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西南科技大學城市學院本科生畢業(yè)論文
摘要
球籠式萬向節(jié)又稱等速萬向節(jié)，是汽車傳遞動力所需的一種重要部件。球籠式萬向節(jié)由發(fā)明至今以有了很成熟的發(fā)展。本課題在分析現(xiàn)有球籠式萬向節(jié)的特點的基礎上，然后結合課題任務的要求，提出了球籠式萬向節(jié)的總體設計方案，一端采用固定式球籠式萬向節(jié)另一端采用伸縮性球籠式萬向節(jié)。根據(jù)汽車傳動系統(tǒng)的結構和功能特性，確定了球籠式萬向節(jié)的結構特性和其他參數(shù)；并對球籠式萬向節(jié)等速性的運動，受力，效率和壽命進行了分析；根據(jù)工作要求對重要零件進行了材料選擇；并且用solidworks三維軟件做三維造型。最后對該球籠式萬向節(jié)的技術經濟性進行了分析，探究了其市場前景和優(yōu)勢。
關鍵字：球籠式萬向節(jié)，solidworks，材料選擇
Abstract
The ball cage type universal joint is also called the constant velocity universal joint, which is an important part of the vehicle to transmit power. The ball cage type universal joint has developed very well since its invention. On the basis of the analysis of the characteristics of the existing ball - cage universal joints and the requirements of the task, the overall design scheme of the cage type universal joint is put forward, and the other end of the fixed ball cage is used for the telescopic ball cage type universal joint. According to the structure and function characteristics of the automobile transmission system, the structure characteristics and other parameters of the ball cage type universal joint are determined, and the motion, force, efficiency and life of the ball cage type universal joint are analyzed, the material selection is made on the important parts according to the work requirements, and the 3D modeling is made with solidworks 3D software. Finally, the technical and economic characteristics of the ball cage type universal joint are analyzed, and its market prospects and advantages are explored.
Key words: ball cage type universal joint, solidworks, material selection
目 錄
1 緒論 1
1.1 課題來源及意義 1
1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.2.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.3 本文內容安排 3
2 總體方案選擇與設計 4
2.1 總體方案設計 4
2.2 總體方案設計 5
2.3 本章小結 6
3 關鍵零部件設計 7
3.1 等速性分析 7
3.2 設計參數(shù)確定 8
3.2.1 萬向節(jié)軸徑與鋼球直徑 8
3.2.2 鋼球回轉中心直徑 9
3.2.3 鐘形殼滾道偏心距 9
3.2.4 基本尺寸 9
3.2 本章小節(jié) 10
4 壽命校核 11
4.1 轉矩校核 11
4.2 壽命校核 11
4.3 傳動軸校核 13
4.4 本章小節(jié) 13
5 各主要零部件材料選擇與熱處理工藝 14
6 技術經濟性分析 15
6.1 成本估算 15
6.2 市場前景 15
7 結束語 16
參考文獻 17
1 緒論
1.1 課題來源及意義
本課題為自選課題，如今汽車銷量不斷增加，汽車零部件需求也急劇增加，球籠式萬向節(jié)作為汽車傳動系統(tǒng)中的重要部件也得到了長足的發(fā)展，技術逐漸成熟。本課題以目前市場上成熟的球籠式萬向節(jié)作為參考，熟悉各式萬向節(jié)的結構進行本課題的設計。為將來對球籠式萬向節(jié)進行研究奠定基礎。
1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀
自從1886年第一輛汽車發(fā)明以來，汽車工業(yè)得到了長足的發(fā)展，與此同時能源的消耗也與日俱增，人們對汽車經濟性的要求也越來越高。于是經濟性較好的前驅車由此得到發(fā)展。而作為前驅車驅動動力的一個重要部件，等速萬向節(jié)也得到了長足發(fā)展與完善。等速萬向節(jié)是由維斯（C.W.Weiss）于1923年發(fā)明，之后人們在此基礎上又陸續(xù)發(fā)明了球叉式、雙聯(lián)式、凸塊式、球籠式等各種等速萬向節(jié)。其中，球籠式萬向節(jié)是應用最廣泛的一種等速萬向節(jié)。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），之后又進行多次改良和完善。1958年英國波菲爾（Birfidld）集團哈迪佩塞公司成功研制了球籠聯(lián)軸器（稱Birfield型，簡稱BJ型）。1963年日本東洋軸承株式會社引進這項新技術，進行了大量生產、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。球籠式萬向節(jié)因其高效率、低油耗和較大的承載能力受到各大汽車公司的青睞，這些公司也對球籠式萬向節(jié)進行了大量的改進工作，每個公司也都形成了自己的系列產品。目前在歐洲和美國至少有超過半數(shù)的汽車采用球籠式萬向節(jié)，而在日本這一比例甚至達到90%。本田公司改良型球籠式萬向節(jié)最大偏轉角度達到50°，其滾道鍛造成型工藝技術也處于世界領先水平。GKN公司采用材料合成技術發(fā)展了一種新型構造的球籠式萬向節(jié)，毛坯經過熱壓成型而不需要機械加工，其重量低于60克，大大節(jié)省了材料。但在國外人們主要重視球籠式萬向節(jié)的使用性能和使用壽命，而對它的理論研究所涉不多。圖1.1是日本本田公司生產的一款球籠式萬向節(jié)。
圖1.1 本田HO-003型球籠式萬向節(jié)
1.2.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀
眾所周知，我國于上世紀60年代才生產出自己的第一臺解放牌汽車，改革開放后汽車工業(yè)雖得到了突飛猛進的發(fā)展，但其關鍵零部件技術相對于國外仍然十分滯后。在八十年代之前，我國很少制造并使用球籠式萬向節(jié)，對其進行的研究更是甚少。我國當時引進的汽車如桑塔納、奧迪、夏利等所采用的球籠式萬向節(jié)均需進口。之后我國開始大量制造汽車，尤其是前驅汽車的需求也開始劇增，人們才開始對球籠式萬向節(jié)有了更深刻的認識，為了突破其技術瓶頸打破國外壟斷，我國開始自行研制球籠式萬向節(jié)。天津汽車研究所、襄陽軸承研究所、上海汽車研究所以及其他的一些單位作了大量的研究并取得了一定的研究成果，但仍有待深入。圖1.2是我國天碩公司生產的一款球籠式萬向節(jié)
圖1.2 天碩SWC型球籠式萬向節(jié)
1.3 本文內容安排
本文接下來主要介紹球籠式萬向節(jié)的設計計算工作，根據(jù)畢業(yè)設計任務書要求，本文內容安排如下：
第1章 緒論：主要介紹球籠式萬向節(jié)的發(fā)展歷史和國內外研究現(xiàn)狀和行業(yè)特點，對比了國內和國外球籠式萬向節(jié)發(fā)展的方式的不同，探究了國內球籠式萬向節(jié)發(fā)展的不足。
第2章 總體設計：首先對比研究了目前比較受歡迎并且成熟的產品。分析了它們的特點和各自的優(yōu)勢。然后綜合考慮本設計的要求，最終提出自己的解決方案。
第3章 等速性證明與參數(shù)確定：查閱相關資料并經過自己獨立思考設計關鍵零部件，根據(jù)其功能要求確定尺寸參數(shù)，并對其等速性進行了理論證明。
第4章 運動與受力分析：根據(jù)總體設計要求，對球籠工作時的運動軌跡進行了深入分析，并根據(jù)其工作要求對它所承受的載荷進行了計算和校核。
第5章 技術經濟分析：分析其市場前景與使用效率，估算其成本，探究其市場推廣可行性和優(yōu)勢。
第6章 結束語：總結全文的出的結論，提出本設計的不足之處。
2 總體方案選擇與設計
2.1 總體方案設計
通過市場調研，目前運用較為廣泛的是固定式球籠萬向節(jié)與伸縮型球籠萬向節(jié)。固定式球籠萬向節(jié)取消了分度桿，使鐘形殼和星形套的滾道圓心相對于萬向節(jié)中心對稱偏離。使得軸間夾角為0°時，因為內、外滾道的交叉，鋼球也可以正確固定在正確位置上。當軸間夾角為0°時，內、外滾道決定的鋼球中心軌跡的夾角稍大于13°，這是能可靠定位鋼球的最小角度。滾道的橫斷面為橢圓形，鋼球與滾道的接觸點和球心的連線與過球心的徑向線成45°角，鋼球與滾道接觸點處的曲率半徑為鋼球半徑的1.3～1.5倍。當受載時，鋼球與滾道的接觸點實際上為橢圓形接觸區(qū)。由于工作時球的每個方向都有機會傳遞轉矩，且由于球和球籠的配合是球形的，因此對這種萬向節(jié)的潤滑應給予足夠的重視。潤滑劑的使用主要取決于傳動的轉速和角度。在轉速高達1500r/min時，一般使用防銹油脂。若轉速和角度都較大時，則使用潤滑油。比較好的方法是采用油浴和循環(huán)油潤滑。另外，萬向節(jié)的密封裝置應保證潤滑劑不漏出，根據(jù)傳動角度的大小采取不同形式的密封裝置。這種萬向節(jié)允許的工作角可達42°。由于傳遞轉矩時六個鋼球均同時參加工作，其承載能力和耐沖擊能力強，效率高，結構緊湊，安裝方便。但是滾道的制造精度高，成本較高。
伸縮型球籠式萬向節(jié)結構與一般球籠式相近，僅僅外滾道為直槽。在傳遞轉矩時，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中的滑動花鍵。這不僅使結構簡單，而且由于軸向相對移動是通過鋼球沿內、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°。
鑒于上述的對于兩種萬向節(jié)的論述，結合設計要點，本設計采用一端固定式球籠式萬向節(jié)另一端采用伸縮性球籠式萬向節(jié)。
2.2 總體方案設計
早期的Rzeppa型球籠式萬向節(jié)(如圖2.1)內部安裝有分度桿的，星型套外表面上加工有六道滾動槽，鋼球可在滾動槽中沿著與星型套中心軸線平行的圓上做一定角度的圓周運動，鐘形殼內表面上加工有與星型套滾動槽互相彌合的內槽，鋼球2在內槽與外槽之間滾動，而球籠則保證了6個鋼球處于同一平面內。汽車行駛或轉彎時萬向節(jié)兩端傳動軸有一定角度擺動，此時分度桿6撥動導向盤5，六個鋼球2沿滾動槽轉動并處于兩端軸間夾角的平分面上。經驗表明，當兩端傳動軸擺動角度不大時，分度桿的作用是不可缺少的；當兩端傳動軸角度擺動超過12°，單獨靠鐘形殼和星形套上的滾道交叉也可將鋼球固定在正確位置。這種等速萬向節(jié)不管往哪個方向轉動，六個鋼球全都傳遞轉矩，傳動軸擺動角度可達35°。
而Birfield型球籠式萬向節(jié)(圖2.2)取消了分度桿，鐘形殼和星形套的滾道圓心對稱地偏離球籠中心。這樣，即使傳動軸相互之間不偏轉，僅靠鐘形殼和星形套的滾道的交叉也可以將鋼球固定在正確位置。當兩端軸不偏轉時，鐘形殼和星形套的滾道決定的鋼球沿槽滾動的角度稍大于12°，這是能可靠地定位鋼球正確位置的最小角度。鐘形殼和星型套的滾道的橫截面為橢圓曲形，鋼球和滾槽的接觸點和球心的連線與過球心的徑向線成45°，橢圓在接觸點處的曲率半徑為鋼球半徑的1.3～1.5倍。當受載時，鋼球與滾道的接觸點實際上為橢圓形接觸區(qū)。由于工作時球的每個方向都有機會傳遞轉矩。由于傳遞轉矩時六個鋼球均同時參加工作，其承載能力和耐沖擊能力強，效率高，結構緊湊，安裝方便。但是滾道的制造精度高，成本較高。
伸縮型球籠式萬向節(jié)(圖2.3)結構與一般球籠式萬向節(jié)相似，但外滾道為直槽。在傳遞轉矩時，星形套與鐘形殼可以沿軸向相對移動，相對于其他形式的萬向節(jié)不需要滑動花鍵。結構更加簡單，而且由于軸向相對移動是通過鋼球沿內、外滾道滾動實現(xiàn)的，所以滾動阻力小，傳動效率高。這種萬向節(jié)允許的工作最大夾角為20°。
綜上分析本課題所設計的球籠式萬向節(jié)采用下圖結構，如圖2.4。
圖2.4 球籠式萬向節(jié)結構圖
2.3 本章小結
本章主要進行了球籠式萬向節(jié)的方案選擇與結構設計，通過比較市場現(xiàn)有的球籠式萬向節(jié)的類型和所選用的結構特點，結合本課題的要求，最終選定了一端固定式一端伸縮型，既使結構簡單，成本低廉，又滿足了課題要求。
3 關鍵零部件設計
3.1 等速性分析
球籠式萬向節(jié)的等速性是由本身的結構所決定的,無論兩端傳動軸間是否有角度擺動,沿著6個鋼球球心所在的平面剖開,結構如圖3.1所示。設星形套滾道和鋼球的共軛接觸點半徑為R1,鐘形殼滾道和鋼球的共軛接觸點的半徑為R2,設鋼球回轉半徑為R,接觸點A既在鐘形殼溝道上也在鋼球上,所以接觸區(qū)為鐘形殼溝道和鋼球的共軛部分,因此存在ω鐘A =ω球A ,同理ω星B =ω球B,同一個鋼球具有同一個角速度,即ω球A =ω球B ,因此存在ω鐘=ω球=ω星,這就充分證明球籠式萬向節(jié)內部每一部件的角速度都相同,即整個球籠式萬向節(jié)具有等速性。也可理解為鋼球是一種鏈,它把鐘形殼和星形套聯(lián)接為同一個整體, 因此具有相同的角速度。
圖3.1 萬向節(jié)鋼球剖面結構圖
投影學認為：當輸入軸和輸出軸的傳動點始終位于輸入和輸出連接角的某一個平面上，且這個平面是唯一的，這個機構具有等速性。參見圖4.1，對球籠式萬向節(jié),A面和B面的兩 個圓在C平面上的投影是一致的,C平面也就是6個鋼球球心所在的平面, 因此證明球籠式萬向節(jié)具有等速性.也可以這樣理解：把一根橡膠管彎曲后, 使其一端等速旋轉, 結果是中間彎曲部分不斷產生拉伸和壓縮 ,把力傳遞給另一端，使另一端也等速旋轉。這樣理解等速性，就可以把球籠式萬向節(jié)和撓性聯(lián)軸器看成同一種結構。
圖4.1 投影學原理圖
3.2 設計參數(shù)確定
3.2.1 萬向節(jié)軸徑與鋼球直徑
1）萬向節(jié)軸徑
球籠式萬向節(jié)軸徑尺寸S (mm)可按公示3-1確定：
S=MmaxSF/8.72×10-2。 (3-1)
式中：Mmax為傳動軸傳遞的最大扭矩，根據(jù)經驗取Mmax=884.8 N?m；SF為使用因素影響系數(shù)，取SF=1.2。
S=884.8×1.2/8.72×10-2=23.02 mm。
由表3-1取S=23.8。
2）鋼球直徑
球籠式萬向節(jié)在傳遞轉矩時6個鋼球均勻受載，鋼球的直徑d可按式3-2確定：
d=3TS/2.1×104。 (3-2)
式中：TS為萬向節(jié)的計算轉矩(N?mm)，取TS=1.18×106N?mm。
d=31.18×106/2.1×104=17.8 mm。
由表3-1取d=18。
表3-1 球籠式萬向節(jié)系列數(shù)據(jù)
名義
尺寸（mm）
萬向節(jié)軸徑
19.1
22.2
23.8
25.4
28.6
鋼球直徑
14.288
16.669
18.000
19.050
23.812
3.2.2 鋼球回轉中心直徑
鐘形殼與星型套滾道的鋼球回轉中心直徑D(mm)可按公式3-3確定：
D=KDki+Dk。 (3-3)
式中：K為鋼球回轉中心系數(shù)，取K=0.52；Dki為星型套內花鍵大徑，取Dki=26.6mm；Dk為鐘形殼最大外徑，取Dk=88mm。
D=KDki+Dk=44 mm。
3.2.3 鐘形殼滾道偏心距
由球籠式萬向節(jié)等速性基本原理可知，鐘形殼與星型套的滾道與其球心偏心距相等，由圖3.1可知偏心距e可由公式3-4確定：
e=12Dsinθ2。 (3-4)
式中：θ=17°。
e=12Dsinθ2=3.6mm。
3.2.4 基本尺寸
由上述尺寸得球籠式萬向節(jié)基本尺寸如下表3.2：
表3.2 基本尺寸表
計算內容
計算公式
固定式球籠萬向節(jié)
伸縮型球籠萬向節(jié)
鋼球中心分布圓半（mm）
R=1.71d
30
30
星形套寬度（mm）
B=1.8d
31
31
球籠寬度（mm）
B1=1.8d
31
31
星形套滾道底（mm）
D1=2.5d
44
44
球籠厚度（mm）
b=0.185d
3
3
球籠槽寬度（mm）
b1=d
17
17
球籠槽長度（mm）
L=1.3d
23
23
星形套花鍵外（mm）
D2?1.55d
27
24
球形殼外滾道長度（mm）
L=2.4d
42
42
中心偏移角（°）
δ?6°
—
—
3.2 本章小節(jié)
本章主要從結構和投影原理方面證明了球籠式萬向節(jié)的等速性;根據(jù)相關手冊的計算公式計算了主要尺寸。
4 壽命校核
按照市場上多數(shù)汽車參數(shù)，以下校核參照下表4.1，表4.2參數(shù)：
表4.1 汽車參數(shù)表
最大發(fā)動機功率(kW)
P = 86kW
最大轉矩(N?m)
Mmax=145N?m
汽車總質量(kg)
G = 1675kg
前軸許用載荷(N)
Pa=7200N
驅動橋傳動比
iA=4.11
滿載重心高度(mm)
h = 500mm
滾動半徑(mm)
R = 249mm
表4.2 變速箱變速比
檔位
1
2
3
4
5
變速箱i
3.545
2.105
1.300
0.943
0.789
1~5檔利用率分別是1%、6%、18%、30%和45%，汽車至少有10萬km的壽命。
4.1 轉矩校核
汽車以μ=1和KS=1.2時最大轉矩啟動，以最大發(fā)動機轉矩的2/3驅動而各擋勻速，計算其起動轉矩MA和附加轉矩MH。計算額定轉矩為MN=2650N?m
MA=εμMmiAiS=11×145×4.11×3.54≈2113N?m≤2650N?m
MH=KSμGiAR=1.2×1×167584.11×0.249≈1218N?m≤2650N?m
滿足設計要求。
4.2 壽命校核
參照下表4.3校核使用壽命
表4.3 汽車校核使用壽命計算表
擋位
1
2
3
4
5
ax
0.01
0.06
0.18
0.30
0.45
ix=is×ia
14.57
8.56
5.34
3.88
3.28
nx=nm/ix
226
386
618
851
1006
vx=0.377Rrnx
21.2
42.1
58.0
79.9
94.4
Mx=Mmix/3
713
414
258
188
159
Lhx=25339nx0.577AxMdMx3
Lhx=470756nxAxMdMx3
120.6
452.4
1424.7
3061.6
4583.6
表中：ax-各檔傳動利用率；ix-總傳動比；nx-最大轉矩時的轉速；vx-路面行駛速度；Mx-轉矩；Lhx -使用壽命；Md-動態(tài)轉矩。
由表可得：
1Lh=axLh1+axLh2+axLh3+axLh4+axLh5=53.8×10-5
所以Lh=1858.7h，汽車平均行駛速度為：
vav=0.01×21.2+0.06×42.1+0.18×58+0.3×79.9=79.6km/h
其使用壽命為：
LS=1858.7×79.63≈148011km>100000km
故滿足使用要求。
4.3 傳動軸校核
由于球籠式等速萬向節(jié)采用雙向節(jié)，傳動軸只承受扭矩不承受彎矩。所以只對其進行扭轉強度校核。最小軸徑dmin=25mm。扭轉截面模量為：
wp=πD316=π×0.02533≈3.1×10-9m3
τ=MhWp=12183.1×10-9≈39.2MPa
滿足要求。
4.4 本章小節(jié)
本章根據(jù)相關手冊和課題要求，分別對轉矩、壽命、傳動軸進行了校核，均滿足要求。
5 各主要零部件材料選擇與熱處理工藝
根據(jù)課題要求和工作要求，選用各主要零部件材料和熱處理工藝如下表5.1。
表5.1 各零件材料和熱處理工藝
零件
材料
熱處理
鐘形殼
CF53
內表面淬火，硬度62HRC
星型套
CF53
淬火，硬度62HRC
軸
45
滲碳淬火，硬度58HRC
球籠
20CrMnTi
滲碳，深度0.6mm，硬度62HRC
鋼球
GCr15
_
6 技術經濟性分析
6.1 成本估算
球籠式萬向節(jié)的成本包括材料和加工費用。經過市場調查，材料費用大概120元，加工費用大概80元，總費用200元。
6.2 市場前景
目前經濟性較好的前驅車越來越受歡迎，各大車廠競相推出新款前驅車，汽車所需的球籠式萬向節(jié)也有待進一步發(fā)展，市場發(fā)展?jié)摿Υ蟆?
7 結束語
我本次畢業(yè)設計的題目是球籠式等速萬向節(jié)，我平時對此接觸也不多，而且我國對于球籠式萬向節(jié)的研究比較滯后。所以拿到題目后我一直在查找相關資料。在加上老師的指導，我慢慢開始投入具體的設計工作。在此過程中我不斷的遇到各種問題，每次遇到問題時，我首先從網上和圖書館查閱相關資料，然后請教老師和同學。最后總結思考，的出自己的解決方案，通過這次的設計，自己創(chuàng)新思維能力比以前有了很大提高。
本次畢業(yè)設計是我獨立完成的第一個設計工作。達到了很多啟發(fā)，首先它讓我明白了實際的設計工作和日常的書本學習是很大不同的，實際的設計工作除了要有扎實的理論知識外，更要有很強的創(chuàng)新思維能力，實際設計過程中經常遇到平時理論知識解決不了的問題，這時就 需要我們進行創(chuàng)新的思考。所以通過本次畢業(yè)設計，我也得到了另一種學習方式，即理論與實際相結合，將理論用于解決實際問題。一切以實際出發(fā)。最后,我誠摯的感謝陳軍老師細心的指導和教會，本設計是在指導老師陳軍老師的悉心指導和無微不至的關懷下完成的。
參考文獻
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