高效能球笼式等速万向节的沟道设计

朱卓选

(上海纳铁福传动系统有限公司，上海 201315)

汽车的等速万向传动轴总成通常由车轮端的球笼式等速万向节、差速器端的滑移式等速万向节以及连接这2个万向节之间的中间轴构成。高性能等速万向传动轴总成除了要求平稳地传递动力外，还要求工作效率高。

1 球笼式等速万向节的结构特征

球笼式等速万向节结构如图1所示，其由钟形壳、星形套、保持架及钢球构成。钟形壳位于保持架外侧，星形套位于保持架内侧，钢球穿过保持架的各个窗口并沿保持架周向均布，钢球与钟形壳及星形套的相应沟道接触配合。

图1 球笼式等速万向节

钟形壳和星形套各沟道的中心分列于球笼式等速万向节中心的两侧，即存在中心偏置，其目的是当球笼式等速万向节有摆角时，由保持架的窗口将各个钢球保持在球笼式等速万向节摆角的角平分面内，使球笼式等速万向节具有瞬时等速传递旋转运动的特性。但钟形壳和星形套的各沟道配对构成的楔形会对相应的钢球产生轴向推力，钢球的推力作用在保持架窗口上，而保持架窗口上的轴向推力由保持架表面与钟形壳的内球面以及星形套的外球面之间的压力来平衡，该压力会在保持架表面与钟形壳的内球面以及星形套的外球面之间形成球笼式等速万向节在有摆角情况下旋转运动的摩擦阻力。中心偏置量越大或产生推力的钢球数越多，保持架窗口受力越大，保持架表面与钟形壳的内球面以及星形套的外球面之间的摩擦阻力也越大，这会影响球笼式等速万向节的运动效率[1]，故对球笼式等速万向节的结构进行改进。

2 结构改进

改进设计后的球笼式等速万向节由钟形壳、星形套、保持架和钢球构成。钟形壳的内表面为内球面，星形套外表面为外球面，内球面球心与外球面球心重合，钟形壳内球面和星形套外球面上等分布置N(N=6，8，9，10，12)条沟道。N条沟道中有n(n≥3)条沟道的中心相重合并与所在球面的球心存在偏置，而且n条沟道将球面周向n等分，其余N-n条沟道的中心与球面的球心重合无偏置。保持架的圆周面上有N个窗口，每个窗口中有1个钢球，钢球与沟道滚动配合。其目的是由n条有偏置沟道中的钢球带动保持架在球笼式等速万向节有摆角时，将钢球保持在球笼式等速万向节摆角的角平分面内，其余N-n条无偏置沟道中的钢球也随动地位于球笼式等速万向节摆角的角平分面内，以便使球笼式等速万向节具有瞬时等速传递旋转运动的特性。

N条沟道的球笼式等速万向节中将仅有n条有偏置沟道对相应的钢球产生轴向推力，其余N-n条无偏置沟道对相应的钢球不产生轴向推力(忽略沟道与钢球之间的轴向摩擦力)，减少了产生推力的钢球数，保持架窗口受力也相应减小，保持架表面与钟形壳的内球面以及星形套的外球面之间的摩擦阻力也相应减小，从而提高了球笼式等速万向节的运动效率。

改进设计后的钟形壳结构如图2所示，有n个沟道中心O1与球心O之间存在偏置，偏置位于右侧，其余N-n个沟道中心与球心重合。有偏置的n条沟道的半径为r，其余沟道半径为R，有偏置的n个沟道中心与钟形壳球心之间的偏置量为L。

图2 钟形壳

改进设计后的星形套如图3 所示，有n个沟道中心O2与星形套的球心O之间存在偏置，偏置位于左侧，其余N-n个沟道中心与星形套的球心重合。有偏置的n条沟道的半径为r′，其余N-n条沟道的半径为R′，有偏置的n个沟道中心与星形套的球心之间的偏置量为L′，且r=r′，R=R′，L=L′。

图3 星形套

3 钢球轴向力分析

当球笼式等速万向节传递扭矩时，钢球受力对万向节的承载能力及工作效率有重要影响，钢球对保持架窗口的轴向作用力直接影响万向节工作效率，而钢球对保持架窗口的轴向作用力与偏置量等因素有关。

当输入轴与输出轴之间的摆角为β时，球笼式等速万向节偏置沟道形成的楔形开口角与万向节的钟形壳、星形套、保持架、钢球的位置关系如图4所示[3]。当球笼式等速万向节的钟形壳和星形套的某对沟道之间存在中心偏置时，沟道之间会形成楔形开口角，开口角为2ε。

由图4几何关系可得

图4 楔形开口角

(1)

钢球压力载荷的轴向分量均值Pz(钢球对保持架窗口的轴向作用力)与万向节沟道开口角ε的关系为

Pz=2Psinε，

(2)

式中：P为钢球压力载荷。

钢球压力载荷的周向分量Px与万向节沟道压力角α的关系为

Px=Psinα,

(3)

又由文献[2]可得钢球压力载荷的周向分量为

(4)

式中：M为所需传递的扭矩；Z为钢球数。

由(3),(4)式得

(5)

由(1),(2),(5)式得

(6)

4 设计计算实例

4.1 理论计算

以八沟道球笼式等速万向节为例分析，改进前后球笼式等速万向节中钟形壳、星形套、保持架的外径、内径、壁厚、沟道直径、节圆直径等主要参数基本相同(表1)，钢球直径相同。改进前的球笼式等速万向节的8条沟道均存在偏置，偏置量L=3.8 mm；改进后的球笼式等速万向节的8条沟道中仅部分存在偏置，即1#，3#，5#，7#沟道有偏置，偏置量L=3.8 mm，2#，4#，6#，8#沟道无偏置。

表1 部分主要参数

对球笼式等速万向节施加扭矩M=1 000 N·m，当万向节的工作摆角β分别为0°,30°,45°时，通过(6)式计算钢球对保持架窗口的轴向作用力，结果见表2。

表2 钢球对保持架窗口的轴向作用力

由表2可以看出，改进设计后，八沟道球笼式等速万向节钢球对保持架窗口的轴向作用力(忽略沟道与钢球之间的摩擦力)均值比改进前减小约50%。

4.2 仿真计算

采用与理论计算相同的结构参数，基于MSC ADAMS系统进行仿真计算，钢球对保持架窗口的轴向作用力的仿真计算结果见表3。

表3 钢球对保持架窗口的轴向作用力

由表3可以看出，改进设计后八沟道球笼式等速万向节钢球对保持架窗口的轴向作用力(考虑沟道与钢球之间以及保持架与内外球面之间的摩擦力)均值比改进前小，在球笼式等速方向节经常工作的摆角范围内(β=0°～8°)时，均值减小了约50%，仿真计算与理论计算均值的减小比例非常接近；在β>8°时，仿真计算与理论计算的均值减小比例的差异随万向节摆角β的增大而增大，说明零件之间的摩擦力对钢球与保持架窗口的轴向作用力有显著影响。仿真计算与理论计算得到的钢球对保持架窗口轴向作用力的数值之间存在差异的原因是仿真计算采用了弹性体变形模型，而理论计算采用了刚体变形模型。

另外，改进设计后八沟道球笼式等速万向节存在偏置的沟道内部产生的钢球对保持架窗口的轴向作用力(考虑沟道与钢球之间以及保持架与内外球面之间的摩擦力)的仿真计算均值比改进前也减小约8%，说明此设计方案不但可以提高万向节的工作效率，也有利于改善保持架的工作强度。

5 结束语

将球笼式等速万向节中的部分有偏置沟道改进设计为无偏置沟道，且有偏置沟道和无偏置沟道在万向节的圆周方向等分交替布置。与原结构相比，在不影响万向节的等速运动功能和扭矩传递性能的前提下，改进后方案减少了万向节内部产生轴向推力的钢球数，使保持架窗口受力相应减小，保持架的外表面与钟形壳的内球面以及保持架的内表面与星形套的外球面之间的摩擦阻力也相应减小，提高了球笼式等速万向节的运动效率。