高效能球籠式等速萬向節的溝道設計

朱卓選

(上海納鐵福傳動系統有限公司，上海 201315)

汽車的等速萬向傳動軸總成通常由車輪端的球籠式等速萬向節、差速器端的滑移式等速萬向節以及連接這2個萬向節之間的中間軸構成。高性能等速萬向傳動軸總成除了要求平穩地傳遞動力外，還要求工作效率高。

1 球籠式等速萬向節的結構特征

球籠式等速萬向節結構如圖1所示，其由鐘形殼、星形套、保持架及鋼球構成。鐘形殼位于保持架外側，星形套位于保持架內側，鋼球穿過保持架的各個窗口并沿保持架周向均布，鋼球與鐘形殼及星形套的相應溝道接觸配合。

圖1 球籠式等速萬向節

鐘形殼和星形套各溝道的中心分列于球籠式等速萬向節中心的兩側，即存在中心偏置，其目的是當球籠式等速萬向節有擺角時，由保持架的窗口將各個鋼球保持在球籠式等速萬向節擺角的角平分面內，使球籠式等速萬向節具有瞬時等速傳遞旋轉運動的特性。但鐘形殼和星形套的各溝道配對構成的楔形會對相應的鋼球產生軸向推力，鋼球的推力作用在保持架窗口上，而保持架窗口上的軸向推力由保持架表面與鐘形殼的內球面以及星形套的外球面之間的壓力來平衡，該壓力會在保持架表面與鐘形殼的內球面以及星形套的外球面之間形成球籠式等速萬向節在有擺角情況下旋轉運動的摩擦阻力。中心偏置量越大或產生推力的鋼球數越多，保持架窗口受力越大，保持架表面與鐘形殼的內球面以及星形套的外球面之間的摩擦阻力也越大，這會影響球籠式等速萬向節的運動效率[1]，故對球籠式等速萬向節的結構進行改進。

2 結構改進

改進設計后的球籠式等速萬向節由鐘形殼、星形套、保持架和鋼球構成。鐘形殼的內表面為內球面，星形套外表面為外球面，內球面球心與外球面球心重合，鐘形殼內球面和星形套外球面上等分布置N(N=6，8，9，10，12)條溝道。N條溝道中有n(n≥3)條溝道的中心相重合并與所在球面的球心存在偏置，而且n條溝道將球面周向n等分，其余N-n條溝道的中心與球面的球心重合無偏置。保持架的圓周面上有N個窗口，每個窗口中有1個鋼球，鋼球與溝道滾動配合。其目的是由n條有偏置溝道中的鋼球帶動保持架在球籠式等速萬向節有擺角時，將鋼球保持在球籠式等速萬向節擺角的角平分面內，其余N-n條無偏置溝道中的鋼球也隨動地位于球籠式等速萬向節擺角的角平分面內，以便使球籠式等速萬向節具有瞬時等速傳遞旋轉運動的特性。

N條溝道的球籠式等速萬向節中將僅有n條有偏置溝道對相應的鋼球產生軸向推力，其余N-n條無偏置溝道對相應的鋼球不產生軸向推力(忽略溝道與鋼球之間的軸向摩擦力)，減少了產生推力的鋼球數，保持架窗口受力也相應減小，保持架表面與鐘形殼的內球面以及星形套的外球面之間的摩擦阻力也相應減小，從而提高了球籠式等速萬向節的運動效率。

改進設計后的鐘形殼結構如圖2所示，有n個溝道中心O1與球心O之間存在偏置，偏置位于右側，其余N-n個溝道中心與球心重合。有偏置的n條溝道的半徑為r，其余溝道半徑為R，有偏置的n個溝道中心與鐘形殼球心之間的偏置量為L。

圖2 鐘形殼

改進設計后的星形套如圖3 所示，有n個溝道中心O2與星形套的球心O之間存在偏置，偏置位于左側，其余N-n個溝道中心與星形套的球心重合。有偏置的n條溝道的半徑為r′，其余N-n條溝道的半徑為R′，有偏置的n個溝道中心與星形套的球心之間的偏置量為L′，且r=r′，R=R′，L=L′。

圖3 星形套

3 鋼球軸向力分析

當球籠式等速萬向節傳遞扭矩時，鋼球受力對萬向節的承載能力及工作效率有重要影響，鋼球對保持架窗口的軸向作用力直接影響萬向節工作效率，而鋼球對保持架窗口的軸向作用力與偏置量等因素有關。

當輸入軸與輸出軸之間的擺角為β時，球籠式等速萬向節偏置溝道形成的楔形開口角與萬向節的鐘形殼、星形套、保持架、鋼球的位置關系如圖4所示[3]。當球籠式等速萬向節的鐘形殼和星形套的某對溝道之間存在中心偏置時，溝道之間會形成楔形開口角，開口角為2ε。

由圖4幾何關系可得

圖4 楔形開口角

(1)

鋼球壓力載荷的軸向分量均值Pz(鋼球對保持架窗口的軸向作用力)與萬向節溝道開口角ε的關系為

Pz=2Psinε，

(2)

式中：P為鋼球壓力載荷。

鋼球壓力載荷的周向分量Px與萬向節溝道壓力角α的關系為

Px=Psinα,

(3)

又由文獻[2]可得鋼球壓力載荷的周向分量為

(4)

式中：M為所需傳遞的扭矩；Z為鋼球數。

由(3),(4)式得

(5)

由(1),(2),(5)式得

(6)

4 設計計算實例

4.1 理論計算

以八溝道球籠式等速萬向節為例分析，改進前后球籠式等速萬向節中鐘形殼、星形套、保持架的外徑、內徑、壁厚、溝道直徑、節圓直徑等主要參數基本相同(表1)，鋼球直徑相同。改進前的球籠式等速萬向節的8條溝道均存在偏置，偏置量L=3.8 mm；改進后的球籠式等速萬向節的8條溝道中僅部分存在偏置，即1#，3#，5#，7#溝道有偏置，偏置量L=3.8 mm，2#，4#，6#，8#溝道無偏置。

表1 部分主要參數

對球籠式等速萬向節施加扭矩M=1 000 N·m，當萬向節的工作擺角β分別為0°,30°,45°時，通過(6)式計算鋼球對保持架窗口的軸向作用力，結果見表2。

表2 鋼球對保持架窗口的軸向作用力

由表2可以看出，改進設計后，八溝道球籠式等速萬向節鋼球對保持架窗口的軸向作用力(忽略溝道與鋼球之間的摩擦力)均值比改進前減小約50%。

4.2 仿真計算

采用與理論計算相同的結構參數，基于MSC ADAMS系統進行仿真計算，鋼球對保持架窗口的軸向作用力的仿真計算結果見表3。

表3 鋼球對保持架窗口的軸向作用力

由表3可以看出，改進設計后八溝道球籠式等速萬向節鋼球對保持架窗口的軸向作用力(考慮溝道與鋼球之間以及保持架與內外球面之間的摩擦力)均值比改進前小，在球籠式等速方向節經常工作的擺角范圍內(β=0°～8°)時，均值減小了約50%，仿真計算與理論計算均值的減小比例非常接近；在β>8°時，仿真計算與理論計算的均值減小比例的差異隨萬向節擺角β的增大而增大，說明零件之間的摩擦力對鋼球與保持架窗口的軸向作用力有顯著影響。仿真計算與理論計算得到的鋼球對保持架窗口軸向作用力的數值之間存在差異的原因是仿真計算采用了彈性體變形模型，而理論計算采用了剛體變形模型。

另外，改進設計后八溝道球籠式等速萬向節存在偏置的溝道內部產生的鋼球對保持架窗口的軸向作用力(考慮溝道與鋼球之間以及保持架與內外球面之間的摩擦力)的仿真計算均值比改進前也減小約8%，說明此設計方案不但可以提高萬向節的工作效率，也有利于改善保持架的工作強度。

5 結束語

將球籠式等速萬向節中的部分有偏置溝道改進設計為無偏置溝道，且有偏置溝道和無偏置溝道在萬向節的圓周方向等分交替布置。與原結構相比，在不影響萬向節的等速運動功能和扭矩傳遞性能的前提下，改進后方案減少了萬向節內部產生軸向推力的鋼球數，使保持架窗口受力相應減小，保持架的外表面與鐘形殼的內球面以及保持架的內表面與星形套的外球面之間的摩擦阻力也相應減小，提高了球籠式等速萬向節的運動效率。