球笼式等速万向节原理及运动仿真

第22卷　第6期2000年12月

武　汉　汽　车　工　业　大　学　学　报

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V ol.22N o.6

Dec.2000　

文章编号:10072144X(2000)0620017205

球笼式等速万向节原理及运动仿真

吴　森,吴　义

(武汉汽车工业大学汽车工程学院,湖北武汉　430070)

摘　要:详细阐述了球笼式等速万向节的设计及工作原理,建立并验证了球笼式等速万向节的运

动仿真模型,对JL6370轿车传动轴万向节进行了实例分析。

关键词:等速万向节;运动仿真;仿真模型

:U463.216.3 文献标识码:A

现代经济型轿车大都采用前轮驱动形式,等速万向节是其中的关键部件,等速万向节设计加工质量直接关系到整车性能。球笼式等速万向节是目前使用最多的等速万向节,因其设计制造精度高、难度大,因此在设计阶段对其进行运动分析及运动仿真是很有必要的。

1　万向节原理

1.1　万向节运动学原理

为了寻找能将转矩从一根轴传到另一根轴的合适的机构,需要借助于运动链的概念。运动链自由度f的计算公式为

f=6(n-1)-6i1(6-f i)(1)

式中,f为运动链的自由度;n为杆件数;i为节点数;f

i为第i个节点的自由度。

应用式(1),可以计算运动链节点自由度的总和∑f i为

6i1f i=6(i-n)+(f+6)(2) 对于某一具体的运动链,在满足所要求的运动自由度的条件下,要使其运动链最简单,只需要使杆件数与节点数相等。而万向节以一定夹角传递旋转运动,具有惟一确定的运动,因此f=1。那么节点自由度总和6f i为

6i1f i=6(i-n)+(1+6)=7

最简单的满足7自由度的杆链机构,如图1所示。运动件a与运动件b为圆棒时,节点2

为点接触,该节点自由度f

2

=5。给定不同的节点自由度∑f i,设计各种形式的节点,就可以

收稿日期:2000205216.

作者简介:吴　森(19482),男,湖北武汉人,武汉汽车工业大学教授.

81武　汉　汽　车　工　业　大　学　学　报 2000年12月发展出多种形式的万向节。在保证∑f i不变的情况

下,为了使点接触能够传递大的载荷,对于这样的运动

件,可以在输入和输出元件之间增加一个滚动体元件,

形成一个具有4杆件和4节点的运动链。如果将滚动体

与其他运动件之间的节点设计成滚动体被导槽所导引

的形式,这就是最基本的球式万向节系列,球笼式等速

万向节就是其中的一种[1]。

1.2　球笼式等速万向节工作原理

球笼式万向节是目前应用最为广泛的一种等速万

向节,其结构如图2所示。星形套与保持架以及保持

架与球形壳之间均以球面配合相连,且星

形套外球面、保持架内外球面及球形壳内

球面的球心均重合,确保万向节的中心O

保持不变。星形套内滚道中心B与球形壳

外滚道中心A分别位于万向节中心O两边,

且与O等距,2个三角形△COA与△COB

全等,故∠AOC=∠BOC。此时钢球球心C

到主动轴的距离a和到从动轴的距离b相

等,从而保证了从动轴与主动轴以相等的

角速度旋转[2]。

当两轴线交角α变化时,由于存在轨

道中心偏置OA与OB,星形套轨道与球形

壳轨道相交且存在交角,可以控制钢球,使

之进入角平分面。即使两轴线交角α为0°

时轨道也相交,可以控制钢球进入角平分

面。两轴线交角α为0°时,内、外滚道各自

决定的轨道的夹角应不小于11°,这是可靠控制钢球进入正确位置的最小角度[3]。星形套与球形壳的滚道横断面为椭圆,钢球与滚道的接触点和钢球球心的连线与过球心的径向线成45°角,椭圆在接触点的曲率半径为钢球半径的1.03～1.05倍[4]。

2　球笼式等速万向节运动仿真

球笼式等速万向节是汽车传动的关键部件,其内部运动复杂,加工精度要求高,而按传统的设计方法设计出的万向节无法知道万向节运动过程中是否有干涉现象或者是否会出现各运动件之间间隙过大。为了在生产之前就清楚地了解所设计的万向节的运动情况,笔者对其进行运动仿真,以期及早发现问题并及时改进设计,从而缩短设计周期并降低成本。

2.1　建立运动仿真模型

2.1.1　确定连杆

根据球笼式等速万向节各运动件之间的运动关系抽象出与之等价的结构模型,用简单的

线条来代替实际零件。球笼式等速万向节的实际运动构件只有3个:球形壳、传动钢球、星形套。保持架只是用于对球的控制和定心,并不参与传递运动和载荷。以球形壳轨道圆弧代替球形壳;以星形套轨道圆弧代替星形套;以圆弧代替钢球。

2.1.2　确定连杆之间的运动副输入轴和输出轴分别与机架之间有一绕各自轴线旋转的回转副,传动钢球与两导轨之间的节点自由度之和∑f i =5,在实际分析中用2个以球面低副联结在一起的同心球来模拟,2

个球还分别有一绕导轨法线旋转的回转副

[5]。将这些运动副的自由度代入式(1)得:f =6(n -1)-6i 1(6-f i )=6(5-1)-(5+5+5+5+3)=1

由运动链成为具有确定运动机构的条

件是运动链自由度f ≥1,且原动件数=f ,

给定输入轴一个旋转运动,就可以分析各零

件之间的相对运动关系。球笼式等速万向节

运动仿真模型如图3所示。

2.2　验证运动仿真模型

笔者建模及

计算采用三维造型软件

UG ΠMechanism 模块中的ADAMS 子集处理求解。为了验证该运动仿真模型是否正确,可

以比较输入轴与输出轴上的速度和加速度

是否相等。实际分析时,假定输入轴的旋转

运动方程为Φ=100sin

πt ,则输入轴上的角速度和角加速度分别为ω=100πcos πt ,ε=-100π2sin πt 。图4、图5为给定输入轴的运动后,计

算出的输入轴与输出轴的角速度与角加速度曲线。从图上可以看出,输入轴与输出轴的角速度与角加速度曲线完全重合,说明该运动模型正确地反映了球笼式万向节的运动关系。

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