高效能球籠式等速萬向節(jié)的溝道設(shè)計(jì)

朱卓選

(上海納鐵福傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，上海 201315)

汽車的等速萬向傳動(dòng)軸總成通常由車輪端的球籠式等速萬向節(jié)、差速器端的滑移式等速萬向節(jié)以及連接這2個(gè)萬向節(jié)之間的中間軸構(gòu)成。高性能等速萬向傳動(dòng)軸總成除了要求平穩(wěn)地傳遞動(dòng)力外，還要求工作效率高。

1 球籠式等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)特征

球籠式等速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其由鐘形殼、星形套、保持架及鋼球構(gòu)成。鐘形殼位于保持架外側(cè)，星形套位于保持架內(nèi)側(cè)，鋼球穿過保持架的各個(gè)窗口并沿保持架周向均布，鋼球與鐘形殼及星形套的相應(yīng)溝道接觸配合。

圖1 球籠式等速萬向節(jié)

鐘形殼和星形套各溝道的中心分列于球籠式等速萬向節(jié)中心的兩側(cè)，即存在中心偏置，其目的是當(dāng)球籠式等速萬向節(jié)有擺角時(shí)，由保持架的窗口將各個(gè)鋼球保持在球籠式等速萬向節(jié)擺角的角平分面內(nèi)，使球籠式等速萬向節(jié)具有瞬時(shí)等速傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特性。但鐘形殼和星形套的各溝道配對(duì)構(gòu)成的楔形會(huì)對(duì)相應(yīng)的鋼球產(chǎn)生軸向推力，鋼球的推力作用在保持架窗口上，而保持架窗口上的軸向推力由保持架表面與鐘形殼的內(nèi)球面以及星形套的外球面之間的壓力來平衡，該壓力會(huì)在保持架表面與鐘形殼的內(nèi)球面以及星形套的外球面之間形成球籠式等速萬向節(jié)在有擺角情況下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力。中心偏置量越大或產(chǎn)生推力的鋼球數(shù)越多，保持架窗口受力越大，保持架表面與鐘形殼的內(nèi)球面以及星形套的外球面之間的摩擦阻力也越大，這會(huì)影響球籠式等速萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)效率[1]，故對(duì)球籠式等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

改進(jìn)設(shè)計(jì)后的球籠式等速萬向節(jié)由鐘形殼、星形套、保持架和鋼球構(gòu)成。鐘形殼的內(nèi)表面為內(nèi)球面，星形套外表面為外球面，內(nèi)球面球心與外球面球心重合，鐘形殼內(nèi)球面和星形套外球面上等分布置N(N=6，8，9，10，12)條溝道。N條溝道中有n(n≥3)條溝道的中心相重合并與所在球面的球心存在偏置，而且n條溝道將球面周向n等分，其余N-n條溝道的中心與球面的球心重合無偏置。保持架的圓周面上有N個(gè)窗口，每個(gè)窗口中有1個(gè)鋼球，鋼球與溝道滾動(dòng)配合。其目的是由n條有偏置溝道中的鋼球帶動(dòng)保持架在球籠式等速萬向節(jié)有擺角時(shí)，將鋼球保持在球籠式等速萬向節(jié)擺角的角平分面內(nèi)，其余N-n條無偏置溝道中的鋼球也隨動(dòng)地位于球籠式等速萬向節(jié)擺角的角平分面內(nèi)，以便使球籠式等速萬向節(jié)具有瞬時(shí)等速傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特性。

N條溝道的球籠式等速萬向節(jié)中將僅有n條有偏置溝道對(duì)相應(yīng)的鋼球產(chǎn)生軸向推力，其余N-n條無偏置溝道對(duì)相應(yīng)的鋼球不產(chǎn)生軸向推力(忽略溝道與鋼球之間的軸向摩擦力)，減少了產(chǎn)生推力的鋼球數(shù)，保持架窗口受力也相應(yīng)減小，保持架表面與鐘形殼的內(nèi)球面以及星形套的外球面之間的摩擦阻力也相應(yīng)減小，從而提高了球籠式等速萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)效率。

改進(jìn)設(shè)計(jì)后的鐘形殼結(jié)構(gòu)如圖2所示，有n個(gè)溝道中心O1與球心O之間存在偏置，偏置位于右側(cè)，其余N-n個(gè)溝道中心與球心重合。有偏置的n條溝道的半徑為r，其余溝道半徑為R，有偏置的n個(gè)溝道中心與鐘形殼球心之間的偏置量為L。

圖2 鐘形殼

改進(jìn)設(shè)計(jì)后的星形套如圖3 所示，有n個(gè)溝道中心O2與星形套的球心O之間存在偏置，偏置位于左側(cè)，其余N-n個(gè)溝道中心與星形套的球心重合。有偏置的n條溝道的半徑為r′，其余N-n條溝道的半徑為R′，有偏置的n個(gè)溝道中心與星形套的球心之間的偏置量為L′，且r=r′，R=R′，L=L′。

圖3 星形套

3 鋼球軸向力分析

當(dāng)球籠式等速萬向節(jié)傳遞扭矩時(shí)，鋼球受力對(duì)萬向節(jié)的承載能力及工作效率有重要影響，鋼球?qū)Ρ３旨艽翱诘妮S向作用力直接影響萬向節(jié)工作效率，而鋼球?qū)Ρ３旨艽翱诘妮S向作用力與偏置量等因素有關(guān)。

當(dāng)輸入軸與輸出軸之間的擺角為β時(shí)，球籠式等速萬向節(jié)偏置溝道形成的楔形開口角與萬向節(jié)的鐘形殼、星形套、保持架、鋼球的位置關(guān)系如圖4所示[3]。當(dāng)球籠式等速萬向節(jié)的鐘形殼和星形套的某對(duì)溝道之間存在中心偏置時(shí)，溝道之間會(huì)形成楔形開口角，開口角為2ε。

由圖4幾何關(guān)系可得

圖4 楔形開口角

(1)

鋼球壓力載荷的軸向分量均值Pz(鋼球?qū)Ρ３旨艽翱诘妮S向作用力)與萬向節(jié)溝道開口角ε的關(guān)系為

Pz=2Psinε，

(2)

式中：P為鋼球壓力載荷。

鋼球壓力載荷的周向分量Px與萬向節(jié)溝道壓力角α的關(guān)系為

Px=Psinα,

(3)

又由文獻(xiàn)[2]可得鋼球壓力載荷的周向分量為

(4)

式中：M為所需傳遞的扭矩；Z為鋼球數(shù)。

由(3),(4)式得

(5)

由(1),(2),(5)式得

(6)

4 設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

4.1 理論計(jì)算

以八溝道球籠式等速萬向節(jié)為例分析，改進(jìn)前后球籠式等速萬向節(jié)中鐘形殼、星形套、保持架的外徑、內(nèi)徑、壁厚、溝道直徑、節(jié)圓直徑等主要參數(shù)基本相同(表1)，鋼球直徑相同。改進(jìn)前的球籠式等速萬向節(jié)的8條溝道均存在偏置，偏置量L=3.8 mm；改進(jìn)后的球籠式等速萬向節(jié)的8條溝道中僅部分存在偏置，即1#，3#，5#，7#溝道有偏置，偏置量L=3.8 mm，2#，4#，6#，8#溝道無偏置。

表1 部分主要參數(shù)

對(duì)球籠式等速萬向節(jié)施加扭矩M=1 000 N·m，當(dāng)萬向節(jié)的工作擺角β分別為0°,30°,45°時(shí)，通過(6)式計(jì)算鋼球?qū)Ρ３旨艽翱诘妮S向作用力，結(jié)果見表2。

表2 鋼球?qū)Ρ３旨艽翱诘妮S向作用力

由表2可以看出，改進(jìn)設(shè)計(jì)后，八溝道球籠式等速萬向節(jié)鋼球?qū)Ρ３旨艽翱诘妮S向作用力(忽略溝道與鋼球之間的摩擦力)均值比改進(jìn)前減小約50%。

4.2 仿真計(jì)算

采用與理論計(jì)算相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，基于MSC ADAMS系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，鋼球?qū)Ρ３旨艽翱诘妮S向作用力的仿真計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 鋼球?qū)Ρ３旨艽翱诘妮S向作用力

由表3可以看出，改進(jìn)設(shè)計(jì)后八溝道球籠式等速萬向節(jié)鋼球?qū)Ρ３旨艽翱诘妮S向作用力(考慮溝道與鋼球之間以及保持架與內(nèi)外球面之間的摩擦力)均值比改進(jìn)前小，在球籠式等速方向節(jié)經(jīng)常工作的擺角范圍內(nèi)(β=0°～8°)時(shí)，均值減小了約50%，仿真計(jì)算與理論計(jì)算均值的減小比例非常接近；在β>8°時(shí)，仿真計(jì)算與理論計(jì)算的均值減小比例的差異隨萬向節(jié)擺角β的增大而增大，說明零件之間的摩擦力對(duì)鋼球與保持架窗口的軸向作用力有顯著影響。仿真計(jì)算與理論計(jì)算得到的鋼球?qū)Ρ３旨艽翱谳S向作用力的數(shù)值之間存在差異的原因是仿真計(jì)算采用了彈性體變形模型，而理論計(jì)算采用了剛體變形模型。

另外，改進(jìn)設(shè)計(jì)后八溝道球籠式等速萬向節(jié)存在偏置的溝道內(nèi)部產(chǎn)生的鋼球?qū)Ρ３旨艽翱诘妮S向作用力(考慮溝道與鋼球之間以及保持架與內(nèi)外球面之間的摩擦力)的仿真計(jì)算均值比改進(jìn)前也減小約8%，說明此設(shè)計(jì)方案不但可以提高萬向節(jié)的工作效率，也有利于改善保持架的工作強(qiáng)度。

5 結(jié)束語

將球籠式等速萬向節(jié)中的部分有偏置溝道改進(jìn)設(shè)計(jì)為無偏置溝道，且有偏置溝道和無偏置溝道在萬向節(jié)的圓周方向等分交替布置。與原結(jié)構(gòu)相比，在不影響萬向節(jié)的等速運(yùn)動(dòng)功能和扭矩傳遞性能的前提下，改進(jìn)后方案減少了萬向節(jié)內(nèi)部產(chǎn)生軸向推力的鋼球數(shù)，使保持架窗口受力相應(yīng)減小，保持架的外表面與鐘形殼的內(nèi)球面以及保持架的內(nèi)表面與星形套的外球面之間的摩擦阻力也相應(yīng)減小，提高了球籠式等速萬向節(jié)的運(yùn)動(dòng)效率。