 24.67/24.56 24.67/24.56 25.53/25.40 30.61/30.48

20、 33.35/33.22 41.28/41.15 槽距 mm 22.75/45.5 22.75/45.5 22.75/45.5 20/40 20/40 13/26 10.50/21 花鍵齒數(shù) 19 23 23 23 25 18 球殼外徑 mm 70 81 88 92 103 115 137 1.4.2 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 其中：——鋼球回轉(zhuǎn)中心徑系數(shù)，一般??； ——星型套內(nèi)花鍵大經(jīng)，為26.60mm； ——筒形外殼最大外徑，為88mm。

21、 計算得，mm 取：㎜。 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。 1） 溝道截面圓弧半徑 筒形外殼溝道圓弧半徑可按下式計算 取，得。 2）溝道接觸角 鋼球與筒形外殼溝道截面圓弧的切點和鋼球中心線與鋼球縱向中

22、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

23、布半徑 由經(jīng)驗公式： 又知：㎜ 得： 取：㎜ 2） 球籠厚度 圖3 球籠基本尺寸 由公式： 又㎜ 得：㎜ 取：㎜ 3） 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：㎜ ?。憨L 7）中心偏移距

24、 由公式： 推出：㎜ ?。憨L 8） 軸頸 由公式： 推出：㎜ 9) 星型套花鍵外徑 由公式： 推出：㎜ ?。憨L 10）筒形外殼滾道長度 圖5 筒形外殼基本尺寸 由公式： 推出：㎜ ?。憨L 11) 中心偏移角 由公式： 2 萬向節(jié)運動分析與力學(xué)分析 2.1 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

25、行細致的分析。 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。 （2-1） 當(dāng)主動軸與從動軸之間存在夾角之后，鋼球的運動平面不再與軸垂直（對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，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

26、）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化，此處不計哥氏加速度。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

27、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。 由鋼球的運動軌跡和圖6（c）可知， （2-5） （2-6） 對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： （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

28、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 鋼球位置計算 　　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： （2-13）

29、 式中： 圖8 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： 式中： 式中：——假設(shè)中的第一個鋼球在某一時刻的角度。 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 鋼球運動平面與原始

30、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，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） 所得即為六個鋼

31、球的受力情況。 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載和角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： 1、沒有球籠，只有半球在一個旋轉(zhuǎn)方向上傳遞力矩。 2、軌道在一個限定的公差范圍內(nèi)制造。 3、由于每對軌道在任意負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，

32、軌道將通過球籠和其他軌道共同作用。當(dāng)主、從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： 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.

33、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 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φ54 06 鏜孔 小端孔半精鏜精鏜至φ36H7 07 拉

34、花鍵 立式拉床 08 清洗 清洗機上清洗 09 軌道和花鍵表面進行高頻淬火 筒形外殼淬火機床 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 13 清洗 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，

35、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 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 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 13 磁力探傷 磁力探傷機 14 檢驗 15 流入裝配區(qū) 3.3 星

36、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 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

37、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 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Rhtr450=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)Ⅱ/Ⅲ，采用DIN5401標(biāo)準(zhǔn)。萬向節(jié)安裝要求幾乎沒

38、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

39、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。 5 球籠式萬向節(jié)的潤滑 因為球籠式有滑動的擺動，在外部工作

40、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。 6 等速萬向節(jié)的效率 Birfield加接觸等速萬向節(jié)

41、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。滑動摩擦主要與潤滑介質(zhì)有關(guān)，在潤滑良

42、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。由此殼認為在萬向節(jié)中滑動摩擦是效率損失中關(guān)鍵的部分。滑動摩擦主要產(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。效率與扭矩損失的關(guān)系是： （6-1） 式中： —效率 —扭矩損失 —輸入扭矩 6.2 扭矩損失公式的推導(dǎo): 由上所述，扭矩損失主要由鋼球與滾道

43、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。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

44、 —壓力角（） 在萬向節(jié)工作角度為時，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)工作角度為時，鋼球與保持架之間的滑動摩擦損失為： 式中： —鋼球與保持架之間摩擦副摩擦系數(shù)

45、 F—鋼球與保持架之間的作用力 其中 ： F=2 6.5 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，外滾道與保持架之間的滑動摩擦損失為： 式中：R— 外滾道曲率半徑 6.6 內(nèi)

46、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，、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： 綜上所述，萬向節(jié)扭矩損失主要由上述4中情況產(chǎn)生。因此，萬向節(jié)扭矩損失為： 將式代入（

47、6-1）式中，就可以計算出萬向節(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。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)力規(guī)定為0.8437。此時，若萬向節(jié)在一定的應(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)與壽命的關(guān)系。所謂合速度系

48、數(shù)是指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： 同時： 式中：—表示轉(zhuǎn)速為100r/min，=1，能得到1500h計算壽命的扭矩（kgm），=0.0026S, —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； n—轉(zhuǎn)速； —合速度系數(shù)。它取決于萬向節(jié)的工作角度和動力性能； —

49、在時的比功率，= 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)和運轉(zhuǎn)時間的關(guān)系 在n=100r/min；U=1500h；=1時，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，則可用下式計算出合速度： 或 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)

50、 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)在下運轉(zhuǎn)，與總所的壽命時間U的比例，可得在這個時間內(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間占總壽命時間的百分比。 設(shè)本次設(shè)計的小汽車的轉(zhuǎn)速n=200r/min，平均傳動效率為95%，轉(zhuǎn)向角度10扭矩M= 1800N.m占使用時間的百分比為28%根據(jù)圖15可以查出其角度因素： =0.

51、22 帶入上式可以求出 ==0.6 根據(jù)圖14可以查出其壽命時間為4000h 圖15： 角度系數(shù)與萬向節(jié)傳動角度和運轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系 圖15 角速度系數(shù)與萬向節(jié)傳動角度和運轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系 可以求出萬向節(jié)在n=200r/min時的總的時間為： ==14286h 故這種萬向節(jié)較好，能夠滿足其使用要求的。 8 設(shè)計總結(jié) 在這次畢業(yè)設(shè)計中，我設(shè)計的題目是：伸縮型球籠式等速萬向節(jié)。雖然在之前所學(xué)的課程中很少涉及這方面的知識，但是通過了本次設(shè)計我對萬向節(jié)都有了很深一步的理解，而且知道了萬向節(jié)的等速原理，萬向節(jié)的各方面都有了不同的見解。而且這次設(shè)計讓我對所學(xué)習(xí)的繪圖軟件ca

52、xa和Pro-e更加的熟悉，在我以后的工作和生活中都會有很大的幫助。 本次設(shè)計給我有很深的感觸，因為是第一次接觸到這個東西，所以一次開始無從下手，每天查閱這樣那樣的資料，也找不到關(guān)于我所設(shè)計的萬向節(jié)的內(nèi)容。說實話那段時間是最難熬得，因為看著大伙兒都做很多了，而我卻還在冥思苦想，但是還是沒有想出來。當(dāng)時還產(chǎn)生了有放棄的念頭。之后我找到了我們的指導(dǎo)老師洪明，在說明了我的情況之后，老師給我一句忠告：認真查閱資料仔細研究。說實話聽了那句話我很無奈，感覺上像是說我以前不仔細。最終聽了老師了話，把以前查閱過的所有資料重新仔細的看了，果不其然，這書上我清楚的記得一句話：伸縮型球籠式等速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)與一般球籠

53、式相似，僅僅外滾道為直槽，擺動時鋼球滾動，軸向伸縮時為滑動?？吹竭@句話，心里面的那個結(jié)打開了，原來我的所設(shè)計的萬向節(jié)和一般的球籠式萬向節(jié)相似，我就開始按照一般球籠式萬象的設(shè)計方法以及步驟開始了我的設(shè)計。在設(shè)計過程中也產(chǎn)生了很多的問題，我知道堅持下來我肯定就能夠把所有問題解決。經(jīng)過我不斷的努力和指導(dǎo)老師的幫組下都一一克服了困難，完成了本次設(shè)計。 這次設(shè)計給我最大的感觸就是，只要心中有不放棄、不服輸?shù)膭艃海覀兙湍艹晒ξ覀兙湍芸朔欣щy。還有就是對陌生事物的自學(xué)能力，我相信這次設(shè)計將會對我以后的工作和日常生活都會有很大的幫助。 10 謝詞 為期一個多月的畢業(yè)的設(shè)計，我非常感謝我們的指導(dǎo)

54、老師洪明。在洪明老師盡心盡力的幫助下我完成了此次設(shè)計，洪明老師淵博的專業(yè)知識和豐富的經(jīng)驗，讓我在設(shè)計的過程中得到了很多的啟發(fā)。洪明老師在我的設(shè)計中傾注了太多了心血，付出的太多，再次衷心的感謝洪明老師！當(dāng)然，這次設(shè)計還有其他老師和同學(xué)的幫助，再次我也感謝他們的熱心幫助。 當(dāng)然感謝學(xué)校給我這次實踐的機會，也讓我對機械行業(yè)產(chǎn)生了更加濃厚的興趣，在設(shè)計中我學(xué)到了很多課堂上學(xué)不到知識，更培養(yǎng)了我自主學(xué)習(xí)和獨立思考的能力。 最后感謝所有鼓勵和幫助我的人，蘇良衷心的感謝你們，謝謝你們！我將在以后的工作和日常生活中不斷的完善自己，要讓自己成為一個有用之才。 11 參考文獻

55、 1《汽車車橋設(shè)計》劉惟信 清華大學(xué)出版社 2《傳動軸與萬向節(jié)》羊拯民 人民交通出版社 3《工程材料與應(yīng)用》王旈敏 重慶大學(xué)出版社 4《材料力學(xué)》霍炎 習(xí)寶林 機械工業(yè)出版社 5《機械制造工藝學(xué)》鄭修本 機械工業(yè)出版社 6《機械零件》鄭志祥 高等教育出版社 7《機械設(shè)計》邱宣懷 高等教育出版社 8《汽車構(gòu)造》陳家瑞 機械工業(yè)出版社 9《密封與潤滑》馬先貴 機械工業(yè)出版社 10《機械原理》馬永林 高等教育出版社 11《互換性與測量》 12《萬向節(jié)與傳動軸》（德）切梅茲 北京理工大學(xué)出版社 13《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》吳宗澤羅圣國 高等教育出版社 58