伸缩型球笼式等速万向节设计

0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 1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2ABSTRACTTelescopic 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.3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 2242.1.1 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 4053.5 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 5760 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7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。8Birfield 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9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10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。111、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12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 COAB，因此，COAB,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： vr:，.由于传力钢球的速度（ v）相同，半径rab，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13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： 211sinsi0xPfNf（1-1）211coiyf（1-2）21()0eMfNr（1-3）式中： 1、 2内环、外环与钢球接触点上的压力；1f内环与钢球接触点处的摩擦系数；142f外环与钢球接触点处的摩擦系数；楔角；r半径。由式（1-1） 、 （1-2）可得：21ftg（1-4）由式（1-1） 、 （1-3）可得： 1tf （1-5）由式（1-2） 、 （1-3）可得： 2tgf（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： 21eefftg（1-7）即（1-4） 、 （1-7）可得楔进条件为：221eeeftgtgt即 e （1-8）由式（1-3） 、 （1-7）可得：12N由式（1-8）可知，当 2e时，钢球处于锁止状态。故保证了等速万向节的等速性。151.4 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： max28.710FMS:式中， F为使用因素影响系数，对传动轴而言， FS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 FS=1.2；maxM为传动轴传递的最大扭矩。取动力输出最大转矩 158N:m，额定转速 40nr/min，主减速器传动比 3.5i，变速器一档传动比3.2gi。所以传动轴最大扭矩为max0.58gMi（N :m）经计算 23.S，由于球笼式万向节结构设计系列标准，见表1。取 .8，钢球直径为 18.0d。16表 1 球笼万向节系列数据（部分）名义尺寸单位75 87 95 100 113 125 150与星型套联接的轴径直接mm 19.1 22.2 23.8 25.4 28.6 31.8 38.1钢球直径 mm 14.288 16.669 18.000 19.050 21.431 23.812 28.575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星型套槽距 mm22.75/45.522.75/45.522.75/45.520/40 20/40 13/2610.50/21171.4.2 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 ()eikDK其中： 钢球回转中心径系数，一般取 0.52K；ei星型套内花键大经，为 26.60mm；kD筒形外壳最大外径，为 88mm。计算得， 59.mm 取： 60。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，并以此确定万向节花键齿数 19 23 23 23 25 18球壳外径 mm 70 81 88 92 103 115 13718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 kRfd取 0.52k，得 9.36kRm。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 45。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 1sin2khRd代入数据得： 0.5hm。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： 2kdRh19代入数据得： 0.12m1.4.4 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 e为 1sin2AOBD取 7，计算得 3.60em。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： (1.657)Rd又知： 8d得： 29.730.R: 取： 30R2）球笼厚度20图 3 球笼基本尺寸由公式： 0.185bd 又 d得： 3.b 取： 3b3）星型套基本尺寸21图 4 星型套基本尺寸星型套宽度由公式： 1.8Bd 推出： 32.4B又知球笼厚度为 3，钢球分布半径 30，可推出星型套外径 157D4）球笼宽度由公式： 1B推出： 132.4225）球笼槽的宽度由公式： 1bd推出： 186）球笼槽长度由公式： 1(.38)ld:推出： 12.94.l取： 1l7）中心偏移距由公式： (0.12.5)hd:推出： .6.7取： 2.4h8）轴颈由公式： 1.4d推出： 125.9) 星型套花键外径由公式： 21.5d23推出： 27.9d取： 23010）筒形外壳滚道长度图 5 筒形外壳基本尺寸由公式： 2.4ld推出： 3.l.l取： 58l11) 中心偏移角由公式： 45.2 万向节运动分析与力学分析242.1 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。 22xzr（2-1）当主动轴与从动轴之间存在夹角 0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 0/2偏差） ，因此，当猪都25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： 21xzab（2-2）0tn:（2-3）式中：a椭圆短轴；26b椭圆长轴；0传动轴角速度。又 ar 0/cos(/2)b （r 为钢球分布圆半径）推出 222000sc(/)sinxzttt:（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 0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，00sinsi2yz:（2-5）0izt0sin2yt:（2-6）对 y 求导，解得钢球的 y 向速度和 y 向加速度为：272400 00312232200cossin()si()sin(sin)(cont ttdyrt tt （2-7） 322022 00 40003 5223202 201(cossin)sini)co(sin()i(icos)ttdyrtt tttt （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： 20032 2sin()i(cos)rrtdpVt t:（2-9）径向加速度： 20052 220 0003222(sin)icos)si()co(incs)r ttdpart tt （2-10）282.1.4 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29由理论力学可得：切向速度： v （2-11）切向加速度： 01220220 032220sinta(coi)sinsi()(csin)rdvdatttttrtt :（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： 21xzab（2-13）式中：