球笼式万向节设计
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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 ,使另一端也等速旋 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。
图4
3.1.3 球笼式万向节线速度的分析
图5所示是球笼式万向节形成轴间角的运动 原理图。当球笼式万向节没有形成轴间角时 ,钟 形壳轴线 OO 2 和星形套轴线 OO1 重合 ,钢球球 心为 A 点 ,在第三平面 C(OA 所在平面)中, 任 一钢球中心点 A 的线速度为 VA =ω1·OA(对于 主动轴), V′A =ω2·OA(对于从动轴), 由于存在 ω1 =ω2 , 因此存在 VA =V′A , 说明 B 平面(主动 轴)的线速度和 A 平面(从动轴)的线速度经投影后在 C 平面上的线速度是相等的。在 B 平面和A 平面中 ,主动轴线速度 V 1=O 1 A ·ω1，线速度 V2 =O2A·ω2，由于球笼等速万向节存在ω1=ω2 ,所以存在下式
V1O1A? V2O2A设 OA =R (钢球回转半径), 设偏心距 OO 1=e1, OO 2 =e2 由几何关系可得:O 1 A =R/cosγA1，O2A=R/cosγA2，由上式得
V1cos?A1?V2cos?A2O1A?R2?e1，O2A?R2?e2，所以
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V1?V2R2?e1222R?e2
球笼式万向节设计
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上式表明 ,在 C 平面上的 A 点沿 γ1 角投影 为 B 平面上的主动轴线速度, 沿 γ2 角投影为 A 平面上的从动轴线速度, 反过来也可认为由 γ1 角 和 γ2 角就可以确定 C 平面。上式表明 ,主动轴的线速度 V1 和从动轴的 线速度 V2 的比值是由球笼式万向节偏心距决定 的。只有当 e1 =e2 时 , 才存在 V1 =V2 , 球笼式 万向节才存在 α=2β 这一特性。如果 e1 ≠e2 ,就 必然存在 V 1 ≠V 2 , α≠2β ,但它们的角速度都相 等,具备同步性。当球笼式万向节形成轴间角 α时, 钢球转角 为 β , 钢球从点 A 移至点 B 。在 B 点时, VB1/VB2 =O1 B/BG ,由于 O1 B =O1 A , 在文献中已经证明 B G =O 2 A , 因此在形成轴间角的过程 中,(1)式永远成立。由于 γB1 ≠γ1, γB2 ≠γ2, 在钢球转动形成 β 角时 , 投影角度随时发生变化, 但投影角度比值是固定不变的。上式可改写为V1/ V 2 =cosγA2/cos γA1 =cosγB2/cosγB1 。也可以 认为 O1 A 和O 2 A 为刚性连杆, 在形成轴间角的 过程中,连杆长度是不变的,但在钢球移动到不同 位置时两连杆间的夹角发生变化。
图5
3.2球笼式万向节方案分析与形式选择
3.2.1球笼式万向节方案分析与形式选择
目前运用较广的是结构简单的固定式球笼万向节和伸缩型万向节。固定式球笼万向节它取消了分度杆，球形壳和星形套的滚道做得不同心，令其圆心对称地偏离万向节中心。这样，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。当轴间夹角为0’时，内、外滚道决定的钢球中心轨迹的夹
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角稍大于11°，这是能可靠地确定钢球正确位置的最小角度。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选为钢球半径的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。由于工作时球的每个方向都有机会传递转矩，且由于球和球笼的配合是球形的，因此对这种万向节的润滑应给予足够的重视。润滑剂的使用主要取决于传动的转速和角度。在转速高达1500r／min时，一般使用防锈油脂。若转速和角度都较大时，则使用润滑油。比较好的方法是采用油浴和循环油润滑。另外，万向节的密封装置应保证润滑剂不漏出，根据传动角度的大小采取不同形式的密封装置。这种万向节允许的工作角可达42°。由于传递转矩时六个钢球均同时参加工作，其承载能力和耐冲击能力强，效率高，结构紧凑，安装方便。但是滚道的制造精度高，成本较高。
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中的滑动花键。这不仅使结构简单，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°。
鉴于上述的对于两种万向节的论述，结合设计要点，本设计采用一端固定式球笼式万向节另一端采用伸缩性球笼式万向节。 3.2.2零部件的结构分析与形式选择。
球笼式等速万向节的外圈 (钟形壳、筒形壳)、内圈(星形套)和保持架三大部 件构成了两对球面运动副 ,即外圈内球面和保持 架外球面 ;内圈外球面和保持架内球面 , 如图 6、 图7。保持架引导外圈(内圈)沿保持架球面相对运动, 使等速万向节的输入轴与输出轴可不在同 一直线上, 但能保证钢球中心圆平面处于输入轴 与输出轴的角平分平面上。保持架的内(外)球面与外圈(内圈)球面球心在理论上应重合且无间 隙,以满足万向节的等速性要求。实际上加工制 造中不可避免地存在误差 ,而且球面运动副间相 互运动需要有足够的配合间隙 ,以贮藏润滑剂,故 产品设计时应给出球面配合尺寸的公差及公差 带,控制球面运动副的间隙。球笼式等速万向节 的球面运动副配合间隙对其性能有很大的影响, 如球面运动副间隙过大, 回转方向间隙、不等速性 变大 ,等速万向节会产生冲击、噪声 ,除此之外,还 会受其他驱动系统的影响产生振动;如果球面运 动副间隙过小 ,使零件磨损加大、寿命降低等。因 此,球笼式等速万向节球面运动副配合间隙在设 计上要有较严格的要求, 以保证最佳的配合间隙。RF固定球笼式万向节与其他结构的固定式球笼万向相比由于滚道在径向截面上为圆形，钢球
球笼式万向节设计
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与滚道为两点接触的中心固定型等速万向节，所以制造工艺简单，承载能力也较强，使用寿命比较长。而DOJ型的伸缩式万向节由于采用的是直滚道所以设计制造简单，成本较低。
图6
图7
3.3RF型球笼式万向节的设计计算
RF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 d?3TS
2.1?104式中，d为传力钢球直径(mm)；Ts 为万向节的计算转矩(N·mm)，TS = min[Tse，Tss]。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下表一。
表一：球笼式万向节主要参数表
计算内容 计算公式 RF型球笼式万向节 17.462 DOJ伸缩式球笼万向节 17.462 钢球的直径（mm） 钢球中心分布圆半径（mm） d?3TS 42.1?10R=1．71d 30 30
球笼式万向节设计
星形套宽度（mm） 万向节外径 （mm） 球笼宽度 （mm） 星形套滚道底径（mm） 球笼厚度 （mm） 球笼槽宽度 （mm） 球笼槽长度（mm） 滚道中心偏移距（mm） 轴颈直径 （mm） 星形套花键外径（mm） 球形壳外滚道长度（mm） 中心偏移角 （°） B=1．8d D=4．9d B1=1．8d Dl=2．5d b=0．185d b1=d L=1.3d h=0．18d d′ ≥1．4d D2≥1．55d 31 86 31 44 3 17 23 3 25 27 第 10 页 共 10 页
31 86 31 44 3 17 23 — 25 24 L1=2．4d 42 42 δ≥6° — — 3.4球笼式万向节的寿命校核
3.4.1给定如下某汽车参数表如下所示
表二：某汽车总体参数表
最大发动机功率 最大转矩 汽车总质量 前轴许用载荷 驱动桥传动比 满载重心高度 滚动半径 Peff=86KW(n=5500r/min) Mmax=145N·m（nm=3300r/min） G=16758N GF=7200N iA=4.111 h=0.5m Rr=0.249m