(毕业论文)伸缩型球笼式等速万向节设计

毕业设计说明书 伸缩型球笼式等速万向节设计 系 (院): 机械工程系 专 业：机械制造与自动化 班 级: 学 号：姓 名:指导教师： 成都工业学院 2010年5月25日摘 要 伸缩型球笼式等速万向节是汽车的关键部件之一，它直接影响车辆的转向驱动性能。本设计根据在汽车传动系统的结构的布置，确定球笼式等速万向节的结构特点与参数等。对球笼式等速万向节的等速性、运动规律、受力情况、效率和寿命进行了深入分析。 对重要零件进行了材料的选择和工艺性分析。并且运用三维制图软件Pro-e和二维制图软件caxa，进行了辅助分析。关键词 等速万向节 汽车 设计 分析 效率 使用寿命 软件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 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 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 录摘 要10 引言40.1 汽车万向节与传动轴技术发展综述40.2 球笼式等速万向节的发展状况50.3 球笼式等速万向节的润滑及密封技术现状61 万向节结构与设计参数确定71.1 结构选择71.2 等速证明91.3 等速万向节等速的保证101.4参数确定131.4.1 万向节轴径和钢球直径131.4.2 钢球回转中心径151.4.3 筒形外壳沟道沟槽形状及设计参数161.4.4 沟道偏心距171.4.5 万向节基本尺寸的确定182 万向节运动分析与力学分析222.1 钢球的运动分析222.1.1 钢球的运动轨迹222.1.2 钢球沿y轴方向运动242.1.3 钢球沿径向运动252.1.4 钢球的切向速度与切向加速度262.2 万向节受力分析282.2.1 钢球位置计算282.2.2 钢球运动平面与原始平面对应半径的夹角302.2.4 椭圆上各钢球的圆周力312.3 保持架运动和受力分析323 万向节主要零件的材料选择及工艺流程343.1 筒形外壳343.1.1 筒形外壳材料的选择343.1.2 筒形外壳工艺流程343.2 球笼363.2.1 球笼材料的选择363.3 星形套383.3.1 星形套材料选择383.3.2 星形套工艺流程393.4 半轴403.4.1 半轴材料的选择403.5 钢球413.5.1 钢球材料选择413.6 星形套与半轴的固定414 制造技术415 球笼式万向节的润滑426 等速万向节的效率436.1效率公式的推导;446.2 扭矩损失公式的推导:446.3 钢球与内外滚道之间的摩擦损失：456.4 钢球与保持架之间的摩擦损失：466.5 外滚道与保持架之间的摩擦损失：466.6 内滚道与保持架之间的摩擦损失：477 万向节寿命分析488 设计总结5410 谢词5511 参考文献570 引言0.1 汽车万向节与传动轴技术发展综述 在汽车传动系和驱动系中，万向节和传动轴作为一种重要的工程部件获得了广泛的应用。根据运动学原理，万向节可划分为非等速、等速和准等速万向节三种，单个虎克万向节的非等速性最早是由Ponceler借助球面三角所证明。面球笼式（Rzeppa）万向节和三枢轴（Tripode）万向节的等特征则分别由后来的Metzner和MicheOrain获得证明。 根据万向节类型，传动轴可分为：虎克万向节传动轴；球笼式万向节传动轴；三枢轴式万向节传动轴。大家知道，传动轴的主要功能是在输入轴和输出轴之间距离与夹角改变时能尽可能均匀滴传递扭矩和旋转运动。 随着汽车工业的发展，特别是前轮驱动桥车大量生产一来，万向节和传动轴，尤其是等速万向节传动轴的设计理论和制造技术获得了飞速的发展。当今国际上，万向节和传动轴生产厂加之间的竞争日趋势激烈：把一种新产品投放市场，不仅要求骑强度和寿命应满足各种使用要求的规定，而且还要求产品的价格更具有竞争性和轻量化。 我国“八五”开始重视轿车的发展，作为关键零部件之一的等速万向节被国家列为重点扶持的关键零部件项目之一。但由于起步较晚，与国外相比，无论是从产品的设计、还是制造技术都存在一定的差距。0.2 球笼式等速万向节的发展状况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。0.3 球笼式等速万向节的润滑及密封技术现状卫视球笼式等速万向节都能可靠的正常工作，必须使其保持良好的润滑状态，否则就会造成金属元件的直接接触，加剧万向节原件的磨损或擦伤，降低其工作寿命。因此对此种万向节的润滑、密封应给与足够的重视。球笼式等速万向节所才用的润滑剂主要取决于转速和角度。在转速高达1500r/min时，使用一种优良的油脂，这种油脂能防锈。若转速和角度都较大时，则使用润滑油。同时，万向节的密封装置应包成润滑剂步泄漏。常用筒式波纹型橡胶密封罩。1 万向节结构与设计参数确定1.1 结构选择伸缩型球笼式万向节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的滑动花键。这不仅结构简单，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。伸缩型万向节还被广泛地应用到断开式驱动桥中。伸缩型球笼式等速万向节属于等速万向节，其工作特点是所有传力点总是位于两轴夹角的等分平面上，这样被万向节所联接的两轴的角速度就永远相等。在转向驱动桥、断开式驱动桥等的车轮传动装置中，广泛地才用等速万向节。某轻型汽车采用的伸缩型球笼式等速万向节，其结构件图见图1。球笼式万向节由于汽油六个钢球同时承载，承载能力及耐冲击能力强、传动效率高、结构紧凑、安装方便，工作角很大。适合轻型汽车上应用。 1、 从动轴 2、筒形外壳 3、密封圈 4、球笼 5、星型套 6、传力钢球 7、主动轴 图1 伸缩型球笼式等角速万向节结构示意图 1.2 等速证明 伸缩型球笼式等角速万向节的等速传动原理如图1所示。外滚到中心A与内滚到的中心B分别位于万向节中心O的两边，且与O等距离。传力钢球的中心C位于A、B两点的距离也相等。保持架的内外球面、星型套的外球面和筒形外壳的内球面均以万向节O为球心。因此，当两轴夹角变化时，保持架科研内、外球面滑动，以保持传力钢球在一定位置。 由图1可见，由于OA=OB,CA=CB,则三角形，因此，,即两轴相交任意角时，其传力钢球的中心C都位于夹角的平分面上。此时，传力钢球到主动轴和从动轴的距离a和b相等，根据公式：，.由于传力钢球的速度（）相同，半径，从而保证了主、从动轴以相等的角速度转动。1.3 等速万向节等速的保证图2 内外环与钢球的工作原理图 已知偏移角和中心偏置距是保证等速性的关键尺寸。 可根据钢球在内外环钢球滚道中的工作状况，先求出钢球在楔紧状态下的楔角的极限值，再选择一个大于/2楔角的角度作为偏移角，并求其相对应的中心偏置距。 最大楔角的确定方法如下： 由图2可见，钢球在楔角时刚好楔紧。由于在楔紧状态下内外环作用在钢球上的法相压力有将钢球推向分离的趋势，因此在接触点E和F处的摩擦力则倾向于阻止钢球分离，两种里综合作用的结果，是钢球保持平衡状态。在图中建立坐标系XOY，则当钢球处于楔紧状态时，应满足下式： （1-1） （1-2） （1-3）式中：、内环、外环与钢球接触点上的压力；内环与钢球接触点处的摩擦系数；外环与钢球接触点处的摩擦系数；楔角；半径。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）在楔紧状态下，钢球与内外环之间均为静止滑动摩擦，故有： （1-7）即（1-4）、（1-7）可得楔进条件为： 即 （1-8）由式（1-3）、（1-7）可得：由式（1-8）可知，当时，钢球处于锁止状态。故保证了等速万向节的等速性。1.4参数确定1.4.1 万向节轴径和钢球直径对于球笼式万向节，其轴径尺寸S(万向节的名义尺寸)可按下面经验公式计算：式中，为使用因素影响系数，对传动轴而言，的值越大，允许负荷就越小。考虑轻型汽车使用条件主要为城区道路，故取=1.2； 为传动轴传递的最大扭矩。取动力输出最大转矩158Nm，额定转速r/min，主减速器传动比，变速器一档传动比。所以传动轴最大扭矩为 （Nm）经计算，由于球笼式万向节结构设计系列标准，见表1。取，钢球直径为。表1 球笼万向节系列数据（部分）名义尺寸单位758795100113125150与星型套联接的轴径直接mm19.122.223.825.428.631.838.1钢球直径mm14.28816.66918.00019.05021.43123.81228.575星型套最大直径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花键齿数192323232518球壳外径mm708188921031151371.4.2 钢球回转中心径筒形外壳与星型套通过各自沟道曲率中心的钢球回转中心径可按下式计算其中：钢球回转中心径系数，一般取； 星型套内花键大经，为26.60mm； 筒形外壳最大外径，为88mm。 计算得，mm 取：。1.4.3 筒形外壳沟道沟槽形状及设计参数 由于星型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的要小，即前者的接触应力大于后者。因而与外滚道相比，内滚道磨损较大，疲劳寿命较短，设计时应着重控制钢球与星型套滚道表面的接触应力，并以此确定万向节的承载能力。 本设计采用双偏心弧形的滚道形式，其主参数设计计算如下。1） 沟道截面圆弧半径筒形外壳沟道圆弧半径可按下式计算取，得。2）沟道接触角钢球与筒形外壳沟道截面圆弧的切点和钢球中心线与钢球纵向中心线的夹角为接触角，一般。3） 沟道圆弧与钢球两中心距的水平距离筒形外壳沟道截面圆弧中心与钢球中心距的水平距离为代入数据得：。4）沟底间隙 筒形外壳底部与钢球的间隙可通过结构分析由下式计算：代入数据得：1.4.4 沟道偏心距由于球笼式万向节等速性的基本原理得，筒形外壳和星型套的沟道中心与各自球面中心的距离（偏心距）相等。由图1的几何关系可得偏心距为取，计算得。星型套通过其沟道曲率中心的沟道截面形状是同筒形外壳一样的，也是关于钢球中心对称的双偏心圆弧型，其主要参数的设计计算与筒形外壳相同。1.4.5 万向节基本尺寸的确定1）传力钢球分布半径由经验公式： 又知： 得： 取：2） 球笼厚度图3 球笼基本尺寸由公式： 又得： 取：3） 星型套基本尺寸图4 星型套基本尺寸 星型套宽度由公式： 推出：又知球笼厚度为3，钢球分布半径30，可推出星型套外径 4）球笼宽度 由公式： 推出： 5）球笼槽的宽度 由公式： 推出： 6）球笼槽长度 由公式： 推出： 取： 7）中心偏移距 由公式： 推出：取：8） 轴颈由公式： 推出： 9) 星型套花键外径由公式： 推出： 取： 10）筒形外壳滚道长度图5 筒形外壳基本尺寸 由公式： 推出： 取： 11) 中心偏移角 由公式：2 万向节运动分析与力学分析2.1 钢球的运动分析2.1.1 钢球的运动轨迹在球笼式等速万向节中，钢球是主要的传力部件，钢球的运动对万向节的工作能力和性能骑着举足轻重的作用。在工作时，钢球的每个方向都有机会传递扭矩。因此对钢球的运动规律和手里情况必须进行细致的分析。图6 钢球的运动如图6（a）所示，当主动轴与从动轴之间没有夹角时，钢球的运动平面传动轴垂直，此时，钢球的运动轨迹为圆。（2-1）当主动轴与从动轴之间存在夹角之后，钢球的运动平面不再与轴垂直（对于球笼式等速万向节，存在偏差），因此，当猪都周旋转时，钢球有三种运动分量：（1） 收转轴的牵连，绕轴线作周而复始的圆周运动，钢球的运动轨迹为椭圆，如图6（a）。（2） 沿轴向（平行于轴线）作往复的曲线运动，钢球处于椭圆的短轴位置时，产生轴向位移，椭圆长轴的两端点，对应轴向运动的边界转动一周，每个钢球在此区间内，往返一次，如图6（c）。（3） 沿径向（垂直与轴线）作往复的直线运动，钢球处于椭圆的短轴位置时，为运动的最低点；处于椭圆的长轴位置时，为运动的最高点；转动一周，每个钢球在最高和最低点的区间里，往返两次，如图6（d）。 对应于上述三种运动变量，分别计算钢球的线速度和线加速度，由于为考虑两轴间夹角变化，此处不计哥氏加速度。假设钢球的轨迹方程式为：（2-2）（2-3）式中：a椭圆短轴； b椭圆长轴； 传动轴角速度。又 （r为钢球分布圆半径）推出 （2-4）式中： 为椭圆上任意点到万向节中心的距离。2.1.2 钢球沿y轴方向运动当万向节辆传动轴之间没有夹角时，万向节的传力平面与传动轴垂直，钢球没有轴向运动。当传动之间夹角为时，钢球产生轴向运动。在y轴方向，钢球主要受内滚道轨道的限制。此时，钢球沿内滚道作曲线运动，如图6（c）所示。由钢球的运动轨迹和图6（c）可知， （2-5） （2-6）对y求导，解得钢球的y向速度和y向加速度为：（2-7）（2-8）2.1.3 钢球沿径向运动如前所述，钢球在径向，即在z方向上，做往复的直线运动。此时，有力学分析可得：径向速度：（2-9）径向加速度：（2-10）2.1.4 钢球的切向速度与切向加速度由于钢球在任意瞬时，即有沿轴向的运动，又有沿径向的运动，还有与传动轴在一起的牵连运动。将其简化，可以认为在传力平面上，钢球的速度为切向速度，加速度为切向加速度，如图7所示。图7 钢球的瞬时速度与加速度 由理论力学可得：切向速度： （2-11） 切向加速度： （2-12）2.2 万向节受力分析2.2.1 钢球位置计算由上述可知，在两轴之间存在夹角时，钢球运动轨迹为椭圆，且钢球还有轴向和径向运动，所以骑运动非常复杂。在对万向节进行受力分析时，必须首相确定某一瞬时钢球的位置。如前所述，钢球的椭圆轨迹为： 椭圆方程： （2-13） 式中： 图8 钢球位置计算 如图8所示，过每一钢球和万向节中心连线，得： 式中： 式中：假设中的第一个钢球在某一时刻的角度。将 代入 （2-13）式中得： 将 和 代入上式，得： （2-14）上式中，令 由此，可得钢球位置为： （2-15） （2-16） 由式（2-9），可得 （2-17）2.2.2 钢球运动平面与原始平面对应半径的夹角当主、从传动轴之间存在夹角时，每个钢球的运动半径与对应的原始半径之间存在夹角，由万向节中钢球的空间位置可知， （2-18）2.2.3 椭圆上诸点到转轴的距离 由万向节钢球的空间位置和图9可知， （2-19）式中： 图9 钢球的受力2.2.4 椭圆上各钢球的圆周力由力和力矩的关机可以得到： （2-20）将式（2-19）代入上式，并结合图9，可以得到： （2-21）即：式中：；解得： （2-22）所得即为六个钢球的受力情况。2.3 保持架运动和受力分析在球笼式等速万向节中，6个钢球受保持架6个窗口的限制，并使6个球心连接起来组成的“连心面”始终垂直于保持架的中心线。当传递扭矩时，由于保持架本身受到外环内球面、内环外球面的支承，因此可阻止钢球从滚道中跳出。保持架的主要功能是在任何负载和角度下使球保持在一个平面上。虽然咋一看上去增加了零件的数目，然而没有球笼导致了许多不理的情况： 1、没有球笼，只有半球在一个旋转方向上传递力矩。 2、轨道在一个限定的公差范围内制造。 3、由于每对轨道在任意负载和角度下要保证正确的定位而使得轨道倾斜角度很大。在有球笼式的传动系中，轨道将通过球笼和其他轨道共同作用。当主、从动轴之间存在某个角度时，钢球在滚道上滚道，保持架的内外球面一万向节中心为求新在对应的球面的旋转。当万向节在某一角度下告诉转动时，钢球将产生很大的轴向力，是钢球脱离滚道。保持架吃屎收到内、外滚道一级钢球的作用力，并且保持架的受力与万向节的压力角、偏置距有关。由于保持架的受力较复杂，由国外资料可知骑经验公式为：式中：扭矩； 偏置距； 式中：钢球分布圆半径； 式中：压力角； 两轴夹角3 万向节主要零件的材料选择及工艺流程3.1 筒形外壳3.1.1 筒形外壳材料的选择材料通常选择的是CF53，毛坯通常为留有加工余量的锻件，或者是大规模生产的精密成形件。对毛坯在低硬度条件下加工后，对内球面轨道滚道进行热处理，热处理至表面硬度62HRC，淬硬深度Rht550=1.1+1.0。接着对内球面、轨道和支承部位进行磨削。3.1.2 筒形外壳工艺流程图10 筒形外壳序号工序主要内容01铸造02热处理时效03铣铣前后端面04车外圆及倒角先进行大端车削再小端05车内圆半精车至5406镗孔小端孔半精镗精镗至36H707拉花键立式拉床08清洗清洗机上清洗09轨道和花键表面进行高频淬火筒形外壳淬火机床10回火低温回火11磨端面和外圆数控磨端面外圆磨床12磨内球面及内球道筒形外壳式立式磨加工专机13清洗清洗机14钳工去毛刺15磁力探伤磁力探伤机16检验17流入装配区3.2 球笼3.2.1 球笼材料的选择材料选择为20CrMnTi。窗孔冲压达到RF125的尺寸。在硬度低的条件下加工后，对球笼进行渗碳处理。然后对内、外球面和窗孔进行磨削。磨削表面的渗碳深度为Eht=0.6+0.4，表面硬度为62HRC。3.2.2 球笼工艺流程图11 球笼序号工序主要内容01铸造02热处理时效03车车端面以及内球面04车车另一端面及外球面05冲窗孔窗口冲床06拉窗孔窗孔专用拉床07去窗孔处毛刺去毛刺机08渗碳箱式多用炉热处理线09磨外球面保持架外球面专用磨床10磨内球面保持架内球面专用磨床11磨削窗孔平面窗孔磨床12清洗清洗机13磁力探伤磁力探伤机14检验15流入装配区3.3 星形套 3.3.1 星形套材料选择棒料或精密锻件用于小尺寸的万向节：大尺寸的万向节，使用传统的锻造方法。Cf53钢主要用于大型系列产品万向节的生产上。渗碳钢SAE8620H或DIN21NiCrMo6一般用于中、小系列产品。热处理和硬度参数与筒形外壳相同。达到RF-125级别时，内花键按SAEDp24/48标准，通常采用拉削方法制成。3.3.2 星形套工艺流程图12 星型套序号工序主要内容01铸造02热处理时效03车车端面以及内圆04车车另一端面以及外球面05拉花键立式拉床06渗碳箱式多用炉热处理07磨外球面星型套外球面专用磨床08莫外滚到星型套外球道专用磨床09清洗清洗机10磁力探伤磁力探伤机11检验12流入装配区3.4 半轴3.4.1 半轴材料的选择 短刚性传动轴主要用45钢制成，其表面淬硬深度Rhtr450=2.5+2.0，表面硬度值为58HRC。长传动轴使用焊接花键轴的薄壁钢管。外花键按SAEDp24/48标准，用冷成行（搓齿）方法是将转矩传给传动轴的推荐方法。3.5 钢球3.5.1 钢球材料选择 用滚动轴承制品，品质/，采用DIN5401标准。万向节安装要求几乎没有游隙。可以来回慢慢的变换万向节夹角来检测游隙。在这种情况下，游隙约达3%轴间夹角。3.6 星形套与半轴的固定 为了便于拆卸，在这里选择圆形弹性挡圈联接的。但和方形卡环相比较在承轴向载荷方面不如方形卡环。4 制造技术 以德国大众公司等速万向节制造技术为实例。该公司所属一子公司共有员工550人，生产等速万向节170种，其中固定式万向节12种，轴向伸缩型万向节8种，半轴65种（可组成170种等速万向节）。每天生产2.1万根。毛坯外协。筒形外壳、星形套的内外道铣、磨及花键滚扎、螺纹加工均采用德国Excello磨床公司的数控机床。筒形外壳滚到铣削、磨削工艺先进，机床自动化程度高。球槽铣削分组、精铣，采用三工位四轴数控球槽铣床加工，生产效率每小时达200件以上。滚到磨削采用数控球槽磨床，使用高效CBN砂轮，一台机床同时加工两个工件，每小时加工70-100件，滚到和花键柄部高频感应热处理在生产线上进行。星形套锻后直接进行磨削内滚道，采用普通砂轮，一台机床同时加工两个工件，集中热处理。球笼窗口磨削采用数控六轴窗口磨床，每小时加工230-300件，集中热处理。半轴分实心和空心两种，空心轴为三段电弧焊而成。花键加工则采用先进、高效的搓齿机。使用西门子数控系统加工，实现多轴联动，多轴加工。5 球笼式万向节的润滑因为球笼式有滑动的摆动，在外部工作和密封，一般才用脂润滑。 采用优质的汽车锂基润滑脂润滑，并用2.5%的MoS2作为锂基润滑脂的添加剂。注意加脂量不能过多，以防止产生过热事故，影响润滑效果。MoS2 是一种固体润滑剂，过去在推广使用中，主要是把它加入润滑油或润滑脂中作为提高润滑油或润滑脂性能的添加剂。现在又广泛作为摩擦表面薄膜润滑剂在复合自润滑材料等方面使用，并已成功地用于轴承润滑。该种润滑的大致作法是：在摩擦面上先涂上微量的MoS2 运转过程中仍采用规定的润滑剂。实践证明：轴承不仅得到两号的润滑效果，而且降低了轴承噪音，延长了轴承使用寿命。6 等速万向节的效率 Birfield加接触等速万向节的效率很高。据国外台架实验测得，在其工作角度为5-10度时，其效率可达到98%；而在其工作家督为0度的理想状态下运行时，其效率近似达到100%。效率的高低主要取决于结构形式和结构本身的内摩擦，而内摩擦受到求得负载、速度和角度的影响，还受润滑剂粘性阻力的影响。由万向节的内部结构可知，钢球在内外滚道内往复运动。在运动中，既有滑动又有滚动。由于压力角的正确选择，万向节能控制滚动与滑动之比，大约为4：1。由于外滚到长度大于内滚道的长度，可以认为钢球与内滚到之间只有滚动，而球与外滚道之间的的滑动距离等于内外滚道弧长之差。钢球与内外滚道之间既有滚动摩擦又有滑动摩擦。滑动摩擦主要与润滑介质有关，在润滑良好的状况下，滚道摩擦和滑动摩擦相比要小的多，可以忽略不计。由实验可得，万向节受润滑剂粘性阻力的影响很小，也可以忽略不计。由此壳认为在万向节中滑动摩擦是效率损失中关键的部分。滑动摩擦主要产生于钢球与滚道之间、保持架与内外滚道之间以及钢球与保持架之间。6.1效率公式的推导;在万向节中，导致其效率降低的原因是扭矩的损失。效率与扭矩损失的关系是： （6-1） 式中： 效率 扭矩损失 输入扭矩6.2 扭矩损失公式的推导: 由上所述，扭矩损失主要由钢球与滚道之间、保持架与内外滚道之间以及钢球与保持架之间的滑动摩擦所产生。故必须首先明确机构中的受力情况。 在万向节中，万向节内部摩擦受力情况如图13的四种情况：图13 万向节内部的摩擦受力情况6.3 钢球与内外滚道之间的摩擦损失： 在上图13（1）中，钢球在滚道中往复运动。钢球与滚道间的受力如图所示。由于万向节的压力角为，万向节中心到内、外滚道的接触半径分别为R，。并且由图可得： R= 式中： d钢球直径 D钢球分布直径 压力角（） 在万向节工作角度为时，钢球与滚道面间的扭矩为： 式中： 钢球与滚道之间摩擦副摩擦系数； F钢球与内外滚道的正压力。由图上可知，式中：上式可以写成：式中：F=6.4 钢球与保持架之间的摩擦损失： 由前所述，外滚道的长度大于内滚道的长度，当钢球在外滚道滑动时，在钢球与保持架的接触区域内，钢球与保持架之间也有相对运动。且其之间的力的作用为F,如图13（2）所示。当万向节工作角度为时，钢球与保持架之间的滑动摩擦损失为： 式中： 钢球与保持架之间摩擦副摩擦系数 F钢球与保持架之间的作用力 其中 ： F=26.5 外滚道与保持架之间的摩擦损失： 由于外滚道、保持架与钢球之间均为球面副配合。当万向节存在工作角度时，外滚道和保持架之间产生摩擦，从而造成摩擦损失，如图13（3）所示。由力的平衡原理，、与在水平方向上平衡。由此可以得到： 式中： 外滚道与保持架之间摩擦副摩擦系数 如图所示，与外滚道的长度、钢球的分布半径和万向节的工作角度有关 当万向节存在工作角度时，外滚道与保持架之间的滑动摩擦损失为： 式中：R 外滚道曲率半径6.6 内滚道与保持架之间的摩擦损失：如外滚道与保持架之间的关系一样，由于内滚道、保持架与钢球之间也为球面副配合。当万向节存在工作角度时，内滚道和保持架之间也产生摩擦，从而造成摩擦损失，如图13（4）所示。由力的平衡原理，、与 在水平方向平衡。由此可以得到： 式中： 内滚道与保持架之间摩擦副摩擦系数 如图所示，与内滚道的长度、钢球的分布半径和万向节的工作角度有关 当万向节存在工作角度时，外滚道与保持架之间的滑动摩擦损失为： 综上所述，万向节扭矩损失主要由上述4中情况产生。因此，万向节扭矩损失为：将式代入（6-1）式中，就可以计算出万向节的效率7 万向节寿命分析伯菲尔德等速万向节采用了正常值这一概念来设计。所谓正常值即表示在一般情况下万向节多能达到预计寿命的功率或扭距数值。寿命是指受疲劳因素所制约的使用时间，即是在一给定转速下的使用小时数。为了确定一个寿命基准，表面应力规定为0.8437。此时，若万向节在一定的应用扭矩和100r/min的情况下运转，其寿命为25200h。这种寿命仅是一种比较基准，衡量能否达到设计所要求的合理寿命。若扭矩比设计的扭矩高，转速等于或高于100r/min时，则寿命将显著缩短。计算时必须作必要的修正。 图14所示为合速度系数与寿命的关系。所谓合速度系数是指为计算特定的角度和扭矩的速度系数，熟读在这里是指应力循环数或每分钟的转速。在万向节尺寸初步确定后可在上表中查到对应的扭矩。供设计时参考。 达到预计寿命时的扭矩或功率可按下式计算： 同时： 式中：表示转速为100r/min，=1，能得到1500h计算寿命的扭矩（kgm），=0.0026S, 考虑万向节夹角对寿命的影响因素，称为角度因素。图15表示出了在任何角度下运转的速度极限。它用代表万向节不同尺寸的曲线表示，可以查出它的具体的值； n转速； 合速度系数。它取决于万向节的工作角度和动力性能； 在时的比功率，= 0.00037S S万向节轴颈直径（mm）图14 波菲尔德等角速万向节的和速度系数和运转时间的关系在n=100r/min；U=1500h；=1时，可以根据图14查出=1.056.如果在已知扭矩M,转速n和角度因素或比功率N，转速n和角度因素，选择万向节所要求的寿命，则可用下式计算出合速度： 或 对于等扭矩、等速和等角度传动的万向节，可以按图14来估计寿命。 当万向节在不同工况下工作时，可按下面介绍的方法来确定万向节的寿命。首先根据上式来计算出各种工况下的合速度系数然后，利用线图14，根据已知的各种工况下的转速n便可以得到各种工况下万向节的使用寿命U令为万向节的破坏比。万向节在下运转，与总所的寿命时间U的比例，可得在这个时间内万向节寿命的比例为： 其它类似的可以根据以上公式算出寿命的比例。所有的这些比例加起来等于1因此按下式可以求出万向节的总的寿命： 式中：，各种工况下的寿命时间占总寿命时间的百分比。设本次设计的小汽车的转速n=200r/min，平均传动效率为95%，转向角度10°扭矩M=1800N.m占使用时间的百分比为28%根据图15可以查出其角度因素：=0.22带入上式可以求出=0.6根据图14可以查出其寿命时间为4000h图15：角度系数与万向节传动角度和运转速度之间的关系图15 角速度系数与万向节传动角度和运转速度之间的关系可以求出万向节在n=200r/min时的总的时间为：=14286h故这种万向节较好，能够满足其使用要求的。8 设计总结在这次毕业设计中，我设计的题目是：伸缩型球笼式等速万向节。虽然在之前所学的课程中很少涉及这方面的知识，但是通过了本次设计我对万向节都有了很深一步的理解，而且知道了万向节的等速原理，万向节的各方面都有了不同的见解。而且这次设计让我对所学习的绘图软件caxa和Pro-e更加的熟悉，在我以后的工作和生活中都会有很大的帮助。本次设计给我有很深的感触，因为是第一次接触到这个东西，所以一次开始无从下手，每天查阅这样那样的资料，也找不到关于我所设计的万向节的内容。说实话那段时间是最难熬得，因为看着大伙儿都做很多了，而我却还在冥思苦想，但是还是没有想出来。当时还产生了有放弃的念头。之后我找到了我们的指导老师洪明，在说明了我的情况之后，老师给我一句忠告：认真查阅资料仔细研究。说实话听了那句话我很无奈，感觉上像是说我以前不仔细。最终听了老师了话，把以前查阅过的所有资料重新仔细的看了，果不其然，这书上我清楚的记得一句话：伸缩型球笼式等速万向节结构与一般球笼式相似，仅仅外滚道为直槽，摆动时钢球滚动，轴向伸缩时为滑动。看到这句话，心里面的那个结打开了，原来我的所设计的万向节和一般的球笼式万向节相似，我就开始按照一般球笼式万象的设计方法以及步骤开始了我的设计。在设计过程中也产生了很多的问题，我知道坚持下来我肯定就能够把所有问题解决。经过我不断的努力和指导老师的帮组下都一一克服了困难，完成了本次设计。这次设计给我最大的感触就是，只要心中有不放弃、不服输的劲儿，我们就能成功我们就能克服所有困难。还有就是对陌生事物的自学能力，我相信这次设计将会对我以后的工作和日常生活都会有很大的帮助。10 谢词为期一个多月的毕业的设计，我非常感谢我们的指导老师洪明。在洪明老师尽心尽力的帮助下我完成了此次设计，洪明老师渊博的专业知识和丰富的经验，让我在设计的过程中得到了很多的启发。洪明老师在我的设计中倾注了太多了心血，付出的太多，再次衷心的感谢洪明老师！当然，这次设计还有其他老师和同学的帮助，再次我也感谢他们的热心帮助。当然感谢学校给我这次实践的机会，也让我对机械行业产生了更加浓厚的兴趣，在设计中我学到了很多课堂上学不到知识，更培养了我自主学习和独立思考的能力。最后感谢所有鼓励和帮助我的人，苏良衷心的感谢你们，谢谢你们！我将在以后的工作和日常生活中不断的完善自己，要让自己成为一个有用之才。11 参考文献1汽车车桥设计刘惟信 清华大学出版社2传动轴与万向节羊拯民 人民交通出版社3工程材料与应用王旈敏 重庆大学出版社4材料力学霍炎 习宝林 机械工业出版社5机械制造工艺学郑修本 机械工业出版社6机械零件郑志祥 高等教育出版社7机械设计邱宣怀 高等教育出版社8汽车构造陈家瑞 机械工业出版社9密封与润滑马先贵 机械工业出版社10机械原理马永林 高等教育出版社11互换性与测量12万向节与传动轴（德）切梅兹 北京理工大学出版社13机械设计课程设计手册吴宗泽罗圣国 高等教育出版社58