双偏置式等速万向节的结构设计

式中 : fk = 0 . 515~ 0 . 525, 一般取 fk = 0 . 52 。 沟道接触球 k 如图 2 所示, 根据前述分析, 一 般取
k
= 36 。 分别为 ( 4) Dw 2 ( 5)
由图 2 的几何关系可得沟道截面圆弧与钢球 两中心距的水平距离 hk 和沟底间隙 hk = (R k k k
x
双偏置式等速万向节 ( DO J型 ) 是伸缩型等速 万向节中至关重要的一种。其结构先进、 紧凑 , 工 作平稳、 可靠, 伸缩量大、 工艺性好, 得到了广泛的 应用。而双偏置式等速万向节总成及主要零部件 的结构设计, 内部结构主参数计算, 迄今还没有系 统的设计标准和优化的计算方法来规范。仅停留
ISSN 1000- 3762 轴承 2008年 8期 CN 41- 1148 /TH Bea ring 2008, N o . 8
6- 11
双偏置式等速万向节的结构设计
石宝枢
( 东普汽车工业 ( 上海 ) 有限公司 , 上海 201814)
摘要 : 根据双偏置式等速万向节的结构 特征 , 介绍 了主 要零件 的结 构设计 方法。根 据主 要外 形尺寸 和性 能要 求 , 详细地介绍了内部结构主参数的设计原理和方法 , 推导出一系列计算公式并举例说明。 关键词 : 双偏置式等速万向节 ; 结 构 ; 参数 ; 设计 ; 计算 中图分类号 : TH 133 . 4; TH 123 + . 1 文献标志码 : B 文章编 号 : 1000- 3762( 2008) 08- 0006- 06
x [ 1]
( 6) 同筒形壳一样 , 一般
x
= 36 。 由图 4 的几何关系 , 可得星形套沟道截面 圆 弧曲率中心与钢球中心距的水平 距离 hx 和星 形 套沟道底部与钢球的间隙 hx = (R x x x
分别为 ( 7) ( 8)
1 D w ) sin 2
2
Hale Waihona Puke Baidu
x
=
R x - hx -
2
图 5 偏心保持架
石宝枢 : 双偏置式等速万向节的结构设计
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3 . 8 星形套宽度 星形套宽度 B x 可按下式计算 Bx = 4 D 3 w ( 14 )
中心线应位于窗孔厚度的中点。经研究, 偏心 保 持架窗孔厚度 S = K 1D w (K 1 = 0 . 21~ 0 . 22 ) 时 , 可 满足上述要求 , 由此可进行偏心保持架内、 外球面 径的设计计算。 图 6 中 , O 为窗 孔中心; O 1 为内 球面曲率 中 心; O 2 为外球面曲率中心; BE 为内球面中心一侧 的窗孔 ; C 为 BE 的中点 ; 显然 , C 点为轴间角为 0 时, 钢球与窗孔的切点。
收稿日期 : 2008- 04- 01 作者简介 : 石宝枢 , 男 , 高级工程师 , 产品 研发主管。 E- ma i: l m yy968@ sina . co m。
石宝枢 : 双偏置式等速万向节的结构设计
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在样品测绘阶段 , 存 在着一定的盲目性和不合理 性 , 导致若干 结构参数粗糙、 离散又 无规律, 给制 造和检测带来诸多不便 , 且直接影响产品的可靠 性。本文试通过对双偏置式等速万向节的结构进 行系统的分析 , 并且 对其结构主参数进行精确和 优化的设计计算 , 进 而探寻出该万向节产品设计 的一般规律。
L 1 B k x k
偏心保持架窗孔磨削长度加长值, mm 星形套装配间隙 , mm 偏心保持架窗孔磨削长度加强值 , mm 筒形壳沟道底部与钢球的间隙, mm 星形套沟道底部与钢球的间隙, mm 筒形壳沟 道 截面 圆 弧与 钢 球的 接 触 角, ( ) 星形 套沟 道 截面 圆 弧与 钢 球的 接 触 角, ( ) 钢球中心与偏心保持架内、 外球面中心 连线的夹角 (偏心角 ), ( )
或 d g =D - D w - 2 3 . 7 筒形壳沟道长度
考虑到卡簧 和转角 对筒形 壳沟 道长 度的 影 响, 为确保在极限转角、 极限伸缩的不利工况下 , 钢球仍可在沟道内, 使万向节正常工作 , 拟应有一 沟道长度余量 。由此, 筒形壳沟道长度 L g 为 L g= L + ( 3) 一般 Dw + 2 = 10~ 15 mm。 ( 13)
符号说明
D pw Dw Dk D ei De Di Dx Dg dg D1 D2 D3 K K1 Bi Bx Bj B1 B2 B3 B4 L L1 Lg Lx 球组节圆直径 , mm 钢球直径 , mm 筒形壳最大外径 , mm 星形套内花键大径 ( 齿根圆直径 ), mm 偏心保持架外球面径, mm 偏心保持架内球面径, mm 星形套外球面径, mm 筒形壳沟道底部直径, mm 星形套沟道底部直径 , mm 筒形壳内圆柱面径, mm 偏心保持架制口径, mm 偏心保持架圆柱面径 , mm 球组节圆直径系数 偏心保持架厚度系数 偏心保持架内球面理论轴向宽度, mm 星形套宽度, mm 偏心保持架宽度, mm 偏心保持架窗孔 中心至端面的 距离, mm 偏心保持架制口深度, mm 偏心保持架窗孔宽度, mm 偏心保持架窗孔冲压宽度, mm 偏心保持架窗孔最大长度 , mm 偏心保持架窗孔磨削长度 , mm 筒形壳沟道长度 , mm 星形套外球面曲率中心至端面的距
图 2 筒形壳沟道截面形状
2 . 2 星形套 如图 3 所示 , 双偏置式等速万向节的星形 套 与球笼式万向节的 星形套有着本质的区别 , 其 结 构设计, 一是使外球面上的六等分沟道和筒形 壳 均与轴线平行; 二是如图 4 所示, 沟道截面形状与 筒形壳相同, 接触角设计成 36 为宜。
1 卡簧 ; 2 传动轴 ; 3 偏心保持架 ; 4 星 形套 ; 5 钢球 ; 6 挡 圈 ; 7 筒形壳
3 . 9 星形套外球面曲率中心至端面的距离 双偏置式等速万向节的星形套是对 称结构, 所以外球面曲率中心至端面的距离 L x 为 1 Lx = Bx 2 3 . 10 偏心保持架内球面理论轴向宽度 形套宽度, 所以有 B i = Bx 3 . 11 偏心保持架制口深度 偏心保持架制口深度 B 2 可按下式确定 B 2 = 2e 3 . 12 偏心保持架宽度 由图 5 的几何关系 , 可得偏心保持架宽度 B j 为 B j = B i + B2 ( 18 ) 将 ( 16 )式和 ( 17 )式分别代入 ( 18 )式得 B j = B x + 2e 3 . 13 偏心保持架窗孔中心至端面的距离 一般偏心保持架关于窗孔中心对称 , 得窗孔 中心至端面的距离 B 1 为 1 B1 = B j 2 3 . 14 筒形壳内腔长度 ( 20 ) ( 19 ) ( 17 ) ( 15 )
1 双偏置式等速万向节的结构特征
双偏置式 等速万 向节的 基本 结构 如图 1 所 示 , 其结构特征为 : 筒形壳在内圆柱面上周向等分 地开有 6 个与轴线平行且截面形状为关于钢球中 心对称的双偏心圆弧内沟道 ; 星形套在外球面上 亦周向等分地开有 6 个与轴线平行且截面形状为 关于钢球中心对称的双偏心圆弧 外沟道; 偏心保 持架的内、 外球面中心分别置于钢球中心的两侧, 且偏心距相等, 相应地 , 偏心保持架亦有 6 个周向 窗孔, 用于夹持 6 个钢球 , 偏心保持架的内球面与 星形套外球面配合 , 外球面与筒形壳内圆柱面配 合。此结构确保了当主、 从动轴同时有一定角位 移和轴向位移复杂工 况下, 仍能非常平稳、 灵活、 可靠和精确地传递运动和转矩。双偏置式万向节 同三球销式万向节 ( T J型 ) 和交叉槽式万向节 ( LJ 型 ) 一样 , 两轴可达到的最大转角为 23 , 且结构中 星形套、 偏心保持架 和钢球组件通过星形套内花 键与传动轴外花键配合, 由开口的弹性挡圈卡紧。 为防止该组件在工作中脱离筒形 壳, 在筒形壳外 口处设计一卡簧 , 确 保该组件在筒形壳内正常工 作。
离 , mm L Rk Rx e hk hx fk fx S 双偏置式万向节轴向最大伸缩量 , mm 筒形壳沟道截面圆弧半径 , mm 星形套沟道截面圆弧半径, mm 偏心保持架内 ( 外 ) 球面中心至窗孔 中 心的距离 ( 偏心距 ), mm 筒形壳沟道截面圆弧曲率中心至钢球 中心的水平距离, mm 星形套沟道截面圆弧曲率中心至钢球 中心的水平距离, mm 筒形壳沟道截面圆弧曲率系数 星形套沟道截面圆弧曲率系数 偏心保持架窗孔厚度, mm 筒形壳沟道长度余量 , mm
1 Dw ) sin 2
2
k
=
R k - hk -
2
hk tan
k
3 . 4 星形套沟道截面参数 如图 4 所示, 同筒形壳一样 , 星形套的沟道截 面形状亦是应用最为广泛的关于钢球中心对称的 双偏心圆弧形结构, 其主要参数的设计计算如下 星形套沟道截面圆弧半径 R x 为 R x = f xD w 式中 : fx = 0 . 515~ 0 . 525 , 一般 f x = 0 . 52 。 星形套沟道接触角
图 1 双偏置式万向节
2 主要零件的结构设计
2 . 1 筒形壳 筒形壳的沟道素线均与轴线平行 , 沟道截面
8
轴承 2008.
. 8
2 . 3 偏心保持架 如图 5 所示, 双偏置式等速万向节偏心保持 架的结构设计应使 6 个窗孔中心线与保持架中心 线重合。内、 外球面中心距窗孔中心距离相等 , 确 保该万向节转角时, 主、 从动轴始终同步。根据该 万向节的等速原理 , 偏心保持架的外部轮廓应为 纯球面。由于外球面中心至内球面中心距离等于 偏心距的 2 倍 , 在与 内球面相交的端面附近壁厚 就变得很薄 , 热处理工艺性较差 , 特别是使用中, 此区域易先磨损甚至破碎。所以 , 在此端通常设 计成 15 的锥面并与外球面相切 , 缓解了两端壁厚 的差异 , 又不影响转角 ( 极限转角可达 2 15 = 30 )。
[ 1]
hk ) tan k
( 9) ( 10)
或 D g = D + Dw + 2 k 3 . 6 星形套沟道底部直径 ( 1) 底部直径 d g 为 dg = D - 2( ( 2) R x - hx x 2 2
由图 3 和图 4 的几何关系, 可得星形套沟 道 hx ) tan x
( 11) ( 12)
偏心保持架内球面理论轴向宽度一般等于星 ( 16 )
图 6 内、 外球面径的求解
由于 AC - AB = BC 而 AC = AB = D 2
2 2
O 1B - O 1A =
(
Di 2 Dw 2 ) - ( - e) 2 2
如图 1 所示, 筒形壳沟道长度一般要小于内 腔长度 , 这是因为传动轴压缩到极端时, 偏心保持 架先接触到内腔底部, 所以筒形内腔长度 L k 可按 下式计算 1 L k = L g + (B j - Dw ) 2 3 . 15 偏心保持架的偏心距 偏心保持架内、 外球面曲率 中心分别位于窗 孔中心的两侧, 且内、 外球面曲率中心至窗孔中心 的距离 ( 偏心距 ) 相等。其值 e可按下式计算 1 D sin 2 2 一般 = 16 ~ 18 。 e= 3 . 16 偏心保持架内球面径 双偏置式等速万向节 6 个钢球始终与保持架 窗孔相切。为使两轴夹角为最大值时仍能很好的 接触, 而当轴间角为 0 时, 由图 6 可知, 钢球轴向 ( 22 ) ( 21 )
hx Dw tan x 2
另外, 为装配星形套 , 在偏心保持架外球面中 心一侧的端面处开出一制口 , 并在该制口与内球 面相交处设计一较短的圆柱面。
3 . 5 筒形壳沟道底部直径 由图 1 和图 2 的几何关系, 可得筒形壳沟 道 底部直径 D g 为 D g = D + 2( R k - hk 2 2
形状为图 2 所示的双偏心圆弧形。由于保持架偏 心的原因 , 使得筒形壳沟道较球笼式万向节钟 形 壳的沟道明显变浅, 若接触角仍按 45 设计 , 钢球 与沟道的接触点将 位于沟道边缘附近, 甚至有 接 触不上 的 可能。为 此, 该 沟道 的 接 触角 设 计 成 36 。由于偏心保持架在筒形 壳圆柱面上既有 滚 动又有滑动, 所以, 圆柱面与偏心保持架外球面间 要有足够的间隙, 于是, 在筒形壳外口处设计了一 卡簧槽。
3 结构主参数的设计计算
3 . 1 钢球直径 钢球直径 D w 可按下式计算 Dw = 0 . 22 Dk 计算所得应选取最接近的标准值。 3 . 2 球组节圆直径 球组节圆直径 D pw 可按下式计算 D pw = K (D e i + D k ) 一般 K = 0 . 51~ 0 . 53 。 3 . 3 筒形壳沟道截面参数 如图 2 所示, 筒形壳沟道截面形状是应用最 为广泛的关于钢球对称的双偏心 圆弧形, 其主参 数设计计算如下。 筒形壳沟道截面圆弧半径 R k 为 R k = f kD w