论文总字数：23670字

摘 要

球笼式传动轴是由球笼式万向节和驱动半轴组成的传动装置，其中核心部件是球笼式万向节。球笼式等速万向节是广泛运用在机械行业，它是轿车传动系统的重要组成部分。而球笼式万向节最重要的设计是其接触表面的设计。本文根据某款汽车的设计要求，通过查找相关资料自主设计了适配其要求的球笼式等速万向节及传动轴。工作内容包括：对球笼式等速万向节常用的三种沟道类型进行了参数分析。总结了球笼式等速万向节各零件的参数设计方法并给出了具体的设计步骤。建立了球笼式等速万向节装配体模型，并使用SolidWorks对模型进行在两种万向节夹角下进行了有限元分析，分析结果验证了设计的合理性。

关键词：球笼式等速万向节；沟道设计；有限元分析；

Abstract

The ball-type constant velocity joints are one of the most widely used universal joints, which are the important parts of automobile transmission system. The most important design of the ball-type constant velocity joints is in its contact surface. This paper designs a ball-type constant velocity joint that adapts to the requirements by searching the relevant data according to the certain car. The study includes the parameter analysis of three kinds of race used in the ball-type constant velocity joints. Summarize the parameter design method of the parts of the ball-type constant velocity joints and show the concrete design steps. Build the assembly model of the ball-type constant velocity joint and use the SolidWorks Simulation to carry out FEA. The result of the analysis prove the design.

Keyword: Ball-type constant velocity joint; SolidWorks; Finite Element Analysis;

第一章 绪论

1.1引言

球笼式传动轴是由球笼式等速万向节与传动半轴组成的传动机构，其主要作用是将差速器输入的动力等速传递到轮毂上，其中的万向节是主要设计对象。

万向节是广泛运用在传动系统的一种零部件，是万向节传动装置的重要组成部分。万向节的主要作用是在轴线不同心的两轴之间传递运动和动力，这就决定了它不同于其他传动机构的优势。当传递扭矩和运动时，若两根轴距离较远或是两轴轴间夹角比较大且夹角可能发生变化，往往这种情况下只能使用万向节传动机构。万向节以其强大的泛用性在重型机械、农业机械、交通运输机械、纺织机械等领域都有大量应用，尤其是汽车动力传动系统更离不开万向节传动装置。

万向节传动装置是汽车传动系统中的基本组成部分。在汽车的动力从发动机传递到车轮的过程中需要经过许多轴，这些轴的轴线往往不重合并且有的轴的位置会发生变化，这就导致汽车无法使用齿轮、蜗轮等传动机构完成动力传递的全过程。为了满足这种特殊的位置关系，汽车上必定使用有万向节传动装置。对于前置后驱的汽车来说，发动机和驱动桥之间有较大距离，并且变速箱与驱动桥的相对位置不确定。这就导致了在传动轴布置时无法让输入轴与输出轴轴线重合。而且汽车在工作时会因为路面起伏使悬挂发生弹性变形，从而改变输出轴与输入轴的相对位置和夹角，因而需要万向节传动装置进行连接。而对于前置前驱的车辆，前轮既是驱动轮还是转向轮，驱动轮要求动力连续传递而转向轴要求车轮任意偏转。为了实现这一功能，常在可转向驱动桥与半轴之间使用等速万向节。

万向节在使用过程中通常是在滚道表面产生疲劳点蚀、剥落、麻坑等疲劳破坏。在设计时要考虑万向节的破坏类型，合理的设计万向节的相关参数以提高其使用性能和寿命。而对这两项指标影响最大的是万向节工作时传动零件间的接触状况。因而在设计过程中往往通过分析各零件的受力情况来指导设计过程。但是随着装置零件数的增加，其结构也变得极为复杂，通过实验分析的方法进行测量显得低效且困难，甚至无法进行。因而使用有限元分析的方法在当今的产品设计过程成为主流。

1.2万向节简介

据载，万向节的雏形最早源自1354年法国斯特拉斯堡大教堂上的时钟机构，而万向节这一名字源于英国人Robert Hook。他在1663年发明了一种通过铰链进行运动传递的机构，因为这种机构能够实现多个方向上的转动，所以Hook将它命名为“universal joint”即万向节。万向节经过数百年的发展，到了今天万向节的种类有很多。一般来说可以将万向节分为两大类：刚性万向节与挠性万向节。扭转变形量可以忽略的视作刚性万向节，而变形量大的为挠性万向节。下面将介绍这些万向节的特点。

1.2.1 十字轴式不等速万向节

十字轴式万向节是使用比较普遍的一类不等速万向节，工作时由主动叉经十字轴带动从动叉转动，可绕十字轴中心在所有方向上转动。十字轴式万向节的缺点是无法以相等的瞬时角速度传递动力，并且在连接角大的时候会导致传动轴转速波动很大，使传动系统产生较大的振动和噪声。十字轴式万向节的结构比较简单，但却有着很好的工作强度和使用寿命，并且其生产成本低、传动效率高，允许的两传动轴轴间夹角范围在15°-20°。因此在连接角小的时候通常选用这种万向节，它是现在使用最广泛的万向节之一。

1.2.2 准等速万向节

准等速万向节虽然能够实现让两轴以相同的转速传递动力，但是这种万向节的传动是受到限制的^[1]。当且仅当这类万向节处于特定角度时才能实现等速传动，而偏离了设计角度会导致等速条件被破坏，只能以角速度近似相等的方式传动。现在比较常用的准等速万向节主要有双联式万向节、三销轴式万向节以及凸块式万向节三种。

1.2.2.1双联式准等速万向节

双联式万向节的本质是两个同平面装配的十字轴式万向节^[2]。其通过设置的分度装置迫使双联式万向节连接的两根传动轴的转速近似相同。由于这种万向节相当于是两个十字轴式万向节装配而成的，这就造成它零件数目较多、整个结构复杂整体尺寸大。双联式万向节主要优点是允许较大的两轴间连接角、工作可靠、效率高、制造方便。

1.2.2.2三销轴式准等速万向节

三销轴式万向节由三销轴、偏心轴叉以及滚针轴承等零部件构成。三销轴式万向节由于零件较多且部分零件需要较高的加工精度，这导致了三销轴式万向节的整体尺寸很大并且加工比较复杂。它的主要优点是可在较大轴间夹角下工作。

1.2.2.3凸块式准等速万向节

凸块式准等速万向节由两个万向节叉以及两个与之配合的凸块组成^[2]。其运动副类似于双联式万向节，两凸块相当于双联式万向节的中间轴和十字轴，通过凸块让两轴的转速最大程度的接近。凸块式万向节的工作接触表面为平面，存在较大的滑动摩擦。因此凸块式万向节的传动效率不高，接触表面易发生破坏，但也因此加工起来比其他万向节简单，工作时能够保证传动，允许的轴间夹角大。

1.2.3等速万向节

能够保证输入轴与输出轴的瞬时角速度始终相等的万向节是等速万向节。常用的等速万向节有以下三种。

1.2.3.1球笼式等速万向节

球笼式等速万向节的零部件有钟形壳、星形套、保持架以及传动钢球构成^[3]。球笼式万向节能够保持以始终相等的转速传递动力的原因在于它特殊的结构。在产品设计时，星形套外球面的尺寸与保持架内球面的尺寸相等，两者组成了一个球面副。而钟形壳内球面的尺寸与保持架外球面的尺寸相等，两者也形成了一个球面副^[4]。因为保持架的外球面与内球面有着相同的几何中心，所以这两个球面副同心，将此球心称作O。星形套与钟形壳沟道底部轨迹为一条圆弧，其圆心分别为A和B，OA和OB分别是星形套和钟形壳的旋转轴。在设计时让OA=OB，而钢球通过保持架使钢球球心O₁始终位于∠AOB的角平分线上。根据角平分线的性质，可以保证钢球球心O1与星形套钟形壳运动中心A和B的距离相等，即O₁A=O₁B。钟形壳、星形套、钢球在钢球球心的瞬时速度相等，其旋转半径相等，v=ωr，就这样保证了等速传动。

球笼式万向节相较于其他万向节有如下优势：允许轴间夹角大、瞬时速度始终相等、高效、拆装方便、能承受较大载荷和冲击、密封性好等。但是球笼式等速万向节的工作原理要求其零件的加工精度高，因此加工困难。

1.2.3.2球叉式等速万向节

球叉式等速万向节由主、从动球叉和钢球构成。球叉上有供钢球运动的滚道，根据滚道的种类可以将球叉式等速万向节进一步划分。滚道形状是圆弧的为圆弧槽型的球叉式万向节。其在两叉上各有四条圆弧形凹槽，将主动叉和从动叉一定的位置关系进行装配，两零件的滚道共同限制钢球运动形成了钢球的运动轨迹。主要特点是结构简单，允许的工作夹角可达33°。直槽滚道型球叉式万向节在主动叉和从动叉上的凹槽为直槽，直槽以球叉的轴线均匀分布且倾角相等。这种的万向节只能在不超过20°的夹角下工作。

1.2.3.3三枢轴式等速万向节

三枢轴式等速万向节由三枢轴、筒形壳、球形滚轮、滚针等部件构成。当输入输出轴轴间夹角为零时，三枢轴和球形滚轮位于筒形壳沟道中，由三枢轴的自定心功能使两轴轴线重合实现等速运动。当轴间角夹角不为零时，三枢轴的轴颈会沿滚针滑动使球形滚轮与筒形壳沟道相配合，实现等速传递动力。由于三枢轴式等速万向节能够进行轴向伸缩，其内部的滑动摩擦力的轴向分力会诱发振动，因此需要良好润滑条件和增设滚动零件来减小摩擦。

1.2.4挠性万向节

挠性万向节主要由弹性元件、定心装置及连接件组成。挠性万向节可以通过弹性元件保持两转动轴的相对位置，但是弹性变形量不大，因而只用于很小夹角下的传动。挠性万向节结构简单、无需润滑，能够减小传动系统的动载荷、振动和噪声。

1.3球笼式等速万向节的发展历程

1908年， William Whitney第一次提出了球笼式的万向节这一构想并注册了专利，用钢球和滚道代替锥齿轮来传递旋转运动。但遗憾的是由于设计存在缺陷，无法确定钢球在滚道轨迹上的确切位置，这项专利未能应用于生产。1927年Alfred Rzeppa对球笼式万向节的结构做了改进但仍未能避免这一设计缺陷。一直到1933年Bernard Stuber再次改进了球笼式万向节结构，他创造性地让球笼式万向节内外滚道的轨迹中心与万向节中心保持一个偏心距从而解决了这一难题，使得Rzeppa球笼式万向节在原理上得到了巨大革新，现在的各类球笼式等速万向节都是基于此原理设计的。1958年英国研发出了的Birfield球笼式等速万向节。常见的球笼式等速万向节为六沟道或八沟道，2012年石宝枢通过对原有的六沟道和八沟道的万向节进行研究，自己发明了一种新型的七沟道的球笼式万向节，这是球笼式万向节又一次技术上的重大突破。

1.4国内外研究概况

球笼式等速万向节在汽车行业内的应用最为普遍。球笼式万向节不仅传动效率高、承载能力大，工作性能突出而且能够有效减少汽车的油耗，依靠着一“物美价廉”的特质得到了诸多汽车厂商的欢迎，大量的科研资源投入到了球笼式等速万向节的研究当中。其中德纳、采埃孚、恩梯恩等是其中的佼佼者，它们拥有着目前世界上最为领先的球笼式等速万向节研发能力和技术基础。

我们国家在上世纪改革开放之前很少有场合能用到球笼式等速万向节，与之相关的研究也很少。直至八十年代随着国外轿车的引进，球笼式等速万向节才真正登上国内的舞台，并在1987年颁布了我国关于球笼式等速万向节的国家标准。国内关于球笼式等速万向节的研究主要有：王静、齐朝晖建立了六沟道球笼式万向节的多体运动学、动力学模型；凭借刚体接触理论，以连续接触力模型和冲量动量法模型推导出了六沟道球笼式万向节的动力学方程并讨论了多体接触问题；使用Adamas软件求出了模型在零夹角和极限夹角下星形套与钟形壳的瞬时速度，验证等速性原理，并求得各个钢球的运动轨迹坐标^[1]。江威、李玉良建立了六沟道球笼式万向节的动力学模型。求出了等效非线性弹簧阻力模型的接触应力；运用Adams和ANSYS软件建立了六沟道球笼式万向节的刚柔耦合动力学模型；编写检测零件碰撞和检查接触位置的算法程序^[5]。李建业、刘德忠等依据六沟道球笼式万向节运动学模型，分析了钢球与其他接触零件的接触关系验证了万向节的等速性；得到了有关六沟道球笼式万向节受力与星形套钟形壳沟道接触类型、整体结构布置及尺寸设计的结论；根据赫兹接触理论计算了各零件的接触应力，得到了星形套是六沟道球笼式万向节最薄弱的部分这一结论^[6]。

1.5主要研究内容

本研究的目标是根据企业要求设计出一款使用的球笼式等速万向节。在第一章绪论部分介绍了万向节这一传动装置并阐述了球笼式万向节的发展研究过程。第二章通过学习球笼式万向节的相关原理，总结万向节三种常见沟道类型的设计方法。第三章进行了球笼式万向节各零件的尺寸计算以及传动轴的结构设计，为之后的建模提供依据。第四章是有限元分析法的基本原理，在这一部分对球笼式万向节会遇到的接触问题做了简单介绍。第五章是有限元分析部分，使用有限元分析软件对球笼式传动轴模型做了等效应力分析，通过应力分析验证了设计的合理性。

第二章 球笼式等速万向节沟道设计

球笼式等速万向节内部沟道截面类型一般有三种，分别为圆弧形、椭圆形和双圆弧形。不同的沟道截面类型对球笼式等速万向节的影响不尽相同。圆弧形沟道截面的形状简单易加工，与钢球只有两个接触点所以不容易出现滞点，但因此带来的缺点是沟道磨损严重使用寿命相对较小。双圆弧形沟道截面形状复杂加工成本高，但是这种形状的沟道在底部与边缘不会与钢球发生接触，这样就保证了万向节即使在工况恶劣时也不会产生不良接触，因此有较长的使用寿命。椭圆形沟道截面与双圆弧形沟道截面类似，工作时与钢球四点接触，其加工难度较高但寿命长。以下是各类型沟道截面的设计方法^[7][8][9]。

2.1圆弧形沟道设计

圆弧形沟道截面顾名思义，其形状是一段圆弧。这段圆弧的半径比钢球稍大。如图2.1所示，钢球与沟道单点接触，设圆弧沟道的半径为R₁，圆心为O，以钢球球心O₁为原点建立如图2.1所示的坐标系。

设钢球球心与沟道圆心的距离OO₁=R₁-D_w/2=e，根据几何关系可得如下方程：

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