探究球籠式等速萬向節的球面配合

【摘 要】汽車用球籠式等速萬向節是屬于汽車零部件中的一部分，主要是用于汽車速度控制系統中不可缺少的傳動部件，在汽車的速度控制系統的運行過程中具有重要的作用。目前的球籠式等速萬向節的機構設計存在著不合理。本文對汽車等速萬向節的結構性能進行了比較，分析了汽車等速萬向節噪音、振動產生的原因同時論述了汽車等速萬向節的發展方向，為等速萬向節開發設計提供了一定的參考。

【關鍵詞】汽車；等速萬向節；發展

汽車工業的發展，及用戶對汽車使用、轉向的更高追求，要求汽車有更好的動力性、操縱性及舒適性，促使了FF及4WD型車的出現。當今市場上使用的等速萬向節有4種結構：只有軸間角運動而沒有軸向移動的中心固定型等速萬向節；既有軸間角運動又可軸向移動的球籠等速萬向節；交叉滾道式中心固定型等速萬向節；三球銷式等速萬向節。按接觸應力來劃分，前三種為點接觸型，后一種為線接觸型。

1、等速萬向節的結構與性能

汽車用等速萬向節按其性能可分為定心型和軸向滑移型兩大類。

根據使用部位，等速萬向節還可分如下兩類：

（A）外置式等速萬向節：車輪一邊用即定心型，O/B節F。

（B）內置式等速萬向節：差速器一側用即軸向滑動型，I/B節F等速萬向傳動軸，一般采用定心型等速萬向節O軸O軸向滑動型等速萬向節的組合形成，這樣即可解決運動學上的問題，同時也可用來降低噪音、振動和減少滑動阻力。

不同類型的等速萬向節其工作原理大致相同，但其性能卻有較大的區別。

2、等速萬向節的振動、噪音

汽車發動機、輪胎、變速箱、差速器等是噪音和振動的整體。4W的驅動系比2W多，屬于大噪音車。另一方面，由于要滿足低油耗、低成本的要求，汽車必須輕量化，汽車變得更易產生振動。因此，對驅動系主要部位之一的等速萬向節的振動特性必須進一步進行改善。目前國內外都面臨以NVH（噪音、振動、嘯聲）為中心的許多急待解決的問題，等速萬向節的噪音、振動特性，大致可以分為由其內部產生的，發動機產生的和路面傳遞而來的三大部分。

2.1回轉方向間隙

2.2誘發軸向力

由于誘發軸向方隨活動角及傳遞力矩等的增大而增大，解決這個問題的最好辦法是減小活動角，但隨之要改變汽車的基本設計，所以這種想法幾乎是不能成立的，那么就迫切要求對等速萬向節本身進行改進。實現這以目標的最佳方案是減少等速萬向節內部摩擦力，主要途徑有兩條，一是改善潤滑方式，二是減少滑動，增設滾動零件之類的措施進行結構的改進。

2.3滑動阻力

滑動式等速萬向節在一邊傳遞力矩一邊產生滑動時，基于摩擦產生了滑動阻力。若滑動阻力過大，由于滑動不能吸收從發動機、路面等傳來的振動，這些振動傳至車體，常使車身手柄等部位產生振動。如A/T車在開動發動機、腳踏剎車停止行車時產生的空轉振動就是典型的事例。GI型等速萬向節滑動阻力較小，幾乎不發生此類問題，而滑動阻力較大的DOJ型及VL型則頻頻發生。減少滑移阻力僅靠低摩擦潤滑脂效果不大，必須對等速萬向節結構進行改進。

2.4折彎阻力

當傳經等速萬向節的振動方向與現成活動角方向相對時，折彎阻力會引起等速萬向節振動，因此固定式等速萬向節與振動也有關系。

BJ型是固定式等速萬向節的典型，將其傳力鋼球與保持架窗口之間設定一個小間隙，雖然能大大地改善折彎阻力，但在轉向行車時，這種配合間隙會產生拍音，設計時必須慎重考慮。

DOJ型當鋼球與保持加窗口之間常常有間隙，故折彎阻力較少。對于零回轉間隙的VL型等速萬向節，即使采用窗口間隙，由于鋼球與滾道間的過盈，表現新的折彎阻力乃較大。

3、中心固定型等速萬向節的摩擦與潤滑

3.1鋼球與溝道間的摩擦

鋼球與溝道之間的摩擦，是中心固定型等速萬向節摩擦中的重要組成部分，直接影響中心固定型等速萬向節的使用壽命，因此要解決溝道間摩擦，需獲得較為理想的接觸橢圓形狀。

在外溝道中，即使鋼球和溝道表面發生局部粘著，但由于磨削紋理的作用，粘著作用出現增大的機會很小，因此摩擦是由滑動作用來決定的。由于鋼球在外環溝道中運動的速度較快，在這種狀態下工作，潤滑脂很容易被鋼球帶到外環溝道中，從而實現理想的潤滑。

3.2鋼球與保持架窗口以及保持架內外球面副間的摩擦

在正常的工作條件下，為了達到較高的接觸能力，在安裝時，鋼球和保持架窗口應有一定的過盈量。在動態狀態下，鋼球受到的壓力遠高于窗口過盈配合所產生的壓力，這時鋼球沿著窗口的一個側面產生滑動，這個滑動對鋼球是有益的，它可以促進鋼球實現合成運動。保持架內、外球面間需要很小的配合間隙，以保證萬向節具有高精度的等角接觸，以利于減小振動，降低噪聲。但過小的間隙又使這些球面的接觸運動為100%的滑動，表現為潤滑脂被擠出接觸區，造成干摩擦，因此需要把MoS2、石墨以及其他表面防化劑加到潤滑脂中，以提高吸附性。

3.3中心固定型等速萬向節的潤滑

應根據現有工作條件合理選用潤滑脂，以滿足萬向節的使用要求。潤滑脂的主要性能依據于基礎油，由于潤滑脂主體部分為基礎油，例如使用中等系列萬向節的轎車，在高速公路上正常行駛，萬向節溝道表面粗糙度為0.6-0.8μm，鋼球表面粗糙度為0.025μm，那么運動副合成粗糙度為0.6μm，計算油膜厚度為70nm，膜厚比為0.11，這說明中心固定型等速萬向節是在極度邊界潤滑條件下工作。這充分說明中心固定型等速萬向節和軸承的潤滑并不相同，用經典EHD理論是難以解釋的，但在等速萬向節中確實存在如此薄的油膜。可見用現有的理論計算非穩態接觸，其適用性是有限的，需要不斷發展新的理論來解決中心固定型等速萬向節的納米級潤滑問題。

雖然EHD薄膜在理論上接近于0，但總是能夠維持一定的薄膜厚度，使潤滑脂殘留在接觸表面，其關鍵在于使用一種剪切穩定的稠化劑，以確保潤滑脂具有固體狀態，同時可以防止潤滑脂脫離接觸表面飛濺到密封罩上。萬向節零件在加工后需要進行清洗，這就需要潤滑脂具有吸收少量水分的能力以防止內部金屬發生腐蝕。

隨著前置前驅轎車數量的增加，大功率發動機的應用及要求車輛低振動、低噪聲，需要驅動半軸總成具有更小的體積，更輕的重量，這就對潤滑脂提出了更高要求特別是耐高溫性方面。

4、結束語

等速萬向節的摩擦極其復雜，在任意時刻都不可能很清楚地分析出潤滑狀態。由于接觸應力很高，其潤滑油膜厚度屬于納米級，因此需要使用特殊的潤滑脂，需要發展新的理論來解釋。不同種類的萬向節具有不同摩擦特點，因此對潤滑脂有著不同的要求，對于中心固定型等速萬向節，需要開發高性能的潤滑脂，對于三球銷式萬向節需要提高潤滑脂的性能以改善噪聲和振動。近年來由于汽車追求大功率化、輕量化、低噪音等原因，對汽車的要求不只局限于降低噪音、振動水平，對與汽車車型概念和諧的音色、感覺等的追求也變得不可缺少，為了滿足這類要求，汽車制造廠對等速萬向節的技術要求越來越嚴，新型的等速萬向節會不斷的被開發出來。

參考文獻：

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作者簡介：

馮衛國；性別 男；出生年月 197907；民族 漢；籍貫 湖北襄陽；學歷 本科；職稱 助理工程師；單位 襄陽宇清傳動科技有限公司；研究方向 軸承、球籠萬向節開發

（作者單位：襄陽宇清傳動科技有限公司）