伸縮型球籠式等速萬向節(jié)設(shè)計

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0畢業(yè)設(shè)計說明書 伸縮型球籠式等速萬向節(jié)設(shè)計 系 (院): 機械工程系 專 業(yè)：機械制造與自動化 班 級: 學 號： 姓 名: 指導教師： 成都工業(yè)學院 1摘 要 伸縮型球籠式等速萬向節(jié)是汽車的關(guān)鍵部件之一，它直接影響車輛的轉(zhuǎn)向驅(qū)動性能。本設(shè)計根據(jù)在汽車傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的布置，確定球籠式等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)特點與參數(shù)等。對球籠式等速萬向節(jié)的等速性、運動規(guī)律、受力情況、效率和壽命進行了深入分析。對重要零件進行了材料的選擇和工藝性分析。并且運用三維制圖軟件 Pro-e 和二維制圖軟件 caxa，進行了輔助分析。關(guān)鍵詞 等速萬向節(jié) 汽車 設(shè)計 分析 效率 使用壽命 軟件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 錄摘 要 ????????????????????????? 10 引言 ?????????????????????????? 40.1 汽車萬向節(jié)與傳動軸技術(shù)發(fā)展綜述??????????? 40.2 球籠式等速萬向節(jié)的發(fā)展狀況????????????? 50.3 球籠式等速萬向節(jié)的潤滑及密封技術(shù)現(xiàn)狀 ??????? 61 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)與設(shè)計參數(shù)確定 ???????????????? 71.1 結(jié)構(gòu)選擇?????????????????????? 71.2 等速證明?????????????????????? 91.3 等速萬向節(jié)等速的保證 ??????????????? 101.4 參數(shù)確定 ????????????????????? 131.4.1 萬向節(jié)軸徑和鋼球直徑????????????? 131.4.2 鋼球回轉(zhuǎn)中心徑 ??????????????? 151.4.3 筒形外殼溝道溝槽形狀及設(shè)計參數(shù) ??????? 161.4.4 溝道偏心距 ????????????????? 171.4.5 萬向節(jié)基本尺寸的確定????????????? 182 萬向節(jié)運動分析與力學分析???????????????? 222.1 鋼球的運動分析 ?????????????????? 2242.1.1 鋼球的運動軌跡???????????????? 222.1.2 鋼球沿 y 軸方向運動?????????????? 242.1.3 鋼球沿徑向運動???????????????? 252.1.4 鋼球的切向速度與切向加速度?????????? 262.2 萬向節(jié)受力分析?????????????????? 282.2.1 鋼球位置計算????????????????? 282.2.2 鋼球運動平面與原始平面對應(yīng)半徑的夾角????? 302.2.4 橢圓上各鋼球的圓周力????????????? 312.3 保持架運動和受力分析 ??????????????? 323 萬向節(jié)主要零件的材料選擇及工藝流程??????????? 343.1 筒形外殼 ????????????????????? 343.1.1 筒形外殼材料的選擇?????????????? 343.1.2 筒形外殼工藝流程??????????????? 343.2 球籠 ??????????????????????? 363.2.1 球籠材料的選擇???????????????? 363.3 星形套 ?????????????????????? 383.3.1 星形套材料選擇???????????????? 383.3.2 星形套工藝流程???????????????? 393.4 半軸 ??????????????????????? 403.4.1 半軸材料的選擇???????????????? 4053.5 鋼球 ??????????????????????? 413.5.1 鋼球材料選擇????????????????? 413.6 星形套與半軸的固定 ???????????????? 414 制造技術(shù)???????????????????????? 415 球籠式萬向節(jié)的潤滑??????????????????? 426 等速萬向節(jié)的效率???????????????????? 436.1 效率公式的推導; ?????????????????? 446.2 扭矩損失公式的推導:???????????????? 446.3 鋼球與內(nèi)外滾道之間的摩擦損失： ?????????? 456.4 鋼球與保持架之間的摩擦損失： ??????????? 466.5 外滾道與保持架之間的摩擦損失： ?????????? 466.6 內(nèi)滾道與保持架之間的摩擦損失： ?????????? 477 萬向節(jié)壽命分析????????????????????? 488 設(shè)計總結(jié)???????????????????????? 5410 謝詞 ????????????????????????? 5511 參考文獻 ??????????????????????? 5760 引言0.1 汽車萬向節(jié)與傳動軸技術(shù)發(fā)展綜述在汽車傳動系和驅(qū)動系中，萬向節(jié)和傳動軸作為一種重要的工程部件獲得了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)運動學原理，萬向節(jié)可劃分為非等速、等速和準等速萬向節(jié)三種，單個虎克萬向節(jié)的非等速性最早是由Ponceler 借助球面三角所證明。面球籠式（Rzeppa）萬向節(jié)和三樞軸（Tripode）萬向節(jié)的等特征則分別由后來的 Metzner 和MicheOrain 獲得證明。根據(jù)萬向節(jié)類型，傳動軸可分為：虎克萬向節(jié)傳動軸；球籠式萬向節(jié)傳動軸；三樞軸式萬向節(jié)傳動軸。大家知道，傳動軸的主要功能是在輸入軸和輸出軸之間距離與夾角改變時能盡可能均勻滴傳遞扭矩和旋轉(zhuǎn)運動。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，特別是前輪驅(qū)動橋車大量生產(chǎn)一來，萬向節(jié)和傳動軸，尤其是等速萬向節(jié)傳動軸的設(shè)計理論和制造技術(shù)獲得了飛速的發(fā)展。當今國際上，萬向節(jié)和傳動軸生產(chǎn)廠加之間的競爭日7趨勢激烈：把一種新產(chǎn)品投放市場，不僅要求騎強度和壽命應(yīng)滿足各種使用要求的規(guī)定，而且還要求產(chǎn)品的價格更具有競爭性和輕量化。我國“八五”開始重視轎車的發(fā)展，作為關(guān)鍵零部件之一的等速萬向節(jié)被國家列為重點扶持的關(guān)鍵零部件項目之一。但由于起步較晚，與國外相比，無論是從產(chǎn)品的設(shè)計、還是制造技術(shù)都存在一定的差距。0.2 球籠式等速萬向節(jié)的發(fā)展狀況球籠式等速萬向節(jié)是奧地利 A.H.Rzeppa 于 1926 年發(fā)明的（簡稱Rzeppa 型） ，后經(jīng)過多次改進。1958 年英國波菲爾（Birfidld）集團哈迪佩塞公司成功滴研制了比較理想的球籠聯(lián)軸器（稱 Birfield 型：或普通型，簡稱 BJ 型） 。1963 年日本東洋軸承株式會社引進這項新技術(shù)，進行了大量生產(chǎn)、銷售，并于 1965 年又試制成功了可作軸向滑動的伸縮型（亦稱雙效補償型，簡稱 DOJ 型）球籠萬向聯(lián)軸器。目前，球籠式等速萬向節(jié)已在日、英、美、德、法、意等 12 個國家進行了專利主城。8Birfield 型和 Rzeppa 型萬向節(jié)在結(jié)構(gòu)上的最大區(qū)別，除沒有分度機構(gòu)外，還在于鋼球滾道的幾何學與斷面形狀不一樣。Rzeppa型萬向節(jié)用的是單圓弧的鋼球滾道，單圓弧滾到其半徑大一個間隙，因此最大接觸應(yīng)力常發(fā)生在滾道邊緣處。當鋼球的載荷很大時，滾道邊緣易被擠壓壞，從而降低了工作能力。Birfield（BJ 型）萬向節(jié)的鋼球滾道橫斷面的輪廓為橢圓型，騎等角速傳動是依靠外套滾到中心 A、內(nèi)套滾到中心 B 等偏置地位于萬向節(jié)中心 O 的兩側(cè)實現(xiàn)的。而伸縮型的等速傳動則依靠保持架（球籠）外球面中心 A 與內(nèi)球面中心B 等偏置地位于萬向節(jié)中心 O 的兩邊實現(xiàn)的。0.3 球籠式等速萬向節(jié)的潤滑及密封技術(shù)現(xiàn)狀衛(wèi)視球籠式等速萬向節(jié)都能可靠的正常工作，必須使其保持良好的潤滑狀態(tài)，否則就會造成金屬元件的直接接觸，加劇萬向節(jié)原件的磨損或擦傷，降低其工作壽命。因此對此種萬向節(jié)的潤滑、密封應(yīng)給與足夠的重視。球籠式等速萬向節(jié)所才用的潤滑劑主要取決于轉(zhuǎn)速和角度。在轉(zhuǎn)速高達 1500r/min 時，使用一種優(yōu)良的油脂，這種油脂能防銹。若轉(zhuǎn)速和9角度都較大時，則使用潤滑油。同時，萬向節(jié)的密封裝置應(yīng)包成潤滑劑步泄漏。常用筒式波紋型橡膠密封罩。1 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)與設(shè)計參數(shù)確定1.1 結(jié)構(gòu)選擇伸縮型球籠式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)與一般球籠式相近，僅僅外滾道為直槽。在傳遞轉(zhuǎn)矩時，星形套與筒形殼可以沿軸向相對移動，故可省去其它萬向傳動裝置的滑動花鍵。這不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且由于軸向相對移動是通過鋼球沿內(nèi)、外滾道滾動實現(xiàn)的，所以與滑動花鍵相比，其滾動阻力小，傳動效率高。這種萬向節(jié)允許的工作最大夾角為 20°。 Rzeppa 型球籠式萬向節(jié)主要應(yīng)用于轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，目前應(yīng)用較少。Birfield 型球籠式萬向節(jié)和伸縮型球籠式萬向節(jié)被廣泛地應(yīng)用在具有獨立懸架的轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋中，在靠近轉(zhuǎn)向輪一側(cè)采用 Birfield型萬向節(jié)，靠近差速器一側(cè)則采用伸縮型球籠式萬向節(jié)。伸縮型萬向節(jié)還被廣泛地應(yīng)用到斷開式驅(qū)動橋中。伸縮型球籠式等速萬向節(jié)屬于等速萬向節(jié)，其工作特點是所有傳力點總是位于兩軸夾角的等分平面上，這樣被萬向節(jié)所聯(lián)接的兩軸的10角速度就永遠相等。在轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋、斷開式驅(qū)動橋等的車輪傳動裝置中，廣泛地才用等速萬向節(jié)。某輕型汽車采用的伸縮型球籠式等速萬向節(jié)，其結(jié)構(gòu)件圖見圖 1。球籠式萬向節(jié)由于汽油六個鋼球同時承載，承載能力及耐沖擊能力強、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，工作角很大。適合輕型汽車上應(yīng)用。111、從動軸 2、筒形外殼 3、密封圈 4、球籠 5、星型套 6、傳力鋼球 7、主動軸圖 1 伸縮型球籠式等角速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 1.2 等速證明伸縮型球籠式等角速萬向節(jié)的等速傳動原理如圖 1 所示。外滾到中心 A 與內(nèi)滾到的中心 B 分別位于萬向節(jié)中心 O 的兩邊，且與 O 等距離。傳力鋼球的中心 C 位于 A、B 兩點的距離也相等。保持架的內(nèi)12外球面、星型套的外球面和筒形外殼的內(nèi)球面均以萬向節(jié) O 為球心。因此，當兩軸夾角變化時，保持架科研內(nèi)、外球面滑動，以保持傳力鋼球在一定位置。由圖 1 可見，由于 OA=OB,CA=CB,則三角形 COAB??，因此，COAB??,即兩軸相交任意角 ?時，其傳力鋼球的中心 C 都位于夾角的平分面上。此時，傳力鋼球到主動軸和從動軸的距離 a 和 b 相等，根據(jù)公式： vr??:，.由于傳力鋼球的速度（ v）相同，半徑rab?，從而保證了主、從動軸以相等的角速度轉(zhuǎn)動。1.3 等速萬向節(jié)等速的保證圖 2 內(nèi)外環(huán)與鋼球的工作原理圖13已知偏移角和中心偏置距是保證等速性的關(guān)鍵尺寸。可根據(jù)鋼球在內(nèi)外環(huán)鋼球滾道中的工作狀況，先求出鋼球在楔緊狀態(tài)下的楔角的極限值，再選擇一個大于 β/2 楔角的角度作為偏移角，并求其相對應(yīng)的中心偏置距。最大楔角的確定方法如下：由圖 2 可見，鋼球在楔角 β 時剛好楔緊。由于在楔緊狀態(tài)下內(nèi)外環(huán)作用在鋼球上的法相壓力有將鋼球推向分離的趨勢，因此在接觸點 E 和 F 處的摩擦力則傾向于阻止鋼球分離，兩種里綜合作用的結(jié)果，是鋼球保持平衡狀態(tài)。在圖中建立坐標系 XOY，則當鋼球處于楔緊狀態(tài)時，應(yīng)滿足下式： 211sinsi0xPfNf???????（1-1）211coiyf（1-2）21()0eMfNr???（1-3）式中： 1、 2——內(nèi)環(huán)、外環(huán)與鋼球接觸點上的壓力；1f——內(nèi)環(huán)與鋼球接觸點處的摩擦系數(shù)；142f——外環(huán)與鋼球接觸點處的摩擦系數(shù)；β——楔角；r——半徑。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）在楔緊狀態(tài)下，鋼球與內(nèi)外環(huán)之間均為靜止滑動摩擦，故有： 21eefftg??（1-7）即（1-4） 、 （1-7）可得楔進條件為：221eeeftgtgt?????即 e （1-8）由式（1-3） 、 （1-7）可得：12N?由式（1-8）可知，當 2e???時，鋼球處于鎖止狀態(tài)。故保證了等速萬向節(jié)的等速性。151.4 參數(shù)確定1.4.1 萬向節(jié)軸徑和鋼球直徑對于球籠式萬向節(jié)，其軸徑尺寸 S(萬向節(jié)的名義尺寸)可按下面經(jīng)驗公式計算： ??max28.710FMS???:式中， F為使用因素影響系數(shù)，對傳動軸而言， FS的值越大，允許負荷就越小?？紤]輕型汽車使用條件主要為城區(qū)道路，故取 FS=1.2；maxM為傳動軸傳遞的最大扭矩。取動力輸出最大轉(zhuǎn)矩 158N:m，額定轉(zhuǎn)速 40n?r/min，主減速器傳動比 3.5i?，變速器一檔傳動比3.2gi。所以傳動軸最大扭矩為max0.58gMi???（N :m）經(jīng)計算 23.S?，由于球籠式萬向節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計系列標準，見表1。取 .8?，鋼球直徑為 18.0d?。16表 1 球籠萬向節(jié)系列數(shù)據(jù)（部分）名義尺寸單位75 87 95 100 113 125 150與星型套聯(lián)接的軸徑直接mm 19.1 22.2 23.8 25.4 28.6 31.8 38.1鋼球直徑 mm 14.288 16.669 18.000 19.050 21.431 23.812 28.575最大直徑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 鋼球回轉(zhuǎn)中心徑筒形外殼與星型套通過各自溝道曲率中心的鋼球回轉(zhuǎn)中心徑可按下式計算 ()eikDK??其中： ——鋼球回轉(zhuǎn)中心徑系數(shù)，一般取 0.52K?；ei——星型套內(nèi)花鍵大經(jīng)，為 26.60mm；kD——筒形外殼最大外徑，為 88mm。計算得， 59.?mm ?。?60㎜。1.4.3 筒形外殼溝道溝槽形狀及設(shè)計參數(shù)由于星型套滾道接觸點的縱向曲率半徑小于外半軸滾道的縱向曲率半徑，所以前者上的接觸橢圓比后者的要小，即前者的接觸應(yīng)力大于后者。因而與外滾道相比，內(nèi)滾道磨損較大，疲勞壽命較短，設(shè)計時應(yīng)著重控制鋼球與星型套滾道表面的接觸應(yīng)力，并以此確定萬向節(jié)花鍵齒數(shù) 19 23 23 23 25 18球殼外徑 mm 70 81 88 92 103 115 13718的承載能力。本設(shè)計采用雙偏心弧形的滾道形式，其主參數(shù)設(shè)計計算如下。1）溝道截面圓弧半徑筒形外殼溝道圓弧半徑可按下式計算 kRfd?取 0.52k，得 9.36kRm?。2）溝道接觸角鋼球與筒形外殼溝道截面圓弧的切點和鋼球中心線與鋼球縱向中心線的夾角 ?為接觸角，一般 45???。3）溝道圓弧與鋼球兩中心距的水平距離筒形外殼溝道截面圓弧中心與鋼球中心距的水平距離為 1sin2khRd?????????代入數(shù)據(jù)得： 0.5hm?。4）溝底間隙筒形外殼底部與鋼球的間隙可通過結(jié)構(gòu)分析由下式計算： 2kdRh???19代入數(shù)據(jù)得： 0.12m??1.4.4 溝道偏心距由于球籠式萬向節(jié)等速性的基本原理得，筒形外殼和星型套的溝道中心與各自球面中心的距離（偏心距）相等。由圖 1 的幾何關(guān)系可得偏心距 e為 1sin2AOBD??取 7??，計算得 3.60em?。星型套通過其溝道曲率中心的溝道截面形狀是同筒形外殼一樣的，也是關(guān)于鋼球中心對稱的雙偏心圓弧型，其主要參數(shù)的設(shè)計計算與筒形外殼相同。1.4.5 萬向節(jié)基本尺寸的確定1）傳力鋼球分布半徑由經(jīng)驗公式： (1.657)Rd??又知： 8d㎜得： 29.730.R?: ?。?30R?㎜2）球籠厚度20圖 3 球籠基本尺寸由公式： 0.185bd? 又 d㎜得： 3.b?㎜ 取： 3b?㎜3）星型套基本尺寸21圖 4 星型套基本尺寸星型套寬度由公式： 1.8Bd? 推出： 32.4B?㎜又知球籠厚度為 3㎜，鋼球分布半徑 30㎜，可推出星型套外徑 157D?㎜4）球籠寬度由公式： 1B?推出： 132.4㎜225）球籠槽的寬度由公式： 1bd?推出： 186）球籠槽長度由公式： 1(.38)ld?:推出： 12.94.l㎜?。?1l?㎜7）中心偏移距由公式： (0.12.5)hd?:推出： .6.7㎜?。?2.4h?㎜8）軸頸由公式： 1.4d?推出： 125.㎜9) 星型套花鍵外徑由公式： 21.5d?23推出： 27.9d?㎜?。?230?㎜10）筒形外殼滾道長度圖 5 筒形外殼基本尺寸由公式： 2.4ld?推出： 3.l.l?㎜取： 58l㎜11) 中心偏移角由公式： 45.????2 萬向節(jié)運動分析與力學分析242.1 鋼球的運動分析2.1.1 鋼球的運動軌跡在球籠式等速萬向節(jié)中，鋼球是主要的傳力部件，鋼球的運動對萬向節(jié)的工作能力和性能騎著舉足輕重的作用。在工作時，鋼球的每個方向都有機會傳遞扭矩。因此對鋼球的運動規(guī)律和手里情況必須進行細致的分析。圖 6 鋼球的運動如圖 6（a）所示，當主動軸與從動軸之間沒有夾角時，鋼球的運動平面?zhèn)鲃虞S垂直，此時，鋼球的運動軌跡為圓。 22xzr??（2-1）當主動軸與從動軸之間存在夾角 0?之后，鋼球的運動平面不再與軸垂直（對于球籠式等速萬向節(jié)，存在 0/2偏差） ，因此，當豬都25周旋轉(zhuǎn)時，鋼球有三種運動分量：（1） 收轉(zhuǎn)軸的牽連，繞軸線作周而復(fù)始的圓周運動，鋼球的運動軌跡為橢圓，如圖 6（a） 。（2） 沿軸向（平行于軸線）作往復(fù)的曲線運動，鋼球處于橢圓的短軸位置時，產(chǎn)生軸向位移，橢圓長軸的兩端點，對應(yīng)軸向運動的邊界轉(zhuǎn)動一周，每個鋼球在此區(qū)間內(nèi)，往返一次，如圖 6（c） 。（3） 沿徑向（垂直與軸線）作往復(fù)的直線運動，鋼球處于橢圓的短軸位置時，為運動的最低點；處于橢圓的長軸位置時，為運動的最高點；轉(zhuǎn)動一周，每個鋼球在最高和最低點的區(qū)間里，往返兩次，如圖 6（d） 。對應(yīng)于上述三種運動變量，分別計算鋼球的線速度和線加速度，由于為考慮兩軸間夾角變化，此處不計哥氏加速度。假設(shè)鋼球的軌跡方程式為： 21xzab??（2-2）0tn?:（2-3）式中：a——橢圓短軸；26b——橢圓長軸；0?——傳動軸角速度。又 ? ar? 0/cos(/2)b? （r 為鋼球分布圓半徑）推出 222000sc(/)sinxzttt?????:（2-4）式中： 為橢圓上任意點到萬向節(jié)中心的距離。2.1.2 鋼球沿 y 軸方向運動當萬向節(jié)輛傳動軸之間沒有夾角時，萬向節(jié)的傳力平面與傳動軸垂直，鋼球沒有軸向運動。當傳動之間夾角為 0?時，鋼球產(chǎn)生軸向運動。在 y 軸方向，鋼球主要受內(nèi)滾道軌道的限制。此時，鋼球沿內(nèi)滾道作曲線運動，如圖 6（c）所示。由鋼球的運動軌跡和圖 6（c）可知，00sinsi2yz???:（2-5）?0izt??0sin2yt???:（2-6）對 y 求導，解得鋼球的 y 向速度和 y 向加速度為：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 鋼球沿徑向運動如前所述，鋼球在徑向，即在 z 方向上，做往復(fù)的直線運動。此時，有力學分析可得：徑向速度： 20032 2sin()i(cos)rrtdpVt t????:（2-9）徑向加速度： 20052 220 0003222(sin)icos)si()co(incs)r ttdpart tt????? ?? ?????? ?? ?（2-10）282.1.4 鋼球的切向速度與切向加速度由于鋼球在任意瞬時，即有沿軸向的運動，又有沿徑向的運動，還有與傳動軸在一起的牽連運動。將其簡化，可以認為在傳力平面上，鋼球的速度為切向速度，加速度為切向加速度，如圖 7 所示。圖 7 鋼球的瞬時速度與加速度29由理論力學可得：切向速度： v??? （2-11）切向加速度： 01220220 032220sinta(coi)sinsi()(csin)rdvdatttttrtt???????? ?? ????? ?? ?:（2-12）2.2 萬向節(jié)受力分析2.2.1 鋼球位置計算由上述可知，在兩軸之間存在夾角時，鋼球運動軌跡為橢圓，且鋼球還有軸向和徑向運動，所以騎運動非常復(fù)雜。在對萬向節(jié)進行受力分析時，必須首相確定某一瞬時鋼球的位置。如前所述，鋼球的橢圓軌跡為：橢圓方程： 21xzab??（2-13）式中：