球笼式等速万向节的结构设计

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自１９８９年开始，瓦房店轴承厂在一无图　纸、二无资料、三无标准、四无经验等重重困难　条件下，知难而进，开拓性的在全国率先进行了　等速万向节的研制，并获突破性进展，取得了可　喜的成果．作为等速万向节产品设计的笔者，迄　今，已自行设计了六大系列５０多个不同结构和　规格的等速万向节产品．其中，夏利轿车用等速　万向节驱动轴总成、拖拉机用２ＢＪ９５型球笼式　等速万向节总成　工程车辆用ＢＪ１８０特大型球　笼式等速万向节、载重汽车用Ｂ．Ｉ１３０大型球笼　式等速万向节、纺织机械用２ＤＱ｝Ｆ９５型双偏置　式等速万向节总成以及出口美国ＢＪ系列１５种　规格等速万向节等产品的研制成功和大批量投　产，有的填补了国内空白，产品水平达到国外嘧　类产品的当代水平。为工厂开发了第二产品，改　变了产品结构单一的现状，创造了显著的经济　效益和社会效益．为厂实施“以高科技产品的开　发驾驭市场　战略迈出了可喜的一步。　等速万向节的结构型式繁多。限于篇幅，现　仅对其具有代表性，应用极　为广泛的ＢＪ型球笼式等速　万向节的几何结构设计作一　简要介绍，以墙读者　、概述　在机械传动系统中，当　有角位移时（主动轴与从动　轴轴线不同心形成夹角），经　常会看到有各种形式的万向　节（亦称万向联轴器）在起作　用。正在使用的十字型万ｊ旬　节，尽管有很多优点，但是，　十字型万向节在单个使用　时，会出现主动轴与从动轴的瞬时角速度不同　步，从而使转速、转矩均发生变化，引起冲击和　扭转振动，并且，随着角位移的变大而急剧加　大。当角位移为３０。时，最大变动率可达１５．　５　．由此可见，在高转速、大角位移的情况下，　不宜单个使用十字型万向节。为清除这种不同　步现象，近年来。成功地研制并使用了称之为　“划时代产品　的球笼式等速万向节。　二、球笼式万向节的同步原理　球笼式万向节主要由钟形壳、星形套，钢球　和保持架（亦称球笼）构成，如图１所示。球笼式　万向节的发展，可以说主要是围绕同步性及其　结构的改进而发展的．　奥地利Ａ·Ｈ－Ｒｚｅｐｐａ最早提出的球笼式　万向节实现完全同步的必要条件是，主动轴通　过中间零件将运动（或转矩）传给从动轴时，在　轴回转的每个位置，两轴间的中间零件必须位　于同一平面内，而此平面平分两轴问的夹角如　图１所示。　

厂　

ｌ搴中形壳２量形套３铜璋４保持檠　图１　瓦轴科技２　假设图ｌ为可正常运转的球笼式万向节。　图中钟形壳ｌ的内球面，星形套２的外球面，保　持架４的内、外球面以及星形套、钟形壳上的　钢球沟槽中心，均与两轴轴线交点Ｏ重合。钢　球中心Ｃ的瞬时速度，由主动轴侧计算Ｖ　＝　

。，由从动轴侧计算ｖ！一ａ　。事实上钢球中　心只能有一个速度，这就要求，ａｏＪｚ￣　。，要使主　动轴和从动轴转速同步，即　一　，则必须ａ—　ｂＩ反之，若ａ＝ｂ，则　＝　。总之，不论轴旋　转到哪个位置，只要ａ—ｂ，则主动轴和从动轴　的瞬时运动速度都是相等的，因此，两轴转速　为满足ａ；ｂ，保持架４的轴线与主动轴　及从动轴轴线之间的夹角ａ　、　应满足下列条　件：ａ　一ａ｜ａ１２，即钢球中心位于两轴轴线夹角　的平分面上。这就是同步的必要条件。　三、球笼式万向节结构型式的　

演变　ｌ，导向杆式球笼万向节　如前所述，只要所有钢球中心始终位于两　轴轴线夹角的平分面上，即可保证两轴转速的　同步性。最初设计球笼式万向节是带有导向杆　装置的，如图２所示。　

ｌ钟蓐壳２囊向抒３罩Ｉ嚣主置整■‘相茸ｓ量蓐　奢６Ｈ动轴７慑｜Ｉ●　’　

圈２　这种装置的球笼式万向节，通过合理选择　导向杆尺寸，使所有钢球中心位于两轴轴线夹　角的平分面上，从而达到两轴转速的同步．但由　于这种结构的万向节零件数量较多，安装和使　用均不便，后来不再使用。那么，探索出一种新　结构的万向节已成为至关重要的课题。　２、偏心距式球笼万向节　图１所示的球笼万向节使保持架和钢球无　法正确定位，钢球受力后会偏离原来的平面，实　际上是不能正常使用的。在导向杆式球笼万向　节的基础上，为了用较少的零件实现完全同步，　设计了如图３所示的得到广泛应用的球笼式万　向节．　

锕球与钟形亮沟檀接触点轨迹　ｉ　（　订　＾　）　’　

圈３　这种万向节的星形套，钟形壳上钢球壤道　沟槽的圆弧中心以相同偏心距分别置于对称线　的两侧Ａ，Ｂ，因此，使钢球中心位于两轴轴线　相对角位移的等分角线上．从而保证两轴转速　同步。这可以从图４进一步得到证明。　图４　图４上所示万向节的中心Ｏ到星形套、钟　形壳滚道沟槽的圆弧中心Ａ及Ｂ的距离（偏　距）相等，即ＯＡ＝ＯＢ，而且从钢球中心到Ａ和　Ｂ的距离相等，即ＡＣ＝ＢＣ，因此，ＡＯＡＣ望　△ｏＢＣ，故钢球中心位于两轴轴线的等分面上．　即使钢球不像图上所表示的那样，不在纸面上　时．钢球中心也肯定位于两轴轴线的等分面上．　由此可见，在任何角位移和任何旋转角度，这种　万向节绐终保持着等速性．　四、滚道沟槽形状及设计　ｌ，椭圆形滚道　（１）结构特点　将图３中的Ｄ—ｃ—Ｂ截面展开，即为星形　套、钟形壳钢球滚道沟槽的断面形状如图５所　示。由图可知，壤道淘槽断面曲线不是正圆形．　而是椭圆形的一部分．钢球与星形套、钟形壳的　滚道沟槽只有两点接触．设计滚道沟槽形状时，　通过控制椭圆弧的大小、使接触点和钢球中心　的连线与中间截面的夹角成为４５‘。接触点处　椭圆曲率半径与钢球直径之比，可根据所需接　瓦轴科技３　触区而定．这可以说是球笼式万向节的第二大　特征。　

圉５　此外ｔ钢球在与滚道沟槽接触时，由于滚道　沟槽的断面曲线是椭圆形．在沟槽边缘Ｅ，Ｆ两　点不会与钢球相碰．尤其是在高速转动及有激　烈冲击辅时，也不会发生棱边接触，接触情况　依然良好。　（２）椭圆形滚道的设计　以壤道椭圆中　为原点建立直角坐标系　ＯＸＹ，钢球中心位于ｏ１点，接触角为Ｐ，钢球直　径为ｄ，并假定钢球、滚道之间无间隙如图６所　示．并引人瞬时淘曲率系数ｆ。　，＝ｐ／ｄ　式中：ｐ一滚道某一点的曲率半径　

圈６　瓦轴科技４　建立椭圆方程　＋吉一１后，可分别求出　接触点Ｃ（Ｘ…Ｙ）处的一阶和二阶导数　、　，　设瞬时曲率为ｉ／ｐ，故Ｙ　亦可表示为关于ｐ　的函数式。这样就可建立若干方程组，然后求解　（过程略），可分别求出星形套滚道椭圆长半轴　ａ－、短半轴ｂｉ、滚道与钢球最大间隙　为：　

塑１－２ｆ　，ｃｏｓ＇ｐ．萼　

ｓｉｎｐ　ｄ　（１－２ｆ，ｃｏｓ＇ｐＹ／￣　

（　塑　＋　Ｊ９　１＋ｑ２ｆｌｃ。ｓ§　

式中：￡——星形套瞬时沟曲率系数　同理可求出钟形壳滚道椭圆长半轴ａ　、短　半轴ｂ｜、滚道与钢球最大间隙　为：　

ｓｉｎ８　ｄ　一　＝　’ｉ　

…　幕　十一　·　式中：　——钟形壳瞬时沟曲率系数　考虑制造的工艺性和经济性，在设计时，星　形套与钟形壳的椭圆参数一般取一致。　即ｐ一艮一Ｂ一４５。　ｆ—ｆ。一　一０．５１～Ｏ．５３（取０．５２）　分别代入上述诸式，经计算可简化为　ａ一０．５３１　ｌ４８ｄ　ｂ＝０．５１０３１０ｄ　ｅ—Ｏ．００１　６８５ｄ　２、双偏心圆弧形滚道　如前所述，星形套和钟形壳滚道与钢球的　接触，理论上为四点，其接触点的法线与钢球和　万向节回转中心的连线成４５　夹角。满足此条　件的截面形状未必只有椭圆一种情形，通过合　理的理论计算，双偏心圆弧亦能达到上述要求。　这就出现了第二种滚道形式——双偏心圆弧　形。此种沟形能同椭圆形滚道具有相同的效应，　且具有良好的工艺性．　双偏心圆弧形滚道截面参数的设计与四点　接触球轴承的滚道设计方法相同，比较简单。只　是接触角为４５　而已。推荐两对称截面的曲率　半径：　Ｒｉ—Ｒｅ—Ｏ．５２ｄ　则立即可计算出偏心距：　ｈ一０．０１４１４２ｄ　滚道与钢球最大间隙：　￡一０．００５６６５５ｄ　由此可计算出星形套和钟形壳的沟底径，　以便检验。　３、圆弧形滚道　由于前述两种滚道，特别是椭圆形滚道，其　理论计算和工艺过程非常复杂，尤其是理想的　金钢石滚轮与指状砂轮的立体曲面形状很难控　制，且制造精度要求高，同时检测难度亦很大。　鉴于上述两种滚道截面任一点的曲率半径均与　相应的钢球半径之比趋近于１，故与圆弧很接　近。有时为了考虑现有的工装条件和制造工艺　性，干脆将滚道截面设计成圆弧形。虽然，在理　论上讲，此种沟形钢球在某一滚道内系一点接　触，但万向节主要是以传递扭矩为主，所以在工　作受载荷时并非一点接触。这样，其沟形的磨削　只需一次成型，显然其制造过程要方便和简单　得多，通过实践亦获良好效果。　圆弧形滚道设计最简单，仅仅计算一个参　数，即攘道截面曲率半径Ｒ。但值得注意的是，　滚道截面曲率半径绝不能照搬深沟球轴承的计