1、球籠式萬向節設計球籠式萬向節設計作者：XXX;指導老師：XXX（XXX大學工學院2011級車輛工程專業合肥230036）下載須知本文檔是獨立自主完成的畢業設計，只可用于學習交流，不可用于商業活動。另外，有需要電子檔的同學可以加我2353118036，我保留著畢設的全套資料，旨在互相幫助，共同進步，建設社會主義和諧社會。同進步，建設社會主義和諧社會。CADEpro已聞xmxmgjiabaochijia畫匚開題攝告.DWGdanggai目次畢業論文（設計任務書.計DWGtongxingzhao摘要：球籠式萬向節是上個世紀六七十年代快捷發展出來的一種萬向節，它的特點是密封性好、同步性好、緊湊、結構簡

2、單、壽命長、承重效果好、效率高、角位移大。它主要應用于起重機、拖拉機、汽車、紡織、醫療等領域。本設計基于對汽車傳動系統布局結構的設計，以確定球籠式萬向節的結構特性和其他參數。對于球籠式萬向節等速性的運動，受力，效率和壽命有了深入的分析。選擇了材料分析過程中的重要部分和零件，并采用三維繪圖軟件PRO-E進行了分析。關鍵詞：球籠式萬向節；結構；設計；分析；選擇；壽命校核1緒論球籠式等速萬向節是奧地利A.H.Rzeppa于1926年發明的（簡稱Rzeppa型），后經過多次改進。1958年英國波菲爾（Birfidld）集團哈迪佩塞公司成功滴研制了比較理想的球籠聯軸器（稱Birfield型：或普通型，簡

3、稱BJ型）。1963年日本東洋軸承株式會社引進這項新技術，進行了大量生產、銷售，并于1965年又試制成功了可作軸向滑動的伸縮型（亦稱雙效補償型，簡稱DOJ型）球籠萬向聯軸器。目前，球籠式等速萬向節已在日、英、美、德、法、意等12個國家進行了專利主城。Birfield型和Rzeppa型萬向節在結構上的最大區別，除沒有分度機構外，還在于鋼球滾道的幾何學與斷面形狀不一樣。Rzeppa型萬向節用的是單圓弧的鋼球滾道，單圓弧滾到其半徑大一個間隙，因此最大接觸應力常發生在滾道邊緣處。當鋼球的載荷很大時，滾道邊緣易被擠壓壞，從而降低了工作能力。Birfield（BJ型）萬向節的鋼球滾道橫斷面的輪廓為橢圓型，

4、騎等角速傳動是依靠外套滾到中心A、內套滾到中心B等偏置地位于萬向節中心0的兩側實現的。而伸縮型的等速傳動則依靠保持架（球籠）外球面中心A與內球面中心B等偏置地位于萬向節中心0的兩邊實現的。2結構分析球籠式萬向節是目前應用最為廣泛的等速萬向節。早期的Rzeppa型球籠式萬向節（圖1a）是帶分度桿的，球形殼1的內表面和星形套3的球表面上各有沿圓周均勻分布的六條同心的圓弧滾道，在它們之間裝有六個傳力鋼球2,這些鋼球由球籠4保持在同一平面內。當萬向節兩軸之間的夾角變化時，靠比例合適的分度桿6撥動導向盤5,并帶動球籠4使六個鋼球2處于軸間夾角的平分面上。經驗表明，當軸間夾角較小時，分度桿是必要的；當軸間

5、夾角大于11°時，僅靠球形殼和星形套上的子午滾道的交叉也可將鋼球定在正確位置。這種等速萬向節無論轉動方向如何，六個鋼球全都傳遞轉矩，它可在兩軸之間的夾角達35°37°的情況下工作。目前結構較為簡單、應用較為廣泛的是Birfield型球籠式萬向節（圖1b）。它取消了分度桿，球形殼和星形套的滾道做得不同心，令其圓心對稱地偏離萬向節中心。這樣，即使軸間夾角為0°，靠內、外子午滾道的交叉也能將鋼球定在正確位置。當軸間夾角為0'時，內、外滾道決定的鋼球中心軌跡的夾角稍大于11°,這是能可靠地確定鋼球正確位置的最小角度。滾道的橫斷面為橢圓形，接觸點

6、和球心的連線與過球心的徑向線成45'角，橢圓在接觸點處的曲率半徑選為鋼球半徑的1.031.05倍。當受載時，鋼球與滾道的接觸點實際上為橢圓形接觸區。由于工作時球的每個方向都有機會傳遞轉矩，且由于球和球籠的配合是球形的，因此對這種萬向節的潤滑應給予足夠的重視。潤滑劑的使用主要取決于傳動的轉速和角度。在轉速高達1500r/min時，一般使用防銹油脂。若轉速和角度都較大時，則使用潤滑油。比較好的方法是采用油浴和循環油潤滑。另外，萬向節的密封裝置應保證潤滑劑不漏出，根據傳動角度的大小采取不同形式的密封裝置。這種萬向節允許的工作角可達42°。由于傳遞轉矩時六個鋼球均同時參加工作，其承載

7、能力和耐沖擊能力強，效率高，結構緊湊，安裝方便。但是滾道的制造精度高，成本較高。第3頁共20頁伸縮型球籠式萬向節（圖1C）結構與一般球籠式相近，僅僅外滾道為直槽。在傳遞轉矩時，星形套與筒形殼可以沿軸向相對移動，故可省去其它萬向傳動裝置中的滑動花鍵。這不僅使結構簡單，而且由于軸向相對移動是通過鋼球沿內、外滾道滾動實現的，所以與滑動花鍵相比，其滾動阻力小，傳動效率高。這種萬向節允許的工作最大夾角為20°。Rzeppa型球籠式萬向節以前主要應用于轉向驅動橋中，目前應用較少。Birfield型球籠式萬向節和伸縮型球籠式萬向節被廣泛地應用在具有獨立懸架的轉向驅動橋中，在靠近轉向輪一側采用Bir

8、field型萬向節，靠近差速器一側則采用伸縮型球籠式萬向節，以補償由于前輪跳動及載荷變化而引起的輪距變化。伸縮型萬向節還被廣泛地應用到斷開式驅動橋中。圖1球籠式萬向節3球籠式萬向節設計球籠式萬向節的失效形式主要是鋼球與接觸滾道表面的疲勞點蝕。在特殊情況下，因熱處理不妥、潤滑不良或溫度過高等，也會造成磨損而損壞。由于星形套滾道接觸點的縱向曲率半徑小于外半軸滾道的縱向曲率半徑，所以前者上的接觸橢圓比后者上的要小，即前者的接觸應力大于后者。因此，應控制鋼球與星形套滾道表面的接觸應力，并以此來確定萬向節的承載能力。不過，由于影響接觸應力的因素較多，計算較復雜，目前還沒有統一的計算方法。假定球籠式萬向節

9、在傳遞轉矩時六個傳力鋼球均勻受載，則鋼球的直徑可按下式確定d=3s3'2.1x102式中，d為傳力鋼球直徑(mm)；Ts為萬向節的計算轉矩(Nm)，TS=minTse,Tss。計算所得的鋼球直徑應圓整并取最接近標準的直徑。鋼球的標準直徑可參考GB754987。當球籠式萬向節中鋼球的直徑d確定后，其中的球籠、星形套等零件及有關結構尺寸可參見圖2按如下關系確定：圖2.球籠式萬向節基本尺寸鋼球中心分布圓半徑R=l.71d星形套寬度B=1.8d球籠寬度B1=1.8d星形套滾道底徑Dl=2.5d萬向節外徑D=4.9d球籠式萬向節設計第7頁共20頁球籠厚度b=0.185d球籠槽寬度b1=d球籠槽長

10、度L=（1.331.80）d（普通型取下限，長型取上限）滾道中心偏移距h=0.18d軸頸直徑d，±1.4d星形套花鍵外徑D221.55d球形殼外滾道長度Ll=2.4d中心偏移角6±6°3.1球籠式萬向節的等速性的分析3.1.1從結構上證明球籠式萬向節的等速性球籠式萬向節的等速性是由本身的結構所決定的，不論有無軸間角，沿著6個鋼球球心所在的平面剖開，都可建立圖3所示的結構。設星形套溝道和鋼球的共軛接觸點（或區）半徑為R1,鐘形殼溝道和鋼球的共軛接觸點的半徑為R2，設鋼球回轉半徑為R,接觸點A既是鐘形殼溝道上的一部分，又是鋼球上的一部分，即接觸區為鐘形殼溝道和鋼球的共

11、軛部分，因此存在3鐘A=3球A，同理3星B=3球B，同一個鋼球具有同一個角速度，即3球A=3球B，因此存在3鐘=3球=3星，這就充分證明球籠式萬向節內部每一部件的角速度都相同，即整個球籠式萬向節具有等速性。也可理解為鋼球是一種鏈，它把鐘形殼和星形套聯接為同一個整體，因此具有相同的角速度。3.1.2從投影幾何學證明球籠式萬向節的等速性投影學認為：當輸入軸和輸出軸的傳動點始終位于輸入和輸出連接角的某一個平面上，且這個平面是唯一的，這個機構具有等速性。參見圖4,對球籠式萬向節，A面和B面的兩個圓在C平面上的投影是一致的，C平面也就是6個鋼球球心所在的平面，因此證明球籠式萬向節具有等速性也可以這樣理解

12、：把一根橡膠管彎曲后，使其一端等速旋轉，結果是中間彎曲部分不斷產生拉伸和壓縮，把力傳遞給另一端，使另一端也等速旋轉。這樣理解等速性，就可以把球籠式萬向節和撓性聯軸器看成同一種結構。圖43.1.3球籠式萬向節線速度的分析圖5所示是球籠式萬向節形成軸間角的運動原理圖。當球籠式萬向節沒有形成軸間角時，鐘形殼軸線OO2和星形套軸線OO1重合，鋼球球心為A點，在第三平面C（OA所在平面）中，任一鋼球中心點A的線速度為VA=31OA（對于主動軸），VA=32OA（對于從動軸），由于存在31=32，因此存在VA二VA，說明B平面（主動軸）的線速度和A平面（從動軸）的線速度經投影后在C平面上的線速度是相等的。

13、在B平面和A平面中，主動軸線速度V1=01A31,線速度V2=O2A32,由于球籠等速萬向節存在31=32，所以存在下式VOA22所以設OA=R（鋼球回轉半徑），設偏心距001=e1，002=e2由幾何關系可得:01A二R/cosyA1,02A二R/cosyA2,由上式得V cosy_1_=A1_V cosy2A2OA=VR2+e2,OA=R2+e2,112上式表明，在C平面上的A點沿Y1角投影為B平面上的主動軸線速度,沿Y2角投影為A平面上的從動軸線速度，反過來也可認為由Y1角和Y2角就可以確定C平面。上式表明，主動軸的線速度VI和從動軸的線速度V2的比值是由球籠式萬向節偏心距決定的。只有當

14、el=e2時，才存在V1=V2,球籠式萬向節才存在a=20這一特性。如果elHe2,就必然存在V1HV2,aH20，但它們的角速度都相等，具備同步性。當球籠式萬向節形成軸間角a時，鋼球轉角為0，鋼球從點A移至點B。在B點時，VB1/VB2=O1B/BG，由于01B=O1A，在文獻中已經證明BG=02A，因此在形成軸間角的過程中，（1）式永遠成立。由于yB1工丫1，YB2工丫2，在鋼球轉動形成0角時，投影角度隨時發生變化，但投影角度比值是固定不變的。上式可改寫為V1/V2二cosyA2/cosYA1二cosyB2/cosyB1。也可以認為01A和02A為剛性連桿，在形成軸間角的過程中，連桿長度是

15、不變的，但在鋼球移動到不同位置時兩連桿間的夾角發生變化。3.2球籠式萬向節方案分析與形式選擇3.2.1球籠式萬向節方案分析與形式選擇目前運用較廣的是結構簡單的固定式球籠萬向節和伸縮型萬向節。固定式球籠萬向節它取消了分度桿，球形殼和星形套的滾道做得不同心，令其圓心對稱地偏離萬向節中心。這樣，即使軸間夾角為0°,靠內、外子午滾道的交叉也能將鋼球定在正確位置。當軸間夾角為0'時，內、外滾道決定的鋼球中心軌跡的夾球籠式萬向節設計第23頁共20頁第8頁共20頁角稍大于11°，這是能可靠地確定鋼球正確位置的最小角度。滾道的橫斷面為橢圓形，接觸點和球心的連線與過球心的徑向線成45

16、'角，橢圓在接觸點處的曲率半徑選為鋼球半徑的1.031.05倍。當受載時，鋼球與滾道的接觸點實際上為橢圓形接觸區。由于工作時球的每個方向都有機會傳遞轉矩，且由于球和球籠的配合是球形的，因此對這種萬向節的潤滑應給予足夠的重視。潤滑劑的使用主要取決于傳動的轉速和角度。在轉速高達1500r/min時，一般使用防銹油脂。若轉速和角度都較大時，則使用潤滑油。比較好的方法是采用油浴和循環油潤滑。另外，萬向節的密封裝置應保證潤滑劑不漏出，根據傳動角度的大小采取不同形式的密封裝置。這種萬向節允許的工作角可達42°。由于傳遞轉矩時六個鋼球均同時參加工作，其承載能力和耐沖擊能力強，效率高，結構緊

17、湊，安裝方便。但是滾道的制造精度高，成本較高。伸縮型球籠式萬向節結構與一般球籠式相近，僅僅外滾道為直槽。在傳遞轉矩時，星形套與筒形殼可以沿軸向相對移動，故可省去其它萬向傳動裝置中的滑動花鍵。這不僅使結構簡單，而且由于軸向相對移動是通過鋼球沿內、外滾道滾動實現的，所以與滑動花鍵相比，其滾動阻力小，傳動效率高。這種萬向節允許的工作最大夾角為20°。鑒于上述的對于兩種萬向節的論述，結合設計要點，本設計采用一端固定式球籠式萬向節另一端采用伸縮性球籠式萬向節。3.2.2零部件的結構分析與形式選擇。球籠式等速萬向節的外圈（鐘形殼、筒形殼）、內圈（星形套）和保持架三大部件構成了兩對球面運動副，即外

18、圈內球面和保持架外球面；內圈外球面和保持架內球面，如圖6、圖7。保持架引導外圈（內圈）沿保持架球面相對運動，使等速萬向節的輸入軸與輸出軸可不在同一直線上，但能保證鋼球中心圓平面處于輸入軸與輸出軸的角平分平面上。保持架的內（外）球面與外圈（內圈）球面球心在理論上應重合且無間隙，以滿足萬向節的等速性要求。實際上加工制造中不可避免地存在誤差，而且球面運動副間相互運動需要有足夠的配合間隙，以貯藏潤滑劑，故產品設計時應給出球面配合尺寸的公差及公差帶，控制球面運動副的間隙。球籠式等速萬向節的球面運動副配合間隙對其性能有很大的影響，如球面運動副間隙過大，回轉方向間隙、不等速性變大，等速萬向節會產生沖擊、噪聲

19、，除此之外，還會受其他驅動系統的影響產生振動;如果球面運動副間隙過小，使零件磨損加大、壽命降低等。因此,球籠式等速萬向節球面運動副配合間隙在設計上要有較嚴格的要求，以保證最佳的配合間隙。RF固定球籠式萬向節與其他結構的固定式球籠萬向相比由于滾道在徑向截面上為圓形，鋼球與滾道為兩點接觸的中心固定型等速萬向節，所以制造工藝簡單，承載能力也較強，使用壽命比較長。而DOJ型的伸縮式萬向節由于采用的是直滾道所以設計制造簡單，成本較低。圖73.3RF型球籠式萬向節的設計計算RF球籠式萬向節在傳遞轉矩時六個傳力鋼球均勻受載，則鋼球的直徑可按下式確定S2.1x104式中，d為傳力鋼球直徑(mm)；Ts為萬向節

20、的計算轉矩(Nmm)，T$=minTse，Tss。當球籠式萬向節中鋼球的直徑d確定后，其中的球籠、星形套等零件及有關結構尺寸可參見下表一。表一：球籠式萬向節主要參數表計算內容計算公式RF型球籠式萬向節DOJ伸縮式球籠萬向節鋼球的直徑(mm)iTd=Js計2.1x10417.46217.462鋼球中心分布圓半徑(mm)R=l.71d3030星形套寬度（mm）B=1.8d3131萬向節外徑（mm）D=4.9d8686球籠寬度（mm）B=1.8d13131星形套滾道底徑（mm）D=2.5dl4444球籠厚度（mm）b=0.185d33球籠槽寬度（mm）b=d11717球籠槽長度（mm）L=1.3d2

21、323滾道中心偏移距（mm）h=0.18d3軸頸直徑（mm）dz21.4d2525星形套花鍵外徑（mm）D21.55d22724球形殼外滾道長度（mm）L=2.4d14242中心偏移角（°）(526°3.4球籠式萬向節的壽命校核3.4.1給定如下某汽車參數表如下所示表二：某汽車總體參數表取大發動機功率P=86KW(n=5500r/min)eff最大轉矩M=145Nm(n=3300r/min)maxm汽車總質量G=16758N前軸許用載荷G=7200NF驅動橋傳動比i=4.111A滿載重心高度h=0.5m滾動半徑R=0.249mr表三：變速器變速比檔位12345變速箱is3.

22、5452.1051.3000.9430.789各檔的利用率為15檔分別是1%、6%、18%、30%和45%，汽車至少有10萬km的壽命。3.4.2轉矩校核。摩擦系數U=1；振動系數Ks=1.2。汽車以U=1和Ks=1.2時最大轉矩啟動，以最大發動機轉矩的2/3驅動而各擋勻速，計算其起動轉矩MA和附加轉矩MH。計算額定轉矩為MN=2650NmM=LMii=1X145X4.111X3.5452113(Nm)W2650(Nm)ApmASiM=KpGR=1.2X1X16758X0.2491218(N-mX2650(N-m)hSiAr4.111故滿足設計要求3.4.3校核使用壽命，具體計算結構如下表表四

23、:汽車的校核使用壽命計算表擋位12345ax0.010.060.180.300.45i=iXixsA14.578.565.343.883.28n=n/ixmx2263866188511006v=0.377Rnxrx79.994.4由表可得1aaaaa二x+x+x+x+x=53.8x10-5LLLLLLhhlh2h3h4h5所以Lh=1858.7h，汽車的平均行駛速度為V0.01X21.2+0.06X42.1+0.18X58.0+0.3X79.9+0.45Xav=94.4=79.63(km/h)其使用壽命為L=1858.7X79.63148011(km)10萬kms故滿足

24、使用要求。同理，伸縮性萬向節的使用壽命為L=1858.7X7963X(367/360)3156813(km)10萬kms同樣滿足使用要求。3.4.4傳動軸的校核。由于等速萬向節總成采用雙向萬向節，傳動軸只受扭矩而不受彎矩。因此，只要對其進行扭轉強度校核。軸徑最小處為D=25mm，抗扭截面模量為16nx(0.0025)3163.1x10-9(m3)=M1218u39.2(MPa)maxh=W3.1x10-9p4.零件的三維造型及二維裝配圖繪制4.1概論三維造型實體模型除了可以將用戶的設計思想一最真實的模型在計算機上表現出來之外，借助于系統參數，用戶還可以隨時計算出產品的體積、面積、重心、慣性大小

25、等，以了解產品的真實性，并彌補傳統面結構、線結構的不足。用戶在產品設計過程中，可以隨時掌握以上重點，設計物理參數，并減少許多人為的計算時間。利用三維造型實體模型生成二維工程圖，并且自動標注工程尺寸。不論在三維造型還是二維圖形上做尺寸修改，其相關的二維和三維造型實體模型均自動修改，同時，裝配、制造等相關設計也會自動修改，這樣可以確保數據的準確性，避免反復修改耗時。由于單一數據庫，提供了雙向關聯性的功能，這也符合了現代產品中的同步工程思想。通過前面的球籠式萬向節的設計計算，已初步確定了各零件的主要尺寸，接下來將對各零件生成三維造型，在設計過程中許多尺寸需進行適當地調整，所以采用了參數化設計。運用P

26、ro/e和AutoCAD對該設計進行了輔助分析。4.2RF型球籠式萬向節的設計4.2.1模型三維裝配圖圖84.2.2RF型球籠式萬向節鋼球的設計圖94.2.3RF型球籠式萬向節保持架的設計圖104.2.4RF型球籠式萬向節星型套的設計圖114.2.4RF型球籠式萬向節球形罩的設計圖124.3D0J型球籠式等速萬向節的設計4.3.1模型三維裝配圖圖134.3.2D0J型球籠式等速萬向節筒型罩的設計4.3.3D0J型球籠式等速萬向節星型套的設計4.3.4三維造型DOJ型球籠式萬向節保持架的設計圖164.3.5D0J型球籠式萬向節擋蓋的設計圖174.4球籠式等速萬向節傳動軸其他零件的設計4.4.1卡

27、簧的設計4.4.2防塵罩的設計圖194.4.3傳動軸的設計4.5總體結構模型三維裝配圖結論在這次畢業設計中，我設計的題目是：球籠式等速萬向節。雖然在之前所學的課程中很少涉及這方面的知識，但是通過了本次設計我對萬向節都有了很深一步的理解，而且知道了萬向節的等速原理，萬向節的各方面都有了不同的見解。球籠式萬向節設計第19頁共20頁而且這次設計讓我對所學習的繪圖軟件AutoCAD和Pro-e更加的熟悉，在我以后的工作和生活中都會有很大的幫助。這次設計給我最大的感觸就是，只要心中有不放棄、不服輸的勁兒，我們就能成功我們就能克服所有困難。還有就是對陌生事物的自學能力，我相信這次設計將會對我以后的工作和日

28、常生活都會有很大的幫助。致謝為期三個多月的畢業的設計，我非常感謝我的導師黃莉莉。由于經驗的匱乏，在設計過程中難免有許多問題會考慮不周，如果沒有黃老師的悉心指導與督促，畢業設計不會這么順利的完成。畢業設計過程中，黃老師耐心的指導使我受益匪淺，她扎實的理論知識與豐富的實踐經驗給我留下了深刻的印象，也正是老師認真負責的教學態度使我從畢業設計中真正的學會了學以致用，將課本知識與實踐中所遇到的問題相聯系，整合了自己在校所學的專業知識，同時提高了我發現問題、解決問題的能力。在此，我向黃老師致以最真誠的敬意。在最后我要感謝學校、學院對我們的培養，為我們的學習以及畢業設計創造良好環境、提供便利條件。伴隨著畢業

29、設計的結束，我們也將離開校園，有過少耕耘就有多少收獲，相信我們走出校園后能將自己的價值體現出來，回報父母、回報學校，為社會做自己力所能及的貢獻。再一次感謝在畢業設計中給予我幫助的老師和同學們，祝大家在今后的工作和生活中一切順利。參考文獻1陳家瑞，高瑩,馬天飛，尹法欣.汽車構造.第3版北京：機械工業出版社,20112劉鴻文，林建立，曹曼玲，陳乃立材料力學I第5版北京：高等教育出版社，20103鄭文緯，吳克堅機械原理第7版北京：高等教育出版社，20124孫靖民，梁迎春機械優化設計第5版北京:機械工業出版社,20125成大先機械設計手冊北京:化學工業出版社，20046楊志姝，吳華.Pro/ENGIN

30、EERWildfire2.0中文版標準教程.北京:清華大學出版社,20057翟文杰，韓寶玲,方昆凡，王三民，郭寶霞機械設計手冊第5版.北京：機械出版社,20108周四新.Pro/ENGINEERWildfire基礎設計.北京：機械工業出版社，20039周四新.Pro/ENGINEERWildfire高級設計.北京：機械工業出版社，200310 RamPrasadDiwakaran,MichaelD.Johnson.Analyzingtheeffectof第20頁共20頁alternativegoalsandmodelattributesonCADmodelcreationandalterationJ.Computer-AidedDesign,201211 WangHuanling,XuWeiya.3DGeologic