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球笼式万向传动装置设计

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目 录

1 概述……………………………………………………………………… 3

2 球笼式万向节简介……………………………………………………… 5

3 球笼万向节的基本组成与原理………………………………………… 8

4 球笼式万向节的结构分析与设计计算………………………………… 11

5 参考文献………………………………………………………………… 16

摘 要：本设计论文是：球笼式万向传动设计。它是一种比较成熟的等速万向节，由于允许的轴线间夹角较大，所以承载能力和耐冲击能力强、传动效率高、磨损小、同步性能好等优点。但唯一的不足就是球笼架的加工精度和热处理精度有严格要求，所以导致生产制造工艺复杂，成本高就球笼式等速万向节工作主参数--滚道截形椭圆、偏心距和滚道弧长和接触应力设计计算进行了较详细的阐述，并从等速万向节的内部结构方面分析研究了整个传动轴的振动问题，通过对传动轴振动模型的简化得传动轴的设计临界转速。 关键词：万向传动；结构原理；参数；设计：传动

一、概述
1、功用
Ø 发动机前置后驱动汽车
变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴间的万向节传动。
Ø 全轮驱动的汽车
变速器和分动器及分动器与前后驱动桥之间的万向传动装置。
Ø 重型汽车
由于总布置的需要将离合器与变速器分开一段距离，因此，也常用万向传动装置将两个总成连接起来。
Ø 转向驱动桥
车轮应在最大范围内任意偏转某一角度并能不断地传递动力。其半轴分段。左右半轴夹角随行驶需要而定。半轴与车轮之间常用球叉式或球笼式等速万向节传动。

2、设计要求：
Ø 保证所连接的两轴相对位置在预计范围内变动时，能可靠传。
Ø 保证所连接的两轴能均匀旋转，由于夹角变化引起的动载荷在允许范围内。
Ø 传动效率高、寿命长、结构简单、制造方便。
3、设计依据
Ø 发动机参数
Ø 标准法规要求：
› QC／T 29082—1992  汽车传动轴总成技术条件
› QC／T 523—1999  汽车传动轴总成台架试验方法
4、分类
万向节按其在扭矩方向上是否有明显的弹性，可分为刚性万向节和挠性万向节。前者靠零件的铰接式联结传输动力，后者通过弹性零件传递动力，且有缓冲减振作用 。
p 不等速向节是指万向节连接的两轴夹角大于零时，输出轴和输入轴之间以变化的瞬时角速度比传递运动，但平均角速度比为1的万向节。
p 准等速万向节是指在设计角度下工作时以等于1的瞬时角速度比传递运动，而在其它角度下工作时瞬时角速度比近似等于1的万向节。
p 输出轴和输入轴以等于1的瞬时角速度比传递运动的万向节，称之为等速万向节。

二、球笼式万向节简介
随着国民经济的迅猛发展，汽车产量逐年增加，2006年已达720万辆。我国汽车保有量越来越多，车型也越来越复杂。尤其是高科技的飞速发展，一些新技术、新材料在汽车上的广泛应用后，给汽车故障诊断与排除增加了一定难度。本篇论文重点讨论球笼万向节传动设计。万向节是汽车中的一个传动装置
（一）球笼万向节的功能
球笼 也叫做 等速万向节是轿车传动系统中的重要部件，其作用是将发动机的动力从变速器传递到两个前车轮，驱动轿车高速行驶。用于轿车的等素万向节类型很多，其中应用最多的是球笼式等速万向节和三角架式等速万向节，它主要有滑套、三向轴、传动轴、星形套、保持架、钟形壳主要零件组成。半轴就是一根轴 而球笼就是一个万向节 球笼是安装在半轴两端的 。

（二）球笼万向节的发展概况
原来我国用于轿车生产与汽车维修的等速万向节主要依靠进口，每年需花费大量外汇。为发展我国的汽车工业， 经十余年时间研究开发了汽车等速万向节主要零件毛坯精锻技术和生产技术。目前具备该生产技术的国内大厂也是很多，像瓦房店宏达（ZWZ)，上海拿铁福(SDS)，杭州万象，台州巨泰(BIK)，台州宏利(LEE)，温州冠盛(GSP)，宁波万航等国内生产厂家厂生产的球笼已经与国内外整车厂提供配套！该生产线由球形壳、筒形壳、化套精锻线和星形套、三向轴温闭塞锻造线组成。它是一种比较成熟的等速万向节，由于允许的轴线间夹角较大，所以承载能力和耐冲击能力强，传动效率高，磨损小，同步性能好等优点。但唯一的不足就是球笼架的加工精度和热处理精度有严格要求，所以导致生产制造工艺复杂，成本高。球笼式等速万向节是目前应用最为广泛的等速万向节。在欧洲，有71.2%的轿车应用球笼等速万向节，在美国为53%，在日本几乎为90%，其高效率，低油耗以及大的承载能力为各汽车生产厂商所钟爱。

二、球笼万向节的基本组成与原理
球笼式万向节按内、外滚道结构不同分为RF型球笼式万向节和VL型万向节等。RF型球笼式万向节主要由6个钢球、星形套、球形壳和保持架等组成。VL型球笼式万向节主要由主动轴、星形套、保持架、筒形壳和钢球等组成。

（一）RF型式万向节的基本组成与原理

1.基本组成
图4-2 Rzeppaz型球笼式万向节
1—球形壳 2—钢球 3—星形套
4—球笼 5—导向盘 6—分度杆
球笼式万向节是目前应用最为广泛的等速万向节。Rzeppa 型球笼式万向节是带分度杆的，六个传力钢球由球笼4保持在同一平面内。当万向节两轴之间的夹角
变化时， 靠比例合适的分度杆6拨动导向盘5，并
带动球笼4使六个钢球2处于轴间夹角的平分面上。
经验表明，当轴间夹角较小时，分度杆是必要的；
当轴间夹角大于11°时，仅靠球形壳和星形套上的子午滚道的交叉也可将钢球定在正确位置。这种等速万向节可在两轴之间夹角达到35°～37°的情况下工作。

2.原理
星形套通过内花键与主动轴相联接，用卡环、隔套和蝶形垫圈轴向限位。星形套的外表面制有6条曲面凹槽。球形壳与带花键的外半轴制成一体，内表面制有相应的6条曲面凹槽。球笼上有6个窗孔。装合后，6个钢球分别在6条凹槽中，保持架将钢球保持在一个平面内。动力由主动轴传至星形套，经6个钢球、球形壳输出，传给转向动轮。

图— 1

（二）Birfield型球笼式万向节(伯菲尔德)
Birfield型球笼式万向节
取消了分度杆，球形壳和星形套的滚道做
得不同心，使其圆心对称地偏离万向节中
心。即使轴间夹角为0°，靠内、外子午
滚道的交叉也能将钢球定在正确位置。
这种万向节允许的工作角可达42°。
由于六个钢球同时传递转矩，
其承载能力和耐冲击能力强，效率高，
结构紧凑，安装方便，应用较为广泛。
但是滚道的制造精度高，成本较高。

v 单圆弧：
v 椭圆：

滑动轨迹

此时，内、外滚道的横断面为椭圆形，接触点和球心的连线与过球心的径向线成45°角，椭圆在接触点处的曲率半径为钢球半径的1.03～1.05倍。当受载时，钢球与滚道的接触点实际上为椭圆形接触区。

（三）VL型球笼式万向节的基本组成与原理
1.基本组成
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。
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°。
伸缩型球笼式万向节
2.原理
其内、外滚道为圆筒形，在传递转矩过程中，星形套与筒形壳可以沿轴向相对移动，故可省区其他万向传动装置中必须有的滑动花键。这使得结构简化，同时由于星形套与筒形壳之间的轴向相对移动是通过钢球沿内、外滚道和滚动来实现的，与滑动花键相比，其滚动阻力小，最适用于断开式驱动桥这种万向节保持架的内球面中心与外球面中心位于万向节中心O的两边，且与O等距离。钢球中心到内、外面的距离相等，以保证万向节作等角速传动。
三、球笼式万向节的等速性分析
球笼式万向节传动轴总成CVJ是在 2 0世纪3 0年代设计出来的新型联轴器 ,它的最大优点是在具有很大轴间角时仍能平稳传递转速和转矩。CVJ在高速旋转的同时 ,不仅要承受由发动机输出的转矩波动和轮胎附着力的变化 ,还要承受不断变化的扭矩和弯矩。如果CVJ的固有振动频率和这些负载的变动频率相同，将会引起共振，不但会导致传动轴失效，还会使轿车车体发生颤动，而CVJ所具有的等速性还可以满足轿车的使用要求。由于轿车的转向角很大（极限转向角约为±40°），而CVJ本身的极限转角不但能满足轿车转向的要求，同时在存在轴间角时仍具有等速性。
CVJ由球笼式万向节（BJ端）、传动轴和滑移端三部分组成。证明CVJ具有等速性，必须证明BJ端和滑移端都具有等速性。无论滑移端中的交叉滚道式万向节(LJ型)，还是双偏置式万向节（DOJ型）及三柱轴式万向节（TJ），它们形成轴间角的原理和球笼式万向节有着相同的特征，只要证明球笼式万向节的等速性，其他三种万向节也具有等速性。
1）从机构上证明球笼式万向节的等速性。
球笼式万向节的等速性是由本身的结构所决定的，无论有无轴间角，沿着6个钢球球心所在的平面剖开，都可建立如图—4所示的结构。
设星形套沟道和钢球的共轨接触点（或区）半径为R1，钟形壳沟道和钢球的共轨接触点的半径为R2，设钢球回转半径为R，接触点A既是钟形壳沟道上的一部分，又是钢球上的一部分，即接触区为钟形壳沟道和钢球的共轨部分，因此存在ωzA=ωqA,同理ωxB=ωqB,同一个钢球具有同一个角速度，即ωqA=ωqB，因此存在ωz=ωq=ωx,这就充分证明球笼式万向节内部每一部分的角速度都相同，即整个球笼式万向节具有等速性。也可理解为钢球是一种链，它把钟形壳和星形套连接为同一个整体，因此具有相同的角速度。

2）从投影几何学证明球笼式万向节的等速性。
投影学认为当输入轴和输出轴的传动点始终位于输入和输出连接角的某一个平面上，且这个平面是唯一的，这个机构具有等速性。如图—5，对球笼式万向节，A面和B面的两个圆在C平面上的投影是一致的，C平面也就是6个钢球球心所在的平面，因此证明球笼式万向节具有等速性。
也可以这样理解：把一根橡胶管弯曲后，使其一端等速旋转，结果是中间弯曲部分不断产生拉伸和压缩，把力传递给另一端，使另一端等速旋转。这样理解等速性，就可以把球笼式万向节和挠性联轴器看成同一种结构。
3）球笼式万向节线速度的分析

汽车上有一个很重要的部件，称为万向节。万向节与传动轴组合，称为万向节传动装置。在前置发动机后轮驱动的车辆上，万向节传动装置安装在变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间；而前置发动机前轮驱动的车辆省略了传动轴，万向节安装在既负责驱动又负责转向的前桥半轴与车轮之间。
那么，万向节在汽车上起到什么作用呢？
汽车是一个运动的物体。在后驱动汽车上，发动机、离合器与变速器作为一个整体安装在车架上，而驱动桥通过弹性悬挂与车架连接，两者之间有一个距离，需要进行连接。汽车运行中路面不平产生跳动，负荷变化或者两个总成安装位置差异，都会使得变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间的夹角和距离发生变化，因此要用一个“以变应变”的装置来解决这一个问题，因此就有了万向节这个东西。

同样的道理，越野车变速器与分动器之间，前驱动的可转向驱动桥与半轴之间，都需要这个万向节做“关节”。万向节的结构和作用有点象人体四肢上的关节，它允许被连接的零件之间的夹角变化。但它与肢体关节的活动形式又有所不同，它仅允许夹角在一定范围内变化。
目前后驱动汽车上应用最广的一种普通万向节由万向节叉、十字轴等基本零件构成。十字轴装配在万向节叉上做连接，十字轴的轴头上装有滚针轴承，当轴头接入万向节叉时，十字轴与万向节叉之间就可以有相对旋转，也就产生了多角度变化。万向节叉上的花键连接又可以做小许的轴向移动，这样就适应了夹角和距离同时变化的需要。
单个的万向节不能使输出轴与轴入轴的瞬时角速度相等，容易造成振动，加剧机件的损坏，产生很大的噪音。因此，后驱动汽车的万向节传动形式都采用双万向节，就是传动轴两端各有一个万向节，其作用是使传动轴两端的夹角相等，保证输出轴与轴入轴的瞬时角速度始终相等。
为了满足动力传递、转向和汽车运行时所产生的上下跳动所造成的角度变化，前驱动汽车的驱动桥，半轴与轮轴之间也常用万向节相连。由于受轴向尺寸的限制，要求偏角又比较大，普通万向节难以胜任，所以广泛采用各式各样的等速万向节。在一般前驱动汽车上，每个半轴用两个等速万向节，靠近变速驱动桥的万向节是半轴内侧万向节，靠近车轴的是半轴外侧万向节。在各种等速万向节中，常见是球笼式万向节，它用六个钢球传力，主动轴与从动轴在任何交角的情况下，钢球都位于两园的交点上，即位于两轴交角的平分面上，从而保证主、从动轴等角速度传动。

四、球笼式万向节的结构分析与设计计算

星形套以内花键与主动轴相连，其外表面有6条弧形凹槽，形成内滚道。球形壳的内表面有相应的6条弧形凹槽，形成外滚道。6个钢球分别装在由6组内滚道所对出的空间里，并被保持架限定在同一个平面内。动力由主动轴（及星形套）经钢球传到球形壳输出。典型的固定型球笼式万向节实例图如图所示的Audi车系的RF&VL球笼式万向节。
一、球笼式万向节结构分析

图—2

二、球笼式万向节设计
变速器
1
2
3
4
5
传动比i
3.600
2.125
1.458
1.071
0.829
平均轴间夹角

半轴外侧7度
A=0.865
E=0.36

半轴内侧4度
A=0.926

驱动轴4度

E=0.64

在下列假定条件时:
1 路面附着系数为1,振动系数为1.2,承载系数为1.33
2 各档的利用率:1-5档分别是1%;6%;18%;30%和45%
3 汽车至少应该有1000000km的寿命.

四轮驱动时前半轴万向节寿命参数计算结果

所有公式
档 位
1
2
3
4
5
1
(%)
1
6
18
30
45
2

14.8
8.74
5.99
4.4
3.41
3
(r/min)
304
515
751
1023
1320
4
(km/h)
34.4
58.2
84.9
115.7
149.3
5
(N.m)
m=2
312.48
184.6
126.5
92.9
72
6
时,
(h)
当 时,
(h)
158.6
568.2
1420.4
2971.7
4947.6

百万次循环寿命

= 5.095

安全行驶里程
选择RF85万向节,查表参数,满足耐久性要求.如后轮的驱动轮被摘除,必须考虑传动系的过载问题.
半轴内侧用VL85万向节的安全行驶里程计算时,应考虑平均轴间夹角所引起的铰接角的函数的变化,以下式计算

球笼式万向节的失效形式主要是钢球与接触滚道表面的疲劳点蚀。在特殊情况下，因热处理不妥、润滑不良或温度过高等，也会造成磨损而损坏。由于星形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上的要小，即前者的接触应力大于后者。因此，应控制钢球与星形套滚道表面的接触应力，并以此来确定万向节的承载能力。不过，由于影响接触应力的因素较多，计算较复杂，目前还没有统一的计算方法。
假定球笼式万向节在传递转矩时六个传力钢球均匀受载，则钢球的直径可按下式确定

式中，d为传力钢球直径(mm)；Ts 为万向节的计算转矩，N·m，TS = min[Tse，Tss]。
计算所得的钢球直径应圆整并取最接近标准的直径。钢球的标准直径可参考GB7549—1987《球笼式同步万向联轴器型式、基本参数和主要尺寸》。
当球笼式万向节中钢球的直径 d 确定后，其中的球笼、星形套等零件及有关结构尺寸可参见图—3按如下关系确定：

图—3

钢球中心分布圆半径 R=1．71d
星形套宽度 B=1．8d
球笼宽度 B1=1．8d
星形套滚道底径 Dl=2．5d
万向节外径 D=4．9d
球笼厚度 b=0．185d
球笼槽宽度 b1=d
球笼槽长度 L=(1．33～1．80)d (普通型取下限，长型取上限)
滚道中心偏移距 h=0．18d
轴颈直径 d′ ≥1．4d
星形套花键外径 D2≥1．55d
球形壳外滚道长度 L1=2．4d
中心偏移角 δ≥6°

五、参考文献
[1] 陈家瑞主编.汽车构造.机械工业出版社，2009.2
[2] 余志生主编.汽车理论.北京：机械工业出版社
[3] 王望予主编.汽车设计.北京：机械工业出版社
[4] 吴宗泽主编.机械设计实用手册.北京：化学工业出版社,
[5] 何铭新，钱可强主编.机械制图.北京：高等教育出版社