球笼式等速万向传动轴设计研究

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球笼式等速万向传动轴设计研究球 笼 式 等 速 万 向 传 动 轴 设 计 研 究
周 萍 。 高海安 。 卢 曦
( 1 . 上海理工大学 机械工程学院， 上海 2 0 0 0 9 3 ； 2 . 上浩技情报研究所， 上海 2 0 0 0 0 2 )
摘 要： 就球笼式等速万向节工作主参数--滚道截形椭圆、 偏心距和滚道弧长和接触应力设计计算进行了
较详细的阐述， 并从等速万向节的内部结构方面分析研究了整个传动轴的振动问题， 通过对传动轴振动模型的简
化得出了传动轴的设计临界转速。
关键词： 等速万向传动轴；设计 ； 振动
中图分类号： TH1 2 文献标识码： A
在现代汽车上， 等速万向节传动轴是由等速万向节、 中间
轴和支承组成。等速万 向节把两轴连接起来， 并使两轴 以相
同的角速度传递运动∥车上常见的结构有： 双联式、 球叉
式、 球笼式、 三柱轴式等。车辆上等速万向节大都用在前轮驱
动或独立悬挂车辆的车轮传动装置中， 用来把半轴上的扭矩
直接传给驱动轮， 并保证半轴和车轮等速旋转， 以利于它们在
大角度范围内( -般在 3 0 - -4 0 。 ) 能够正常工作。球笼式等速
万向节包括固定式和双偏置式 ， 容许两相交轴间有较大角度
( 4 6 。 固定端， 2 1 。 端移端) ， 而且工艺简单、 成熟， 其耐久性和
r 、 ⅣH ( 噪声、 振动、 啸声) 指标较高 ， 因此球笼式等速万 向节广
泛用于车辆、 轻纺、 轧钢等轴线不同的两轴动力传递 1。
1 截形椭圆沟道设计
球笼式等速万 向节 内、 外环滚道都是椭圆面， 过曲面中
心的径向截面与椭圆面的交线即滚道截形是椭圆， 它是球笼
式等速万向节 的工作轨道， 设计上-定要得到满足。如图
1 ， 以滚道截形椭圆中心为坐标原点的直角坐标系 O x y ， 钢球
中心 01 ， 接触角 ， 当钢球 和滚道无侧隙啮合时， 滚道截形
椭圆长半轴、 短半轴为 ：
s i n a d s i n 2 R v 厂 d
。 ； - 2 b - 1 - 2 f - e a - 2
式中 产 - 沟曲率系数 ， ，p / d
d --钢球直径
J 0 --接触点主曲率半径
b 、 n --滚道截形椭圆沟道的长、 短半轴
. ，
. ，
-
： 0 I / / 、 f /
- .
b -
图 1 截形椭圆示意图
收稿 日期： 2 0 0 1 -l 1-1 4
内、 外 环 滚道
截形椭圆的接触的
曲率 系数 、 的
选取对 内、 外套应
- 力及万向节寿命有
很大影响， 若 内、 外
环滚道接触曲率半
径相等， 则滚 道 的
凸凹会使外套滚道
的接触应力低于内
套 滚 道 的 接 触 应
力。加大外环滚道的接触曲率半径 ， 既可使两滚道的接触应
力相等 ， 又使于外套滚道的J J n - r， 且能保证磨加工精度。因
为凹形滚道， 接触应力较低， 凸形则较高， 为使两滚道的接触
应力相等， 应加大外套滚道的接触曲率半径 。
设计中内、 外环的接触角 相等 ， 则传递扭矩时， 钢球与
内、 外环滚道的接触点受力相等， 外环滚道成凹形， 内环滚道
在不同面上有不同的形状， 钢球与滚道均系弹性材料制成 ，
它们不是点接触， 而是面接触， 因此钢球 和外环滚道的接触
面大于钢球和内环滚道的接触面。与此相应， 钢球与内环滚
道的接触应力大于钢球与外环滚道的接触应力， 通过加大外
环滚道的接触曲率半径， 或将内环滚道的接触曲率半径减少
到接近球的半径 ， 可使钢球与内、 外环 的接触应力相等。同
时为确保磨削精度 ， 接触曲率半径应选择大-些。
-
般 取 0 . 5 1 - -0 . 5 2 ， 取 0 . 5 2 - -0 . 5 3且 >五， 以
保证内、 外环的接触应力 比较接近。
根据 H e r t z 理论， 在钢球 与内、 外环滚道曲面上 以接触
点为中心， 各产生-个应力区域 ， 应力分布为-个椭 圆形球
体， 各点应力为 ：
厂-- --
P 户 -√1 - 生 a 2 -
式中 ---最大接触应力 ， 发生在接触点处
户-
a 、 6 --分别为接触区域椭圆长、 短半轴
n ， b 愿 式中 横向变形系数
- -
接触点主曲率
E--材料弹性模量
K、 e --分别为椭圆参数和第二类椭圆积分
由上述各式可计算出最大接触应力应满足球笼式等速
万向节的最大许用接触应力[ 。
2 偏心距的设计
球笼式等速万向节内、 外环椭圆滚道中心等距离的偏置
在万向节传动中心的两侧， 偏心距的大小不但影响等速性，
还影响到承载能力， 它是球笼式等速万向节的另-个重要参
数。根据静力学关系， 若使万向节钢球能在 内、 外环滚道 内