汽車球籠式等速萬向節(jié)設(shè)計(jì)摘要速度驅(qū)動(dòng)軸對(duì)于轎車來說是一個(gè)非常關(guān)鍵的部位。它直接關(guān)系到汽車的穩(wěn)定性及力的傳動(dòng)性能。等速驅(qū)動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響到它的性能與壽命，為實(shí)現(xiàn)綜合的最佳標(biāo)準(zhǔn)化效果，需進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)。首先確定了汽車球籠式等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)主參數(shù)及其上、下限，列出了若干基本參數(shù)，然后選擇符合汽車要求的球籠式等速萬向節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品的基本參數(shù)進(jìn)行系列化設(shè)計(jì)，并闡述了產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)的作用。其主要研究工作如下：本文以國內(nèi)的某種汽車作為研究對(duì)象，為這種型號(hào)的轎車選取前置的驅(qū)動(dòng)球籠式等速萬向節(jié)，選取的萬向節(jié)在性能方面滿足轎車的使用壽命要求，在結(jié)構(gòu)上滿足強(qiáng)度剛度性能。并對(duì)其基本參數(shù)加以設(shè)計(jì)和改進(jìn)，再運(yùn)用CATIA軟件與ADAMS軟件聯(lián)合仿真分析對(duì)本文所設(shè)計(jì)的球籠式等速萬向節(jié)傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，檢驗(yàn)了該球籠式等速萬向節(jié)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性，并驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并有助于改進(jìn)產(chǎn)品。關(guān)鍵詞：球籠式等速萬向節(jié)；參數(shù)化設(shè)計(jì)；動(dòng)力學(xué)分析AbstractThe speed drive shaft is a key part of the car. It is directly related to the stability of the vehicle and force transmission performance. Constant speed of the drive shaft structure strength directly affect its performance and life, and the intensity of the constant speed drive shaft structure depends on the transmission parts in the process of the internal contact stress distribution, size, however the traditional test method cannot determine the contact stress of complex structure, so that by finite element numerical method to accurately simulate the transmission process is particularly important, also is the main method of design and development process. In this paper, on the basis of related literature at home and abroad are reviewed. The research of ball cage patterned constant speed universal joint as the research object, to parametric design of products, is currently widely used two kinds of raceway cross section of universal joint kinematics and dynamics, the respect such as the static contact stress was studied, and the race of universal joint is optimized to improve. The research work is as follows:Based on a domestic manufacturer before the engine front drive car constant speed drive shaft of ball cage patterned constant speed universal joint as the research object, using 3 d reconstruction technology, using three coordinate measuring machine parts size precise scanned into the computer, then using CATIA software combining ADAMS software and the simulation analysis of this paper, the design of ball cage patterned constant speed universal joint shaft kinematics and dynamics analysis, validate the correctness of ball cage patterned constant speed universal joint drive shaft structure design; Virtual prototype technology was used to analyze the performance of the constant velocity universal joint drive shaft.Key words：Ball cage type constant velocity universal joint; Parametric design; Dynamic analysis目錄摘要2Abstract3第1章緒 論61.1研究背景及課題來源61.2等速萬向節(jié)簡介81.3球籠式等速萬向節(jié)簡介101.4國內(nèi)外等速萬向節(jié)的發(fā)展和研究概況111.5論文研究的主要內(nèi)容14第2章 球籠式等速萬向節(jié)的設(shè)計(jì)152.1 引言152.2 汽車等速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定152.2.1基于帕姆格倫-邁因納原理的萬向節(jié)使用壽命估算152.2.2 汽車等速萬向節(jié)使用壽命計(jì)算實(shí)例162.2.3 RF95萬向節(jié)基本尺寸參數(shù)的確定182.3 本章小結(jié)22第3章 RF95萬向節(jié)模型建立233.1 CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)233.2 參數(shù)化建模技術(shù)243.3 等速萬向節(jié)三維參數(shù)化模型的建立253.3.1 RF95萬向節(jié)各組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模253.3.2 RF95萬向節(jié)各組件的裝配263.4 本章小結(jié)26第4章 球籠式等速萬向節(jié)動(dòng)力學(xué)分析274.1 引言274.2 建立模型274.2.1 三維模型的建立274.2.2 力學(xué)模型的建立274.3 仿真技術(shù)與分析304.3.1 等速性分析304.3.2 溝道壓力分析314.4 本章小結(jié)31第5章 研究總結(jié)與展望335.1 研究總結(jié)335.2 展望33參考文獻(xiàn)35第1章 緒 論1.1研究背景及課題來源目前的汽車讓人類出行變得非常便利，所以自從汽車發(fā)展起來之后，對(duì)于汽車的研究一直在持續(xù)。為了提升汽車的各種性能，各國的學(xué)者都從汽車的各種零部件入手，通過研發(fā)更加高性能的零部件，力求延長汽車的使用壽命、提高汽車的穩(wěn)定性、加快汽車的啟動(dòng)速度以及增強(qiáng)汽車的靈敏性等各種方面的性能。所以汽車的很多技術(shù)都越來越受到科學(xué)家的關(guān)注，并積極自主研發(fā)更好的零部件，為汽車工業(yè)的發(fā)展做出了非常長遠(yuǎn)的貢獻(xiàn)。汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和四個(gè)車輪鏈接并進(jìn)行力的傳動(dòng)就要用到萬向節(jié)，所以汽車的等速萬向節(jié)關(guān)系到汽車的傳動(dòng)性能，以及穩(wěn)定性扮演者非常重要的一個(gè)角色1。而隨著科技的不斷更行，以及人類對(duì)于汽車的追求不再僅僅是滿足傳動(dòng)的性能，而是不斷追求汽車的更高的穩(wěn)定性、舒適性、靈敏性等一系列的高追求。那么等速萬向節(jié)就要具有更加高的性能要求，而不是僅僅為了力的傳輸，以及方向改變要求2。高速發(fā)展的汽車工業(yè)，使得汽車的前置驅(qū)動(dòng)（FF）以及四輪驅(qū)動(dòng)（4WD）相繼問世，在這兩種不同類型的汽車驅(qū)動(dòng)方面，萬向節(jié)就要起到關(guān)鍵性的作用，正是等速萬向節(jié)的發(fā)展才能促使這兩種類型的汽車產(chǎn)生，而且也推動(dòng)了前置驅(qū)動(dòng)和四輪驅(qū)動(dòng)汽車的發(fā)展。等速萬向節(jié)將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的力傳輸?shù)狡嚨能囕啠?shí)現(xiàn)改變方向的作用，在實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)作用的同時(shí)，還能夠保持相同的角速度輸出，將動(dòng)力重發(fā)動(dòng)機(jī)的減速器傳遞到汽車的車輪當(dāng)中。在四輪驅(qū)動(dòng)的汽車當(dāng)中，等速萬向節(jié)可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的力減速主傳動(dòng)軸的力傳輸?shù)角拜嗇S和后輪軸，實(shí)現(xiàn)前后兩輪的相同的角速度，擁有相同的輸出轉(zhuǎn)速，提高汽車的穩(wěn)定性能。而前置驅(qū)動(dòng)汽車的萬向節(jié)是通過將主傳動(dòng)軸的力矩，通過轉(zhuǎn)向并輸出相同的角速度，為前置驅(qū)動(dòng)的汽車前輪軸提供動(dòng)力。這種傳動(dòng)方式甚至可以實(shí)現(xiàn)軸線不在同一直線上的動(dòng)力及角速度的傳動(dòng)，這種動(dòng)力傳動(dòng)特征可以通過具體的圖形來顯示，如圖1-1所示。圖1-1 等速萬向節(jié)在汽車上的應(yīng)用在如今的等速萬向節(jié)和最初的等速萬向節(jié)已經(jīng)有了非常大的差異性，現(xiàn)在的等速萬向節(jié)已經(jīng)分為了很多個(gè)部件，等速萬向節(jié)的總的結(jié)構(gòu)不再是一個(gè)整體，而是包括了前置的減速裝置和傳動(dòng)軸等一系列的部件，這樣設(shè)計(jì)的目的就是使得汽車能夠在不同的路段、不同的速度以及實(shí)現(xiàn)更靈活性的轉(zhuǎn)向方面，等速萬向節(jié)能夠發(fā)揮到更好的作用，如圖-2所示。而等速萬向節(jié)的基本作用是力的傳遞，就是將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出力通過主減速器再連接等速萬向節(jié)將力傳遞到車輪端，實(shí)現(xiàn)力和方向的改變，而且保持角速度不變的性質(zhì)。等速萬向節(jié)的轉(zhuǎn)向功能就是將發(fā)動(dòng)機(jī)主減速裝置的相同角速度進(jìn)行方向的轉(zhuǎn)換，最大轉(zhuǎn)換的角度可以進(jìn)行偏轉(zhuǎn)40左右，而在這個(gè)過程中，等速萬向節(jié)就發(fā)揮了巨大的作用，相當(dāng)于作為一個(gè)力的中轉(zhuǎn)站，將發(fā)動(dòng)機(jī)的力傳輸給驅(qū)動(dòng)輪，并使其方向發(fā)生改變。正是這兩種功能使得等速萬向節(jié)就需要非常高的性能要求，因?yàn)榱Φ膫鬏斶^大或者方向稍微的偏差都可以會(huì)導(dǎo)致汽車的顛簸性，使得汽車的穩(wěn)定性功能下降。圖1-2 等速萬向節(jié)傳動(dòng)軸總成所以等速萬向節(jié)在設(shè)計(jì)的時(shí)候，在各個(gè)方面都要做到非常合理，并在加工的時(shí)候都要做到非常精密加工。為了使得汽車的穩(wěn)定性功能的提升，那么就要根據(jù)不同的汽車，設(shè)計(jì)它所相適應(yīng)的等速萬向節(jié) 3。汽車的可靠性，其實(shí)就是汽車在設(shè)計(jì)中所期望的速度、性能以及相關(guān)的一些功能，在汽車生產(chǎn)之后能夠達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)基本的性能保證。在這種情況可以選著較好較為精密的零件的型號(hào)，然后進(jìn)行相應(yīng)的拼裝，使其總體性能能夠的到相應(yīng)的加強(qiáng)，并盡可能的提高等速萬向節(jié)的一些穩(wěn)定性、高精密性、靈敏性的相關(guān)功能。之后再對(duì)總體拼裝的等速萬向節(jié)進(jìn)行總的檢測，進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)，或者模擬分析，以達(dá)到所期望的汽車要求，提高汽車的可靠性。雖然這樣的要求過程中，會(huì)相比于簡單的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，但之后所要到的相關(guān)性能的產(chǎn)品，那么只需要改變相應(yīng)的參數(shù)，便可以得到更加嚴(yán)謹(jǐn)，更加高效，更加可靠的產(chǎn)品，進(jìn)而為總的汽車設(shè)計(jì)提供非常好的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，并可以在后期總的裝配中避免很多不必要的檢測4。比如檢測萬向節(jié)零件中的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)零件的傳動(dòng)性能，以及傳動(dòng)軸的圓跳動(dòng)是否滿足設(shè)計(jì)的要求等一系列的待測的環(huán)節(jié)。通過標(biāo)準(zhǔn)的零件進(jìn)行組裝，就可以節(jié)省很多這種檢測環(huán)節(jié)中不必要的一環(huán)5。到目前為止，我國的汽車工業(yè)的發(fā)展相對(duì)于國外起步很晚，所以在研發(fā)方面很多技術(shù)都有相應(yīng)的欠缺，那么在設(shè)計(jì)方面，就更應(yīng)該不斷的進(jìn)行創(chuàng)興發(fā)展，從而使我國的汽車行業(yè)達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)，在汽車的使用壽命方面我國的汽車行業(yè)也存在著很大的問題6等，這里的主要原因就是我國汽車發(fā)展和起步的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)晚于發(fā)達(dá)國家的，而汽車更新?lián)Q代的速度非?？?，我們必須要深刻地認(rèn)識(shí)到我國汽車工業(yè)方面與其他發(fā)達(dá)國家汽車設(shè)計(jì)國家的汽車工業(yè)存在著差距7。面對(duì)這種情況，只有進(jìn)行高強(qiáng)度地進(jìn)行汽車核心部件的研發(fā)，并同時(shí)提高制造性能，以求達(dá)到世界汽車設(shè)計(jì)的頂端。作為設(shè)計(jì)方面必須要從提高汽車的可靠性能進(jìn)行，從而提高客戶對(duì)于我國汽車方面的體驗(yàn)感，之后才能夠在汽車市場中占據(jù)一席之地，并實(shí)現(xiàn)長久不衰的可能性，之后不斷的研發(fā)、不斷地進(jìn)步才能夠使得我國的汽車工業(yè)得到更好的發(fā)展，同時(shí)可以從中獲得更加高的利潤。1.2 等速萬向節(jié)簡介為了保證從主軸減速器傳遞到汽車車輪軸的角速度不發(fā)生改變8，那么在方向和力的傳遞過程中，等速萬向節(jié)就起到了至關(guān)重要的一環(huán)9。等速萬向節(jié)的作用就是傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)上主減速器的角速度和改變力的方向，起到一個(gè)中間轉(zhuǎn)接的裝置，是一個(gè)對(duì)于汽車來說非常重要的零部件10。等速萬向節(jié)本身要傳遞非常大的力矩，并且傳遞的速度也非?？?，并且在傳遞力的時(shí)候，方向的改變也起到非常大的作用，使得等速萬向節(jié)的傳遞變得更加要求更加的精密，為加工的難度也大大的提高了，所以等速萬向節(jié)在加工的時(shí)候也必須使用精加工，使得傳動(dòng)性能才能達(dá)到所預(yù)期的那樣，提高等速萬向節(jié)的穩(wěn)定性，提高汽車的穩(wěn)定性，使得汽車的使用壽命大大延長。這樣的做法，雖然會(huì)導(dǎo)致制造成本的大大的提高，當(dāng)時(shí)所生產(chǎn)出來的等速萬向節(jié)也能夠更加有效，性能更加的優(yōu)越，所能承載的力矩能夠達(dá)到更加的大，所傳遞的方向更加的準(zhǔn)確，所都能達(dá)到的性能要求也大大提升，進(jìn)而提升汽車的性能，使得汽車的壽命延長，使得汽車的啟動(dòng)速度更塊，使得汽車的穩(wěn)定性加強(qiáng)，整體的性價(jià)比更加的高11。在汽車的等速萬向節(jié)使用過程中，一般分為兩種一種是滑塊是等速萬向節(jié)，一種是固定式等速萬向節(jié)兩種，這兩種的相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)可以參考下面的一個(gè)表格，他們的性能要求也分為很多種12。表1-1中，明確地列舉了滑塊式等速萬向節(jié)和固定式等速萬向節(jié)的相關(guān)的一些特定的性能，以及各自適應(yīng)的范圍。表1-1 常用等速萬向節(jié)及性能特點(diǎn)分類固定式滑移是性能特點(diǎn)等角速度活動(dòng)角大：4050壽命長等角速度能夠形成活動(dòng)角：2030能夠軸向移動(dòng)、壽命長、強(qiáng)度高種類RF(Rzeppa等速萬向節(jié))BJ(波菲爾德說)UF(球叉式等速萬向節(jié))GE(三柱軸等速萬向節(jié))GJ(三柱軸式速萬向節(jié))DOJ(雙偏置等速萬向節(jié))TJ(三球銷等速萬向節(jié))VL(交叉軸等速萬向節(jié))對(duì)于固定滑塊的等速萬向節(jié)來說，Rzeppa的等速萬向節(jié)能夠有更加長的使用壽命，能夠?qū)崿F(xiàn)等角速度的傳遞，并且傳遞的角度更加的大 13，不同與Rzeppa等速萬向節(jié)，波菲爾德的萬向節(jié)，在構(gòu)造的設(shè)計(jì)方面更加的不同，所采用的圓弧型固定滑塊，使得傳遞的力能夠更加的大，所能承載的力矩也更加的大，所以能夠形成更加大的力矩輸出，在大卡車或者大型的汽車方面更加的適用。下面是等速萬向節(jié)傳遞的一個(gè)總的概括圖，其中的1球籠式等速萬向節(jié)；2鋼絲擋圈；3固定端大卡箍；4固定端密封罩；5固定端小卡箍；6傳動(dòng)軸；7伸縮端小卡箍；8伸縮端密封罩；9伸縮端大卡箍；10擋圈（GB/T894.1）；11四球銷式等速萬向節(jié)；12鋼絲擋圈。圖1-3 等速萬向節(jié)傳動(dòng)軸總成結(jié)構(gòu)為了使得轎車在行駛過程中能夠更加平穩(wěn)更加快速或者更高速平穩(wěn)的形式，那么等速萬向節(jié)就起到了至關(guān)重要的一環(huán)，等速萬向節(jié)的力的傳輸以及方向的改變都會(huì)很大程度的影響到汽車的穩(wěn)定性能，為了使得汽車在特定的一些路面或者特定的天氣情況下還能夠正常高效的行駛，那么對(duì)于等速萬向節(jié)的設(shè)計(jì)就要做到更加的高效更加的精密，才能滿足現(xiàn)代轎車的要求。轎車在行駛過程中會(huì)碰到比較惡劣的路況，在這種時(shí)候就很考驗(yàn)轎車的總體性能，比如穩(wěn)定性，就是在比較高溫或者比較潮濕的情況之下保持汽車的平穩(wěn)的行駛，并且在萬向節(jié)方面，如星形套、鋼球、滾動(dòng)軸，還有主軸之間的力的傳輸，就要保持比較高的穩(wěn)定性能15。在潮濕的情況之下，主軸輸出的力矩的大小比價(jià)大，并且不能產(chǎn)生打滑的情況，在這樣的惡劣情況之下，球籠式等速萬向節(jié)就有比較好的優(yōu)勢，因?yàn)榍蚧\式等速萬向節(jié)不容易產(chǎn)生打滑的現(xiàn)象，同時(shí)在里的傳導(dǎo)過程中，因?yàn)槭潜容^圓滑的情況，所產(chǎn)生的熱能比較少，相對(duì)來說力矩傳遞過程中損失的機(jī)械能就比較少，力的傳遞效率非常高。在方向的方面，球籠式等速萬向節(jié)傳遞也有天然的優(yōu)勢，因?yàn)槭乔蛐蔚膫鲗?dǎo)，那么在轉(zhuǎn)向方面又有了更大的偏角，能夠傳遞更加大的角度，就是傳遞角度能夠比較大，相比其他的等速萬向節(jié)。1.3 球籠式等速萬向節(jié)簡介為了在球籠式等速萬向節(jié)方面做出更加優(yōu)秀的萬向節(jié)，就是使得球籠式等速萬向節(jié)在力的傳遞過程中，或者方向的轉(zhuǎn)換過程中能夠具有更加強(qiáng)的穩(wěn)定性能，國內(nèi)外很多科學(xué)家都做出了非常大的貢獻(xiàn)，這才使得球籠式等速萬向節(jié)有了今天這樣非常優(yōu)秀的性能。球籠等速萬向節(jié)最先的發(fā)明者是William A Whitney，他在 1663年的時(shí)候發(fā)明了球籠式等速萬向節(jié)。而Robert Hook是在前人的球籠式等速萬向節(jié)方面做出了更加優(yōu)異的性能改變，他利用滾珠的方式代替了以前的蝸桿傳動(dòng)，這樣大大地提升了等速萬向節(jié)方向改變的角度，使得等速萬向節(jié)在速度改變方面能夠給出更加高的角度，傳遞的角度更加的大。再之后，也就是在1926年的時(shí)候球籠式等速萬向節(jié)又有了新的發(fā)展，這次是在萬向節(jié)的加工工藝上的改變，就是改變球籠等速萬向節(jié)的弧形軌道，這一次的改進(jìn)，基本上就是現(xiàn)在目前為的球籠式等速萬向節(jié)目前的模型。Rzeppa球籠式等速萬向節(jié)如圖1-4所示。1外套；鋼球；內(nèi)套；保持架；導(dǎo)向盤；彈簧；分度桿；墊塊。圖1-4 Rzeppa球籠式等速萬向節(jié)Stuber之后又對(duì)球籠式等速萬向節(jié)在鑄造工藝和相應(yīng)的其他功能進(jìn)行了提升，他的這樣的改變，能夠加強(qiáng)萬向節(jié)的一些更加強(qiáng)的性能，對(duì)于一些標(biāo)配件的加強(qiáng)，更加的深入，更加的強(qiáng)，并組建成為轎車的標(biāo)準(zhǔn)配件。在此次加強(qiáng)之后，于1958年，Birfield作為一名英國的汽車方面的研究學(xué)者，他對(duì)于球籠式等速萬向節(jié)也起到了非常關(guān)鍵性的作用，推動(dòng)了球籠式萬向節(jié)的法杖，讓球籠式等速萬向節(jié)發(fā)展的更好，在穩(wěn)定性的方面做出了巨大的突破。如圖1-5所示。（O萬向節(jié)中心；A外套滾道中心；B內(nèi)套滾道中心；C鋼球中心；軸間擺角。圖1-5 Birfield球籠式等速萬向節(jié)球籠式等速萬向節(jié)的作用，體現(xiàn)在它的傳動(dòng)性能方面，一個(gè)是因?yàn)槭乔蛐蔚霓D(zhuǎn)向功能，那么能夠在方向的轉(zhuǎn)換方面達(dá)到更加廣闊的角度，使得轉(zhuǎn)換的角度達(dá)到40到五十度角左右，另一方面在球籠式等速萬向節(jié)在性能方面，相比于其他的等速萬向節(jié)，它的鋼珠傳動(dòng)能夠使得傳動(dòng)的輸出力矩更加大，就是能夠傳遞更大的速度，并且在輸出端鐘形殼采用的是軌道式16，這樣就可以充分地進(jìn)行傳遞，并實(shí)現(xiàn)力的穩(wěn)定功能，實(shí)現(xiàn)轎車的平穩(wěn)性，使得轎車在比較惡劣的環(huán)境之下還能夠正常的行駛。球籠式等速萬向節(jié)使用的是鋼珠和環(huán)形的外軌道進(jìn)行點(diǎn)接觸，使得摩擦更小，那么傳遞的功率將大大增大，從而實(shí)現(xiàn)球籠式等速萬向節(jié)能夠平穩(wěn)傳遞和旋轉(zhuǎn)。球籠式等速萬向節(jié)在力的傳輸過程中，需要的是通過鋼珠和星形套保持的接觸，并在球面副的表面和外軌道有一定的偏心角，在鋼珠滾動(dòng)的時(shí)候，保持相同的角速度，并能夠?qū)崿F(xiàn)力的不同方向的傳輸。在為了確保球籠式等速萬向節(jié)的新型套滾高中心的位置和滾珠的位置保持較高的契合度，就需要對(duì)星形套和外軌道設(shè)計(jì)具有較高的工藝精度，以及非常大的挑戰(zhàn)性，保持星形套和保持架能夠有較好的切合度。在位置的方面就是通過上面的方式，使得鋼珠的位置時(shí)刻與星形套和保持架在外軌道準(zhǔn)確的運(yùn)行。球籠式等速萬向節(jié)的加工比較復(fù)雜，而且成本也比其他的等速萬向節(jié)更加的高，但卻能夠?qū)崿F(xiàn)力矩和方向角的更加精確地傳動(dòng)17，就它的強(qiáng)大功能。1.4 國內(nèi)外等速萬向節(jié)的發(fā)展和研究概況球籠式等速萬向節(jié)在汽車方面運(yùn)用的非常廣泛，在日本和美國都有很高的使用率，就是因?yàn)樗膹?qiáng)大的性能，并且為汽車提供了更加好的穩(wěn)定性能，如在日本就有將近90%的使用率，在美國也有很高的使用率將近53%的轎車都是使用球籠式等速萬向節(jié)進(jìn)行力和方向的傳遞，在歐洲也有很多的運(yùn)用，球籠式等速萬向節(jié)在歐洲汽車的市場上接近71.2%的使用率。正是因?yàn)榍蚧\式等速萬向節(jié)的高性能，它的傳動(dòng)性能更加的優(yōu)越，而消耗的功率更少，穩(wěn)定性能更佳，所以在汽車的使用中有非常大的使用價(jià)值。無論是國內(nèi)還是國外大部分的汽車的萬向節(jié)都是選用的球籠式等速萬向節(jié)，即使球籠式等速萬向節(jié)的價(jià)格更加的高，而且制造的成本更加大，但是相對(duì)于汽車的總體性能卻能夠提升很多，能夠很大程度低提高汽車的穩(wěn)定性，同時(shí)使汽車的品均使用壽命也能夠增加。在目前GKN公司最近發(fā)明了比較高性能的球籠式等速萬向節(jié)，通過高精度的加工工藝實(shí)現(xiàn)球籠式等速萬向節(jié)的表面粗糙度大大減少，使得總的質(zhì)量有了質(zhì)的飛越。但是球籠式等速萬向節(jié)的研究一直是無止境的，只有不斷地開拓、不斷地研發(fā)、不斷地加強(qiáng)才能夠滿足人類越來越高的要求，在汽車的研究方面也能夠達(dá)到更加高的境界。在球籠式等速萬向節(jié)中的設(shè)計(jì)還包括了鋼珠的設(shè)計(jì)，有一些就采用的七個(gè)鋼珠進(jìn)行傳動(dòng)，而目前大部分的采用的是六鋼珠，在軌道中進(jìn)行力的傳輸，鋼珠在星形套和保持架中，通過外弧形軌道進(jìn)行先接觸，然后改變力的方向，而保持輸出的角速度與輸入的角速度相等19。七溝式傳動(dòng)的特點(diǎn)就是在六溝式的方面增加一個(gè)鋼珠，這樣使得剛度和強(qiáng)度都有一定的提升性能，使得七溝式等速萬向節(jié)在某段時(shí)間一直受到大部分科學(xué)家以及汽車行業(yè)的追捧。但是在實(shí)際生產(chǎn)制造過程中，七溝式球籠等速萬向節(jié)的制造成本更加的高，因?yàn)槠邆€(gè)滾珠的不對(duì)稱型，使得加工工藝更加的嚴(yán)格，而且對(duì)于整體球籠式等速萬向節(jié)的整體性能要求更加的高，才能夠使得七溝式球籠等速萬向節(jié)達(dá)到所預(yù)期的理論值。石寶樞通過對(duì)于六溝式球籠等速萬向節(jié)的研究，從而在在六溝式萬向節(jié)發(fā)展和研究七溝式球籠等速萬向節(jié)的研究，使其達(dá)到預(yù)期的傳動(dòng)性能的要求；他的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)增加六溝式等速萬向節(jié)的傳動(dòng)力的增加，并在實(shí)際運(yùn)用上體現(xiàn)了很高的價(jià)值，為我國的汽車發(fā)展工業(yè)提供了非常大的幫助，實(shí)現(xiàn)中國汽車球籠式等速萬向節(jié)的突破，使得中國擁有自己的研發(fā)的球籠式等速萬向節(jié)，而不再一直受制約其它的汽車工業(yè)國家的級(jí)數(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)過我汽車工業(yè)的快速發(fā)展；其實(shí)在排除了七溝道球籠式等速萬向節(jié)的加工方面的難度，它在性能方面相比于六溝道球籠式等速萬向節(jié)有很大的進(jìn)步，在性能方面有很大的優(yōu)勢，所以在汽車工業(yè)中會(huì)有越來越多的運(yùn)用，而且不僅僅只是國內(nèi)的運(yùn)用，在國外同樣受到非常大的追捧20。在創(chuàng)新性方面，我國的很多機(jī)械方面的科學(xué)家都做出了很大的貢獻(xiàn)，在球籠式等速萬向節(jié)的設(shè)計(jì)中，還研究了橢圓形和圓弧型的軌道設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)能夠使得星形套的曲率半徑發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)球籠式等速萬向節(jié)的使用壽命能夠有一個(gè)質(zhì)的提升，再就是隨著球籠式等速萬向節(jié)的質(zhì)量的提升相應(yīng)的，汽車的穩(wěn)定性能夠有一個(gè)較大的提升，同時(shí)在汽車的使用壽命方面也能有一定的提成。并在鋼珠設(shè)計(jì)方面，以Hertz的一些理論作為基礎(chǔ)，他在球籠式等速萬向節(jié)的研究中，提出了正交實(shí)驗(yàn)的一種模式，并在理論基礎(chǔ)上做出了相應(yīng)的創(chuàng)新，為七溝道球籠式等速萬向節(jié)的使用壽命做出了一種可靠的預(yù)測，從而能夠使得萬向節(jié)在設(shè)計(jì)的時(shí)候，能夠更加方面并有效，同時(shí)能夠在檢測其性能的方面，省下了很大的功夫，為球籠式等速萬向節(jié)提供了非常大的便利22。我國在八十年代之前，都沒有對(duì)汽車進(jìn)行過研究，所以當(dāng)然的在球籠式等速萬向節(jié)方面也沒有過設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，因?yàn)槲覈人偃f向節(jié)起步的時(shí)間比較晚，所以在設(shè)計(jì)方面我們都是先購買其他國家的球籠式等速萬向節(jié)，這樣對(duì)于我國的汽車行業(yè)就有一種非常大依賴性，長期的購買并不能解決根本性的問題，所以我國在八十年代之后，購買其他國家的一些比較有名的汽車，這些汽車所采用的均是球籠式等速萬向節(jié)，并在這樣的基礎(chǔ)上，開始我國對(duì)于球籠式等速萬向節(jié)的研究，并在之后取得了非?？煽康男阅?，對(duì)于我國的汽車工業(yè)的發(fā)展都是一道不可磨滅的歷史。隨著我國對(duì)國外汽車的引進(jìn)，在汽車的前置驅(qū)動(dòng)和四輪驅(qū)動(dòng)以及后輪驅(qū)動(dòng)的裝置，都有著不同的球籠式等速萬向節(jié)，這對(duì)于剛起步的國內(nèi)球籠萬向節(jié)的研究有著非常大的幫助。通過這些舉措，為國內(nèi)的汽車研發(fā)奠定了非常大的基礎(chǔ)，并相應(yīng)成立了目前比較出名的一些國內(nèi)研究所，比如天津汽車研究所，襄陽汽車研究所，以及上海的一些機(jī)械研究所。通過這些研究所的研究，才有了今天國內(nèi)汽車行業(yè)的發(fā)展，這些研究所也在汽車的研發(fā)方面取得了非常的研究成果，并在驅(qū)動(dòng)軸和萬向節(jié)方面更是有突破性的進(jìn)展，比如找出了萬向節(jié)在傳動(dòng)過程中有關(guān)于靈敏性的一些規(guī)律和相應(yīng)的結(jié)論 9。而其他的一些國內(nèi)學(xué)者則分析了等速萬向節(jié)變形的一些規(guī)律，比如王良就是關(guān)于計(jì)算了球籠式等速萬向節(jié)的理論計(jì)算，他對(duì)球籠式等速萬向節(jié)的之中模型作為計(jì)算例子，計(jì)算了BJ75模型的球籠式等速萬象的相應(yīng)的設(shè)計(jì) 10。最近的很多國內(nèi)的額學(xué)者通過模擬球籠式萬向節(jié)的動(dòng)力分析以及對(duì)于球籠式等速萬向節(jié)進(jìn)行強(qiáng)度剛度的檢測，做出三維模擬并進(jìn)行相應(yīng)的改變11。1.5 論文研究的主要內(nèi)容本文章主要是對(duì)某一類的汽車，通過該汽車所要達(dá)到的汽車性能，選著相應(yīng)的球籠式等速萬向節(jié)，并對(duì)改球籠式等速萬向節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。之后再建立相應(yīng)的二維和三維的模型，然后通過動(dòng)力學(xué)分析，再檢測所設(shè)計(jì)的球籠式等速萬向節(jié)的性能，比如在強(qiáng)度和剛度上是否達(dá)標(biāo)，之后再對(duì)球籠式等速萬向節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，具體的內(nèi)容如下：第1章，通過對(duì)于球籠式等速萬向節(jié)的一個(gè)國內(nèi)外的研究近況，以及研究的目的和研究的意義進(jìn)行說明。第2章，通過帕姆格倫的設(shè)計(jì)原理，對(duì)于選用的汽車進(jìn)行壽命估算，然后選擇比較合適的RF95球籠式等速萬向節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再在RF95萬向節(jié)的基本參數(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)相應(yīng)的星形套和結(jié)構(gòu)框架，以及一系列的參數(shù)進(jìn)行特定的設(shè)計(jì)。第3章，根據(jù)圓弧滾道的RF95萬向節(jié)所設(shè)計(jì)的參數(shù)，在設(shè)計(jì)完RF95球籠式等速萬向節(jié)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行相應(yīng)的三維建模，建立RF95球籠式等速萬向節(jié)模型，然后再進(jìn)行力學(xué)的模擬分析，檢測RF95球籠式等速萬向節(jié)的強(qiáng)度和剛度。第4章，運(yùn)用CATIA軟件與ADAMS軟件聯(lián)合仿真分析對(duì)本文所設(shè)計(jì)的RF95球籠式等速萬向節(jié)傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證了該球籠式等速萬向節(jié)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。第5章，對(duì)整個(gè)的文章進(jìn)行歸納總結(jié)，并分析內(nèi)容的不足以及之后的工作期望。第2章 球籠式等速萬向節(jié)的設(shè)計(jì)2.1 引言對(duì)于球籠式等速萬向節(jié)的分析中，因?yàn)槎挤矫娴脑蚝筒淮_定的因素，比如汽車遭遇不同的路況、或者比較惡劣的環(huán)境之下進(jìn)行行駛運(yùn)行，再或者有其他的非預(yù)測的因素導(dǎo)致球籠式萬向節(jié)的損壞等。這樣就會(huì)使得通過汽車檢測球籠式等速萬向節(jié)的相應(yīng)性能變得不是很可行，所以本文是使用帕姆格倫的原理對(duì)某廠FF型的汽車進(jìn)行壽命估算，之后選取比較合適的球籠式等速萬向節(jié)。比如本文比價(jià)合適的RF95球籠式等速萬向節(jié)就比較符合轎車的使用壽命的要求。2.2 汽車等速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定，2.2.1基于帕姆格倫-邁因納原理的萬向節(jié)使用壽命估算一般情況之下，汽車的使用壽命難以預(yù)測，因?yàn)楦鞣N不可預(yù)測的原因，可能是出廠加工的時(shí)候裝配的不符合要求，或者汽車內(nèi)部零部件本身達(dá)不到規(guī)定的要求，在強(qiáng)度剛度方面不滿足要求，再或者汽車的設(shè)計(jì)不合理，為了方便檢測汽車的使用壽命，本文使用的是帕姆格倫的原理，通過他的原理計(jì)算出FF型汽車的使用壽命，并選擇相應(yīng)的球籠式等速萬向節(jié)，再通過選擇的萬向節(jié)確定相應(yīng)的裝置的設(shè)計(jì)，是它滿足FF型汽車的基本設(shè)計(jì)要求。在上世紀(jì)就有了檢測汽車使用壽命的方法，那就是通過帕姆格倫的理論方法進(jìn)行汽車壽命的估算，雖然估算的要求是很都方面都是理論條件，但是能夠提供一種比較好的方法來比較汽車使用壽命的驗(yàn)算，方面人們更加有效地設(shè)計(jì)汽車的裝配設(shè)備，總的來說是一個(gè)比較實(shí)效且合理的方法3。表2-1 某汽車估算使用壽命計(jì)算公式表內(nèi)容單位計(jì)算公式起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Nm 附著轉(zhuǎn)矩Nm前輪驅(qū)動(dòng)轎車 后輪驅(qū)動(dòng) 軸轉(zhuǎn)速r/min 路面行駛速度km/h 轉(zhuǎn)矩Nm 使用壽命（球籠式）h 使用壽命（三樞軸式）H小時(shí)壽命h平均速度km/h 千米耐久度km 2.2.2 汽車等速萬向節(jié)使用壽命計(jì)算實(shí)例本論文以FF型汽車為原型，對(duì)相應(yīng)的汽車要求進(jìn)行計(jì)算，再運(yùn)用比較合適的球籠式等速萬向節(jié)，它的總體參數(shù)如下：表2-2 FF型汽車的總的基本參數(shù)表最大發(fā)動(dòng)機(jī)功率 最大轉(zhuǎn)矩汽車總質(zhì)量 前軸許用載荷驅(qū)動(dòng)轎傳動(dòng)比滿載重心高度 靜態(tài)滾動(dòng)半徑 動(dòng)態(tài)滾動(dòng)半徑前后軸距還有該汽車的一些必要的傳動(dòng)性能的相關(guān)參數(shù)如表2-3所示：表2-3 FF車型的傳動(dòng)性能的參數(shù)檔位12345變速箱is3.5452.1051.30.9430.789利用率ax1%6%18%30%45%平均軸間夾角半軸外側(cè)=7半軸外側(cè)=4Ax=0.865Ax=0.926摩擦系數(shù)=1振動(dòng)系數(shù)Ks=1.2承載系數(shù)Kt=1.33FF型汽車以其額定的2/3的速度進(jìn)行行駛計(jì)算，那么他行駛的距離將是10萬公里的壽命21。（1）該汽車輸出的力矩為MA： (2-1)（2）該汽車輸出的相應(yīng)附帶的力矩為MRF：(2-2)（3）型號(hào)的初步選定通過式(2-1)中可以得到該汽車的輸出的力矩為MA=1267.89Nm和該汽車的輸出附帶的力矩為MRF=897.88Nm，再通過查閱文獻(xiàn)3，選擇相應(yīng)型號(hào)的萬向節(jié)，通過比較選擇了半軸的外側(cè)使用RF72型號(hào)的球籠式等速萬向節(jié)，并范放在半軸的外側(cè)面，在靠近車輪的地方放置球籠式等速萬向節(jié)。（4）檢測半軸外側(cè)的RF72型球籠式等速萬向節(jié)，它安放在該汽車的使用壽命，具體的計(jì)算過程中所要運(yùn)用到的公式如2-4所示表2-4 檢測RF72型號(hào)的壽命檔位1234514.578.655.343.883.24r/min226.44381.34617.48851.251017.39km21.2635.8057.9679.9195.51Nm704.39418.26258.31187.37156.77h5.0517.8757.44125.05h191.22km/h75.63km79.746031<100000通過計(jì)算得出相應(yīng)的結(jié)論，那就是RF71的球籠式萬向節(jié)的使用，會(huì)使得汽車的使用壽命不達(dá)標(biāo)，具體的計(jì)算過程如下，因此要考慮更加好的更加耐磨更加耐久性的球籠式等速萬向節(jié)，以便達(dá)到該汽車的規(guī)定的使用壽命17： (2-3)RF85: RF91: RF91: 通過式(2-3)及相應(yīng)的推導(dǎo)，再查閱相關(guān)的球籠式等速萬向節(jié)的手冊，得到RF95型號(hào)的球籠式等速萬向節(jié)滿足該汽車的要求。2.2.3 RF95萬向節(jié)基本尺寸參數(shù)的確定RF95球籠式等速萬向節(jié)的主要的組成結(jié)構(gòu)，包含了星形套，鋼珠，和框架結(jié)構(gòu)再就是相連接的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，通過相應(yīng)的計(jì)算和查閱相關(guān)的資料文獻(xiàn)，最后推論以及計(jì)算的結(jié)論如下。（1）選用的RF95型號(hào)的球籠式等速萬向節(jié)的基本參數(shù)和基本尺寸如下圖2-3和下表2-6的RF95球籠式萬向節(jié)的基本參數(shù)728圖2-3 球籠式等速萬向節(jié)的基本尺寸表2-6 RF95球籠式等速萬向節(jié)基本尺寸表名稱代號(hào)計(jì)算參數(shù)(mm)球形殼外徑D90鋼球直徑d17.462鋼球中心分布圓半徑R30.25軸頸直徑d126星型套寬度BB=1.8d31.432球籠寬度B1B1=1.8d31.432星型套滾道底徑D1D1=2.5d43.655球籠厚度bb=0.185d3.23球籠槽寬度b1b1=d17.462球籠槽長度LL=(1.331.8)d27.939星型套花鍵外徑D2D21.55d27.066球形殼外滾道長度L1L1=2.4d41.909溝道偏心距hh=0.18d3.143（2）星形套和球形套之間的尺寸關(guān)系一般來說，球籠式等速萬向節(jié)的組成結(jié)構(gòu)有三種，就是星形套和球形罩之間的軌道可以有三種：包括了三點(diǎn)式接觸軌道，橢圓形軌道，還有一種就是圓弧型軌道；前面兩種的加工工藝都是比較復(fù)雜的，所以制造成本就會(huì)相應(yīng)的比較高，所需要的加工精度也相應(yīng)的要高很多，這樣來說相應(yīng)的汽車所學(xué)要發(fā)費(fèi)在球籠式等速萬向節(jié)的金額要高很多；相比于前兩種的滾道，圓弧型滾道就沒有那么的困難，所需要的加工工藝不會(huì)非常復(fù)雜，并且結(jié)構(gòu)也比較簡單，相對(duì)于汽車的穩(wěn)定性能也不差12。綜合上面的比較，本文選取的滾道就是圓弧型滾道，所設(shè)計(jì)的鋼珠滾道也就如下圖所示的模型，鋼珠和滾道相切的截面圖，如圖2-4所示，圖中是以滾珠的球心為原點(diǎn)，建立相應(yīng)的直角坐標(biāo)系。R1是圓弧滾道的圓心半徑，d是滾珠的直徑，是滾珠的圓心和滾道的圓心之間的距離。圖2-4 圓弧型滾道的幾何尺寸關(guān)系由上圖可以得到相應(yīng)的關(guān)系式，令，那么由直角三角形的勾股定理可以得到： (2-4)令為圓弧滾道的曲率系數(shù)，則可以得到，再進(jìn)行變形得到： (2-5)由式(2-4)和(2-5)可以得到： (2-6)通過上面的公式計(jì)算，可以得到圓弧滾道與滾珠兩圓心距，再由式(2-5)可以得知，R1僅與滾珠直徑d和滾道的曲率系數(shù)有關(guān)。這里講RF95的基本參數(shù)帶入到計(jì)算中，即滾珠的直徑d=17.462 mm和滾道的曲率系數(shù)=1.004代入，則由上面各式得到R1=8.766mm，OO1=0.035mm。（3）裝球球窩的設(shè)計(jì)計(jì)算如圖2-5所示，以球形殼的內(nèi)溝中心O為原點(diǎn)，建立xoy直角坐標(biāo)系。再通過相關(guān)文獻(xiàn)7的公式推導(dǎo)出相應(yīng)的關(guān)系式如下：球形內(nèi)殼圓心到滾珠圓心距： (2-7)球形內(nèi)殼的半徑： (2-8)裝球的球窩半徑： (2-9)圖2-5 球形內(nèi)殼的相關(guān)參數(shù)2.3 本章小結(jié)基于帕姆格倫-邁因納原理的萬向節(jié)使用壽命估算，對(duì)某廠FF型轎車總體參數(shù)進(jìn)行壽命估計(jì)，然后選擇滿足要求的RF95萬向節(jié)，并確定RF95萬向節(jié)的基本尺寸、星型套與球形殼滾道幾何尺寸、裝球球窩的尺寸。為下一章進(jìn)行RF95萬向節(jié)的二維CAD參數(shù)設(shè)計(jì)和三維圖形建模提供數(shù)據(jù)。第3章 RF95萬向節(jié)模型建立3.1 CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)CAD是目前國內(nèi)使用非常多的一個(gè)繪圖軟件，并且大部分的二維圖形的繪制都是使用CAD制作，CAD在二維圖形的繪制的時(shí)候，能夠簡單并實(shí)效地輸入?yún)?shù)，所以在國內(nèi)的二維圖形的繪制，是首選的二維繪圖軟件。本文的二維圖形的繪制也是通過CAD軟件進(jìn)行繪制，通過繪制RF95球籠式等速萬向節(jié)的二維圖形，并添加滾珠與星形套和星形架之間平面的截面圖，能夠很好地反映RF95球籠式萬向節(jié)的基本形狀尺寸，為加工工藝做出相應(yīng)的鋪墊，同時(shí)為之后的三維建模提供一定的圖形參考。對(duì)于不同的球籠式萬向節(jié)，基本的形狀是不變的，只是在一些比較微小的尺寸方面需要針對(duì)性地做出修改。這里的RF95球籠式等速萬向節(jié)也是通過最基本的球籠式等速萬向節(jié)的基本形狀，做出相應(yīng)尺寸的調(diào)整，這樣的好處就是能夠更加規(guī)范性地設(shè)計(jì)同一類產(chǎn)品，而且不容易出現(xiàn)比較大的偏差，同時(shí)在設(shè)計(jì)的時(shí)候也能更加具有規(guī)范性，而且在完成設(shè)計(jì)之后的檢測也能夠更加的方便，所以這樣的方法具有很大的實(shí)用性；在另一方面，通過基本的球籠式等速萬向節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的尺寸改變，能夠節(jié)省更多的時(shí)間，所以設(shè)計(jì)RF95球籠式等速萬向節(jié)CAD的流程圖如下，而RF95萬向節(jié)的CAD總成如圖3-1所示：動(dòng)力學(xué)分析二維工程圖分析比較三維設(shè)計(jì)模型參數(shù)設(shè)計(jì)圖3-1 RF95球籠式等速萬向節(jié)CAD總成圖3.2 參數(shù)化建模技術(shù)現(xiàn)在來說比較常見的參數(shù)建模的方法有三種:1. 通過某一個(gè)特定的尺寸進(jìn)行建模 這樣的方法主要是，先規(guī)定一個(gè)比較重要的尺寸，然后其它的尺寸根據(jù)這個(gè)基本尺寸進(jìn)行相應(yīng)的改變，或者做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)加工，或者是改變原有的一些尺寸來滿足整體的一個(gè)框架需要，達(dá)到比較完整的裝配需求，之后再是通過這一個(gè)尺寸的修改，為整個(gè)裝配的總成部件進(jìn)行修改，直到能夠達(dá)到相應(yīng)的規(guī)定要求為止23。2. 通過約束性來進(jìn)行建模就是通過規(guī)定某一些特定的相關(guān)約束，然后根據(jù)這些約束條件，對(duì)相應(yīng)的尺寸設(shè)計(jì)或者零件設(shè)計(jì)做出相應(yīng)的改變，在改變這些尺寸的時(shí)候必須要嚴(yán)格滿足相應(yīng)的約束條件，比如邊界條件的滿足，或者是改變相應(yīng)幾何體的位置，從而達(dá)到滿足裝配的要求，并且在最后的驅(qū)動(dòng)尺度要求中達(dá)到目標(biāo)要求的條件，再最后自動(dòng)生成比較合適的尺寸參數(shù)，并設(shè)計(jì)出最終的零件裝配總設(shè)計(jì)23。3. 通過特定的一些參數(shù)進(jìn)行建模在球籠式等速萬向節(jié)中就有比較總要的一些參數(shù)，這樣的參數(shù)會(huì)影響到很多其他的參數(shù)，比如比較總要的就是鋼珠的直徑，這個(gè)一個(gè)參數(shù)就是球籠式等速萬向節(jié)比較特定的參數(shù)，可以通過球籠式等速萬向節(jié)的滾珠進(jìn)行其他的設(shè)計(jì)，比如通過滾珠的直徑，再一步設(shè)計(jì)相應(yīng)的圓弧滾道的直徑，或者星形套的圓弧切削率，再就球籠式等速萬向節(jié)的保持架的中間矩形的長寬設(shè)計(jì)14。3.3 等速萬向節(jié)三維參數(shù)化模型的建立3.3.1 RF95萬向節(jié)各組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模前面通過了CAD對(duì)RF95球籠式等速萬向節(jié)的二維模型進(jìn)行了相應(yīng)的繪制，之后就是對(duì)它的三維設(shè)計(jì)做出相應(yīng)的圖形，根據(jù)前面章節(jié)的基本產(chǎn)生，使用CATIA軟件進(jìn)行三維參數(shù)化的建模，繪制出RF95球籠式等速萬向節(jié)的三維模型圖。在建模的過程中要使用到的Fomules功能，這個(gè)功能是對(duì)相應(yīng)特定的零件進(jìn)行約束，比如這里就是使用的是滾珠的約束，然后對(duì)其他的圖形再進(jìn)行隨著滾珠的尺寸進(jìn)行約束設(shè)計(jì)。在使用CATIA進(jìn)行RF95球籠式等速萬向節(jié)的三維模型進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要運(yùn)用到比較多的操作，比如布爾運(yùn)算，比如掃略，再比如自動(dòng)選裝生成三維模型，很多的簡單且實(shí)效的操作能夠讓三維設(shè)計(jì)變得更加的簡單。這里主要設(shè)計(jì)了鋼珠的圖形，這是最為基本的一個(gè)零件尺寸，之后是球形殼的實(shí)體和星形套的實(shí)體圖，再添加保持架的實(shí)體圖，這四個(gè)是最基本的球籠式等速萬向節(jié)的零件，具體的圖形繪制之后的形狀如下： 圖3-2 鋼球?qū)嶓w模型 圖3-3球形殼實(shí)體模型 圖3-4 星形套實(shí)體模型 圖3-5 保持架實(shí)體模型3.3.2 RF95萬向節(jié)各組件的裝配在完成對(duì)RF95球籠式等速萬向節(jié)的基本零件的設(shè)計(jì)之后，就是整體的裝配圖形，根據(jù)前面所設(shè)計(jì)的圖形進(jìn)行組裝就可以了，組裝之后的圖形如圖3-6所示，在這里還可以通過裝配的步驟來檢驗(yàn)零件尺寸設(shè)計(jì)的正確性，因?yàn)橹挥兴辛慵叽缯_的前提之下，才能夠生成三維的裝配，這也是一個(gè)驗(yàn)證零件尺寸的很好的方法。裝配之后進(jìn)行的就是角度的設(shè)計(jì)，這里的角度選著為0角的設(shè)計(jì)，就是裝配模型的軸和其他的中性線和中心面在同一直線之上:圖3-6 RF95 萬向節(jié)裝配體模型3.4 本章小結(jié)本章根據(jù)第2章的圓弧滾道的RF95萬向節(jié)參所設(shè)計(jì)的參數(shù)，對(duì)RF95球籠式等速萬向節(jié)的二維及三維模型的零件設(shè)計(jì)，以及完成RF95球籠式等速萬向節(jié)的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)和模型的裝配工作，建立起了模型數(shù)據(jù)庫，為第4章的RF95萬向節(jié)動(dòng)力學(xué)分析工作提供相應(yīng)的計(jì)算模型。第4章 球籠式等速萬向節(jié)動(dòng)力學(xué)分析4.1 引言在第三章中使用CATIA軟件完成了RF95球籠式等速萬向節(jié)的三維模型的建立，這一章節(jié)將進(jìn)行的是使用ADAMS軟件對(duì)RF95球籠式等速萬向節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析，主要分析的是是否滿足設(shè)計(jì)需要的強(qiáng)度和剛度，然后就是輸出的力矩是否能夠達(dá)到所預(yù)期的要求。對(duì)于RF95球籠式等速萬向節(jié)的力學(xué)分析，能夠讓本文設(shè)計(jì)的萬向節(jié)更加有理論性的證明，就是能夠很好的說明本文設(shè)計(jì)的RF95球籠式等速萬向節(jié)設(shè)計(jì)的合理性，以及尺寸設(shè)計(jì)的合理性，并且能夠滿足相應(yīng)的各項(xiàng)指標(biāo)。這些力學(xué)分析的數(shù)據(jù)還可以有助于對(duì)RF95球籠式等速萬向節(jié)進(jìn)一步改進(jìn)。4.2 建立模型 4.2.1 三維模型的建立RF95球籠式等速萬向節(jié)的三維模型在CATIA中進(jìn)行建模，這是第3章中的三維模型繪制完成的，這里只需要將第三章中CATIA中RF95球籠式等速萬向節(jié)的三維模型導(dǎo)入到力學(xué)分析軟件中就可以直接進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析和計(jì)算。目前所使用的力學(xué)分析軟件有很多，比價(jià)常用的是ANASYS分析軟件，ANASYS軟件對(duì)于力的分析使用的非常多，但是在機(jī)械設(shè)計(jì)方面以及動(dòng)力學(xué)和運(yùn)功學(xué)的仿真方面ADAMS在機(jī)械領(lǐng)域運(yùn)用的更加廣泛。所以本文使用的是ADAMA軟件對(duì)RF95球籠式等速萬向節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬分析，以及使用動(dòng)力學(xué)分析，對(duì)球籠式萬向節(jié)進(jìn)行力的分析，檢測設(shè)計(jì)的目標(biāo)RF95萬向節(jié)是否能夠滿足相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度的要求。4.2.2 力學(xué)模型的建立在機(jī)械的工程方面以及很多的機(jī)器設(shè)定方面，都需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的間隙，以保持收縮率，為各個(gè)零件留出一定的間隙，這樣就能夠避免整個(gè)機(jī)器當(dāng)中產(chǎn)生過多的應(yīng)力集中，否則產(chǎn)生的較大內(nèi)部應(yīng)力，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)器甚至在還沒有運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候就會(huì)因?yàn)閮?nèi)部應(yīng)力集中的特性，導(dǎo)致機(jī)器內(nèi)部某些零件直接變形，嚴(yán)重影響機(jī)器的性能，所以零部件之間必須要留有一定的間隙。在留出間隙之后，還學(xué)要保證間隙的合理性，因?yàn)殚g隙的存在，機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，可能由于震動(dòng)的原因，各個(gè)零部件之間會(huì)產(chǎn)生一些碰撞，或者是某些板塊裝置的平移產(chǎn)生，這里就需要對(duì)間隙的設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。對(duì)于RF95球籠式等速萬向節(jié)的摩擦力的計(jì)算，治理采用二維的平面模型進(jìn)行求解，求解的過程具體步驟如下面，這里要考慮運(yùn)動(dòng)模塊的運(yùn)動(dòng)副和摩擦系數(shù)，考慮到摩擦力的影響，對(duì)于碰撞模塊就有一定的影響，這里的間隙和緩沖的潤滑使用彈簧模擬，進(jìn)而對(duì)碰撞模塊的摩擦力的求解，使用彈簧的虎克定律進(jìn)行公式的運(yùn)算，如圖4-2所示，M1、M2分別是兩個(gè)模塊的質(zhì)量，x1、x2是兩個(gè)模塊的相對(duì)位移，g是兩個(gè)碰撞模塊的相對(duì)距離。圖3-2 碰撞模塊則通過上圖的碰撞模塊的簡圖，可以得知法向作用力可以表示為： (4-1)式(4-1)中的Fe是彈簧的等效彈力；Fd則是另一個(gè)滑塊相對(duì)的阻力；x，是兩個(gè)碰撞模塊的相對(duì)位移和相對(duì)速度。使用Hertz作為理論基礎(chǔ)，使用非線性理論進(jìn)行計(jì)算，得到彈力、阻力和法向力之間的關(guān)系式如下： (4-2)上式(4-2)中的k、n、c分別表示彈簧剛度、變形指數(shù)、阻尼系數(shù)，由試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算確定。使用Coulomb的摩擦理論進(jìn)行切向的應(yīng)力計(jì)算： (4-3)在上式中，v時(shí)接觸點(diǎn)的相對(duì)速度；是摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)是一個(gè)材料參數(shù)，它的數(shù)值大小通過上式可以看出，它只于法向切力有關(guān)。當(dāng)切力為零的時(shí)候，摩擦系數(shù)會(huì)發(fā)生改變，因?yàn)榍邢蛄榱?，表示沒有摩擦，只有法向力的存在，這個(gè)時(shí)候的傳統(tǒng)的Coulomb 模型就不再能夠解釋這種特例，如圖4-3所示。由圖可以得知當(dāng)切向的相對(duì)速度為零的時(shí)候，那么切向力就是光滑的連續(xù)函數(shù)，具有一定的收斂性質(zhì)。這時(shí)候，s、d、vs分別表示兩個(gè)碰撞模塊的靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦轉(zhuǎn)換系數(shù)，當(dāng)切向力逐漸增大的時(shí)候，就表示法向力逐漸減小，那么靜摩擦?xí)蛑瑒?dòng)摩擦轉(zhuǎn)變，所以s和d都會(huì)相應(yīng)地逐漸發(fā)生改變； 本文通過Coulomb的摩擦力的模型進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，并的到了靜摩擦、動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦之間的關(guān)系，他們之間的關(guān)系如式(4-4)所示： (4-4)圖4-3 修正的摩擦力模型4.3 仿真技術(shù)與分析本文使用的ADAMS軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證RF95球籠式等速萬向節(jié)的強(qiáng)度剛度的達(dá)標(biāo)性，以及設(shè)計(jì)的合理性。這里輸入的扭矩是為200Nm，汽車減速軸的轉(zhuǎn)速設(shè)置為1800()/s，并且所受到的力均勻地分布在主軸之上。 4.3.1 等速性分析圖4-4是RF95等速萬向節(jié)的傳動(dòng)力矩的數(shù)值，就是鐘形殼的速度差，它是傳動(dòng)軸的時(shí)間和角速度之間的關(guān)系反映，反映了傳動(dòng)軸和鐘形殼的契合度。再一次驗(yàn)證了RF95球籠式等速萬向節(jié)的設(shè)計(jì)比較合理，通過圖形可以看出在很短的時(shí)間之內(nèi)，鐘形殼的旋轉(zhuǎn)速度就到達(dá)了額定的旋轉(zhuǎn)速度，這說明傳動(dòng)軸和鐘形殼的轉(zhuǎn)動(dòng)契合度非常高，設(shè)計(jì)的也很合理。圖4-4 鐘形殼轉(zhuǎn)速差圖4-5是鐘形殼的轉(zhuǎn)動(dòng)角的反映，就是時(shí)間和轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系圖，通過圖形可以看到，鐘形殼轉(zhuǎn)角差在時(shí)間大概0.3秒之前有一個(gè)比較大的波動(dòng)性，這是因?yàn)樵趧倖?dòng)的時(shí)候，球籠式等速萬向節(jié)要將主減速器的力矩轉(zhuǎn)換角度輸出到車輪端的力矩，在這個(gè)過程中所發(fā)費(fèi)的時(shí)間，由圖4-5可以看出時(shí)間非常短，完全滿足轉(zhuǎn)向的要求。并且在剛啟動(dòng)的時(shí)候還伴隨著機(jī)械的震動(dòng)，所以在1秒之后是比較平穩(wěn)的波浪線，但是起伏不大，這說明了本文設(shè)計(jì)的RF95球籠式萬向節(jié)的穩(wěn)定性能比較好。圖4-5 鐘形殼轉(zhuǎn)角差4.3.2溝道壓力分析圖4-6是整個(gè)RF95球籠式等速萬向節(jié)主要零部件之間的壓力值，具體有鐘形殼與星形輪之間的相互壓力，通過圖形可以看出鐘形殼和星形輪之間的壓力值一直保持在6000N左右的數(shù)值，而這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)小于額定的壓力值，這說明RF95的強(qiáng)度剛度要求完全能夠滿足，并且在隨著時(shí)間的變化，壓力值一直保持著很好的平穩(wěn)性。圖4-6 鐘形殼內(nèi)溝道、星形輪外溝道壓力曲線4.4 本章小結(jié)基于CATIA和ADAMS 軟件平臺(tái)，對(duì)本文設(shè)計(jì)的轎車球籠式等速萬向節(jié)實(shí)例進(jìn)行多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析：（1）運(yùn)用CATIA軟件與ADAMS軟件聯(lián)合仿真分析對(duì)本文所設(shè)計(jì)的RF95球籠式等速萬向節(jié)傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證了該球籠式等速萬向節(jié)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。（2）采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)等速萬向節(jié)傳動(dòng)軸進(jìn)行性能分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性與合理性，并有助于改進(jìn)產(chǎn)品。（3）非線性彈簧阻尼模型與修正的Coulomb摩擦力模型描述接觸碰撞力能夠取得滿意的結(jié)果。第5章 研究總結(jié)與展望5.1 研究總結(jié)針對(duì)某廠FF型轎車總體參數(shù)進(jìn)行壽命估計(jì)，然后選擇滿足要求的RF95萬向節(jié)，并確定RF95萬向節(jié)的基本尺寸、星型套與球形殼滾道幾何尺寸、裝球球窩的尺寸。建立三維模型并最后通過運(yùn)用CATIA軟件與ADAMS軟件聯(lián)合仿真分析對(duì)本文所設(shè)計(jì)的RF95球籠式等速萬向節(jié)傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性與合理性，最終的結(jié)果如下：（1）根據(jù)給定車型的主要參數(shù)，運(yùn)用帕姆格倫-邁因納原理計(jì)算校核半軸兩側(cè)萬向節(jié)的使用壽命，選用RF95球籠式等速萬向節(jié)。并設(shè)計(jì)RF95萬向節(jié)的基本尺寸、星型套與球形殼滾道幾何尺寸、裝球球窩的尺寸。（2）根據(jù)圓弧滾道的RF95萬向節(jié)所設(shè)計(jì)的參數(shù)，對(duì)RF95球籠式等速萬向節(jié)的二維及三維模型的零件設(shè)計(jì)，以及完成RF95球籠式等速萬向節(jié)的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)和模型的裝配工作，建立起了模型數(shù)據(jù)庫。（3）運(yùn)用CATIA軟件與ADAMS軟件聯(lián)合仿真分析對(duì)本文所設(shè)計(jì)的RF95球籠式等速萬向節(jié)傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證了該球籠式等速萬向節(jié)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。5.2 展望本文針對(duì)FF型轎車選擇并設(shè)計(jì)符合條件的球籠式等速萬向節(jié)