球笼式万向节设计.docx

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球笼式万向节设计

作者：

xxx；指导老师：

xxx

（xxx大学工学院2011级车辆工程专业合肥230036）

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本文档是独立自主完成的毕业设计，只可用于学习交流，不可用于商业活动。

另外，有需要电子档的同学可以加我36，我保留着毕设的全套资料，旨在互相帮助，共同进步，建设社会主义和谐社会。

同进步，建设社会主义和谐社会。

摘要：

球笼式万向节是上个世纪六七十年代快捷发展出来的一种万向节，它的特点是密封性好、同步性好、紧凑、结构简单、寿命长、承重效果好、效率高、角位移大。

它主要应用于起重机、拖拉机、汽车、纺织、医疗等领域。

本设计基于对汽车传动系统布局结构的设计，以确定球笼式万向节的结构特性和其他参数。

对于球笼式万向节等速性的运动，受力，效率和寿命有了深入的分析。

选择了材料分析过程中的重要部分和零件，并采用三维绘图软件PRO-E进行了分析。

关键词：

球笼式万向节；结构；设计；分析；选择；寿命校核

1绪论

球笼式等速万向节是奥地利于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。

Birfield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。

2结构分析

球笼式万向节是目前应用最为广泛的等速万向节。

早期的Rzeppa型球笼式万向节（图1—a）是带分度杆的，球形壳1的内表面和星形套3的球表面上各有沿圆周均匀分布的六条同心的圆弧滚道，在它们之间装有六个传力钢球2，这些钢球由球笼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。

这种等速万向节无论转动方向如何，六个钢球全都传递转矩，它可在两轴之间的夹角达35°～37°的情况下工作。

目前结构较为简单、应用较为广泛的是Birfield型球笼式万向节（图1—b）。

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（图1c）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°。

Rzeppa型球笼式万向节以前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，以补偿由于前轮跳动及载荷变化而引起的轮距变化。

伸缩型万向节还被广泛地应用到断开式驱动桥中。

图1.球笼式万向节

3球笼式万向节设计

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—87。

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2按如下关系确定：

图2.球笼式万向节基本尺寸

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°

球笼式万向节的等速性的分析

从结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,不论有无轴间角,沿着6个钢球球心所在的平面剖开,都可建立图3所示的结构。

设星形套沟道和钢球的共轭接触点（或区）半径为R1,钟形壳沟道和钢球的共轭接触点的半径为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轭部分,因此存在ω钟A=ω球A,同理ω星B=ω球B,同一个钢球具有同一个角速度,即ω球A=ω球B,因此存在ω钟=ω球=ω星,这就充分证明球笼式万向节内部每一部件的角速度都相同,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联接为同一个整体,因此具有相同的角速度。

图3

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。

参见图4,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

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OO2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V1=O1A·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

设OA=R（钢球回转半径）,设偏心距OO1=e1,OO2=e2由几何关系可得:

O1A=R/cosγA1，O2A=R/cosγA2，由上式得

，

，所以

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V1≠V2,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=O1B/BG,由于O1B=O1A,在文献中已经证明BG=O2A,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/V2=cosγA2/cosγA1=cosγB2/cosγB1。

也可以认为O1A和O2A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

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。

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

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

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

DOJ伸缩式球笼万向节

钢球的直径（mm）

钢球中心分布圆半径（mm）

R=1．71d

星形套宽度（mm）

B=1．8d

万向节外径（mm）

D=4．9d

球笼宽度（mm）

B1=1．8d

星形套滚道底径（mm）

Dl=2．5d

球笼厚度（mm）

b=0．185d

球笼槽宽度（mm）

b1=d

球笼槽长度（mm）

滚道中心偏移距（mm）

h=0．18d

—

轴颈直径（mm）

d′≥1．4d

星形套花键外径（mm）

D2≥1．55d

球形壳外滚道长度（mm）

L1=2．4d

中心偏移角（°）

δ≥6°

—

球笼式万向节的寿命校核

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

Peff=86KW（n=5500r/min）

最大转矩

Mmax=145N·m（nm=3300r/min）

汽车总质量

G=16758N

前轴许用载荷

GF=7200N

驱动桥传动比

iA=

满载重心高度

滚动半径

Rr=

表三：

变速器变速比

档位

变速箱is

各档的利用率为1~5档分别是1%、6%、18%、30%和45%，汽车至少有10万km的寿命。

转矩校核。

摩擦系数μ=1；振动系数Ks=。

汽车以μ=1和Ks=时最大转矩启动，以最大发动机转矩的2/3驱动而各挡匀速，计算其起动转矩MA和附加转矩MH。

计算额定转矩为MN=2650N·m

MA=

MmiAiS=

×145××≈2113（N·m）≤2650（N·m）

Mh=KSμ

Rr=×1×

×≈1218（N·m）≤2650（N·m）

故满足设计要求

校核使用寿命，具体计算结构如下表

表四:

汽车的校核使用寿命计算表

挡位

ix=is×iA

nx=nm/ix

226

386

618

851

1006

vx=

Mx=

MMix

713

414

258

188

159

Lhx=

（nx≤1000r/min）

Lhx=

（nx≥1000r/min）

ax-各档传动利用率；ix-总传动比；nx-最大转矩时的转速；vx-路面行驶速度；Mx-转矩；Lhx-使用寿命；Md-动态转矩。

由表可得

所以Lh=，汽车的平均行驶速度为

Vav=×+×+×+×+×=（km/h）

其使用寿命为

Ls=×≈148011（km）＞10万km

故满足使用要求。

同理，伸缩性万向节的使用寿命为

Ls=××（367/360）3≈156813（km）＞10万km

同样满足使用要求。

传动轴的校核。

由于等速万向节总成采用双向万向节，传动轴只受扭矩而不受弯矩。

因此，只要对其进行扭转强度校核。

轴径最小处为D=25mm，抗扭截面模量为

Wp=

τmax=

4.零件的三维造型及二维装配图绘制

概论

三维造型实体模型除了可以将用户的设计思想—最真实的模型在计算机上表现出来之外，借助于系统参数，用户还可以随时计算出产品的体积、面积、重心、惯性大小等，以了解产品的真实性，并弥补传统面结构、线结构的不足。

用户在产品设计过程中，可以随时掌握以上重点，设计物理参数，并减少许多人为的计算时间。

利用三维造型实体模型生成二维工程图，并且自动标注工程尺寸。

不论在三维造型还是二维图形上做尺寸修改，其相关的二维和三维造型实体模型均自动修改，同时，装配、制造等相关设计也会自动修改，这样可以确保数据的准确性，避免反复修改耗时。

由于单一数据库，提供了双向关联性的功能，这也符合了现代产品中的同步工程思想。

通过前面的球笼式万向节的设计计算，已初步确定了各零件的主要尺寸，接下来将对各零件生成三维造型，在设计过程中许多尺寸需进行适当地调整，所以采用了参数化设计。

运用Pro/e和AutoCAD对该设计进行了辅助分析。

型球笼式万向节的设计

模型三维装配图

图8

型球笼式万向节钢球的设计

图9

型球笼式万向节保持架的设计

图10

型球笼式万向节星型套的设计

图11

型球笼式万向节球形罩的设计

图12

型球笼式等速万向节的设计

模型三维装配图

图13

型球笼式等速万向节筒型罩的设计

图14

型球笼式等速万向节星型套的设计

图15

三维造型DOJ型球笼式万向节保持架的设计

图16

型球笼式万向节挡盖的设计

图17

球笼式等速万向节传动轴其他零件的设计

卡簧的设计

图18

防尘罩的设计

图19

传动轴的设计

图20

总体结构模型三维装配图

结论

在这次毕业设计中，我设计的题目是：

球笼式等速万向节。

虽然在之前所学的课程中很少涉及这方面的知识，但是通过了本次设计我对万向节都有了很深一步的理解，而且知道了万向节的等速原理，万向节的各方面都有了不同的见解。

而且这次设计让我对所学习的绘图软件AutoCAD和Pro-e更加的熟悉，在我以后的工作和生活中都会有很大的帮助。

这次设计给我最大的感触就是，只要心中有不放弃、不服输的劲儿，我们就能成功我们就能克服所有困难。

还有就是对陌生事物的自学能力，我相信这次设计将会对我以后的工作和日常生活都会有很大的帮助。

致谢

为期三个多月的毕业的设计，我非常感谢我的导师黄莉莉。

由于经验的匮乏，在设计过程中难免有许多问题会考虑不周，如果没有黄老师的悉心指导与督促，毕业设计不会这么顺利的完成。

毕业设计过程中，黄老师耐心的指导使我受益匪浅，她扎实的理论知识与丰富的实践经验给我留下了深刻的印象，也正是老师认真负责的教学态度使我从毕业设计中真正的学会了学以致用，将课本知识与实践中所遇到的问题相联系，整合了自己在校所学的专业知识，同时提高了我发现问题、解决问题的能力。

在此，我向黄老师致以最真诚的敬意。

在最后我要感谢学校、学院对我们的培养，为我们的学习以及毕业设计创造良好环境、提供便利条件。

伴随着毕业设计的结束，我们也将离开校园，有过少耕耘就有多少收获，相信我们走出校园后能将自己的价值体现出来，回报父母、回报学校，为社会做自己力所能及的贡献。

再一次感谢在毕业设计中给予我帮助的老师和同学们，祝大家在今后的工作和生活中一切顺利。

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11WangHuanling,XuGeologicalVisualModelandNumericalModelBasedontheSecondaryDevelopmentTechnologyofCAD[C].hemicalEngineeringProgress,2011

TitleCage-typeuniversaljointdesign

ABSTRACT

Cage-typeuniversaljointisthelast1960sand1970squicklydevelopedauniversalfestival,whichischaracterizedbytightness,synchronization,compact,simplestructure,longlife,bearinggoodresults,highefficiencyangulardisplacementlarge.Itismainlyusedcranes,tractors,automobiles,textiles,medicalandotherfields.Thedesignisbasedonthedesignofautomotivedr

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