球笼式等速万向节钟形壳沟道中心位置检测仪

包卫平,朱伟蔚

(1.杭州科技职业技术学院，杭州 311402；2.上海长锐汽车零部件有限公司，上海 201399)

1 钟形壳结构

球笼式等速万向节由星形套、保持架、钢球、钟形壳组成(图1)，钟形壳内球面与保持架外球面以及星形套外球面与保持架内球面组成2个球面副，钟形壳内球面球心所在的中心平面C-C和星形套外球面球心所在平面C1-C1与两轴线相交于O点，是万向节装配的唯一基准，从而保证万向节做等角速度转动。

图1 球笼式等速万向节Fig.1 Rzeppa constant velocity universal joint

钟形壳内腔工作面由6条沟道和1个内球面组成，沟曲率中心与内球面球心的轴向距离为钟形壳的偏心距ez(图2)。钢球沿沟道滚动，保持架沿内球面转动，保证6个钢球所在平面与轴线相交于O点。

图2 钟形壳的结构Fig.2 Structure of bell-shaped shell

钟形壳的偏心距ez是其重要结构参数，影响着球笼式等速万向节的工作性能，钟形壳的偏心距ez与星形套的偏心距ew相等时才能保证球笼式等速万向节转动时钢球只有一种线速度，从而使得保持架两边不受钢球的作用力。所以，在加工过程中必须严格控制两者偏心距e的偏差。

2 测量分析

钟形壳毛坯为筒形壳体精锻件，其内球面球心位置与沟曲率中心位置均为虚拟尺寸，加工后难以检测，一般需要通过三坐标进行检测，为满足钟形壳大批量生产检测需求，设计了一种钟形壳沟曲率中心位置及内球面球心中心位置的在线快速检测仪器。

该检测仪器能在线快速检测钟形壳沟曲率中心位置以及内球面球心位置，从而确定偏心距e的加工精度是否符合技术要求(图3)。由于I值为钟形壳轴向值，活动测头显示的b值为钟形壳径向值，该示值不能真实、准确地表达钟形壳的I值。只有找到I与b变化的一般规律，根据I的尺寸公差才能准确地计算出检测仪相应的示值公差[1]。

图3 沟道与内球面曲率中心位置测量Fig.3 Measurement of raceway and currature center position of internal spherical surface

2.1 沟曲率中心位置

如图3所示，O2为钟形壳沟曲率中心与轴线的交点，设两测头中心间距为H，固定测头中心与沟曲率中心O2的轴向距离为x2、内端与轴线距离为a2，活动测头内端与轴线距离为b2，测头直径为d，则有

即钟形壳沟曲率中心位置[2]为

(1)

2.2 内球面球心位置

同理，O1为钟形壳内球面球心平面与轴线的交点，设固定测头中心与内球面球心轴向距离为x1，内端与轴线距离为a1，活动测头内端与轴线距离为b1，则

即钟形壳内球面球心位置为

(2)

2.3 钟形壳偏心距

由图3可知，钟形壳的偏心距为

ez=I2-I1，

将(1)式和(2)式带入得到

ez=[(b2+a2+d)(b2-a2)-

(b1+a1+d)(b1-a1)]/2H。

(3)

2.4 测量误差分析

2.4.1 沟曲率中心及内球面球心位置误差分析

由(1)式和(2)式可知，I为b的函数，对其进行求导得

(4)

(5)

(4)式和(5)式即为沟曲率中心和内球面球心位置变化值dI与检测仪器示值db之间的函数关系，若值db>0，则dI>0；若db<0，则沟曲率中心及内球面球心位置变化值dI<0。因此，可通过上述函数式将沟曲率中心位置或内球面球心位置的极限偏差(设计值)转换为相应的检测仪器示值极限偏差，只要待检零件的检测示值偏差在此范围内，就可以判断该零件的沟曲率中心位置或内球面球心位置加工精度符合要求。

2.4.2 钟形壳偏心距误差分析

钟形壳偏心距ez需要分别测量沟曲率中心位置I2和内球面球心位置I1才能得出，(3)式反映的是钟形壳偏心距ez与检测仪器示值之间的二元函数关系；当2个变量(b1,b2)都取得增量(Δb1，Δb2)时，函数ez取得全增量Δe，分别对2个变量求偏导，得

由于2个变量的偏导数连续，故其全微分方程为

(6)

(6)式即为钟形壳偏心距ez的偏差与检测仪器示值偏差的关系，由于b2>b1,故当db2>0，db1>0时，dez>0；当db1<0，db2<0时，dez<0。

偏心距ez是检测仪器示值b的二元函数，因而必须同时满足沟道曲率中心位置和内球面球心位置的检测仪器示值偏差，才能保证待检零件偏心距ez的精度。

3 检测仪器结构及测量原理

3.1 检测仪器结构

检测仪器如图4所示，底座上方装有支架，测量支架和测座则安装在支架的同侧，直角杠杆臂和可调式固定测量球安装在测量支架上，活动测量球和百分表接触块安装在直角杠杆臂上，百分表安装在百分表夹头上。测量时，将钟形壳放置在测座上，通过杠杆臂将活动测量球的水平位移转换成百分表测头的垂直位移，从而判断沟道曲率中心位置以及内球面球心位置。

图4 检测仪器结构Fig.4 Structure of detecting device

3.2 测量原理

该检测仪器采用比较测量法，其钟形壳内球面球心位置检测原理如图5所示(以内球面球心检测为例)，图中A为垫块尺寸；B为钟形壳基准端面。

图5 内球面球心位置测量原理Fig.5 Measuring principle of sphere center position of internal spherical surface

测量前，需要根据标准零件尺寸及工艺要求进行检测仪器调校，先在测座上放一厚度为A的垫块，该垫块上平面为钟形壳的基准平面B，在垫块上分别放入符合技术要求的内球面球心位置最小极限值样件和最大极限值样件，水平方向推动样件直到所测球面碰触到固定测头，调整可调固定测头直至百分表读数与标准件内球面球心位置极限偏差值为1∶1。转动标准件60°重复测量、调校，最后确定百分表指针的示值范围[3]。

测量时，将钟形壳放置在垫块上，推动至其内球面与固定测头相接触，此时活动测头的示值通过杠杆在百分表上显示。假如内球面中心高I1发生变化(dI1>0)，说明其I1变大，这样内球面也随之上升，由于固定测头不能移动，钟形壳只能向左移动，活动测头(弹簧力作用)也向左移动，活动测头的变化量db1通过杠杆反映在百分表测座的变化量为dl1，百分表指针相对零位逆时针转动(说明是正偏差)，符合(5)式函数关系。同理，当dI1<0时，I1值变小，百分表指针相对零位顺时针转动(负偏差)。

根据上述原理，先用标准件进行仪器调校，然后再进行实物检测，通过对比百分表的读数变化判断在检零件与标准件的偏差[4]。如果每次测量百分表的读数都在设定的偏差之内(标准件检测示值)，说明待测零件内球面球心位置符合技术要求。钟形壳沟曲率中心位置测量原理同上。

4 结束语

通过钟形壳结构特征推导出沟曲率中心位置以及内球面球心位置的计算公式，分析了实际偏差与检测仪器示值偏差的函数关系，并根据此原理设计了钟形壳沟道中心位置检测仪。该仪器采用比较测量法，具有结构简单、操作简便的特点，检测精度及可靠性满足使用要求。