球笼式万向节设计【三维SW】【9张CAD图纸+PDF图】
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西南科技大学城市学院本科生毕业论文摘要球笼式万向节又称等速万向节，是汽车传递动力所需的一种重要部件。球笼式万向节由发明至今以有了很成熟的发展。本课题在分析现有球笼式万向节的特点的基础上，然后结合课题任务的要求，提出了球笼式万向节的总体设计方案，一端采用固定式球笼式万向节另一端采用伸缩性球笼式万向节。根据汽车传动系统的结构和功能特性，确定了球笼式万向节的结构特性和其他参数；并对球笼式万向节等速性的运动，受力，效率和寿命进行了分析；根据工作要求对重要零件进行了材料选择；并且用solidworks三维软件做三维造型。最后对该球笼式万向节的技术经济性进行了分析，探究了其市场前景和优势。关键字：球笼式万向节，solidworks，材料选择AbstractThe ball cage type universal joint is also called the constant velocity universal joint, which is an important part of the vehicle to transmit power. The ball cage type universal joint has developed very well since its invention. On the basis of the analysis of the characteristics of the existing ball - cage universal joints and the requirements of the task, the overall design scheme of the cage type universal joint is put forward, and the other end of the fixed ball cage is used for the telescopic ball cage type universal joint. According to the structure and function characteristics of the automobile transmission system, the structure characteristics and other parameters of the ball cage type universal joint are determined, and the motion, force, efficiency and life of the ball cage type universal joint are analyzed, the material selection is made on the important parts according to the work requirements, and the 3D modeling is made with solidworks 3D software. Finally, the technical and economic characteristics of the ball cage type universal joint are analyzed, and its market prospects and advantages are explored. Key words: ball cage type universal joint, solidworks, material selection目 录1 绪论11.1 课题来源及意义11.2 国内外发展现状11.2.1 国外发展现状11.2.2 国内发展现状21.3 本文内容安排32 总体方案选择与设计42.1 总体方案设计42.2 总体方案设计52.3 本章小结63 关键零部件设计73.1 等速性分析73.2 设计参数确定83.2.1 万向节轴径与钢球直径83.2.2 钢球回转中心直径93.2.3 钟形壳滚道偏心距93.2.4 基本尺寸93.2 本章小节104 寿命校核114.1 转矩校核114.2 寿命校核114.3 传动轴校核134.4 本章小节135 各主要零部件材料选择与热处理工艺146 技术经济性分析156.1 成本估算156.2 市场前景157 结束语16参考文献171 绪论1.1 课题来源及意义本课题为自选课题，如今汽车销量不断增加，汽车零部件需求也急剧增加，球笼式万向节作为汽车传动系统中的重要部件也得到了长足的发展，技术逐渐成熟。本课题以目前市场上成熟的球笼式万向节作为参考，熟悉各式万向节的结构进行本课题的设计。为将来对球笼式万向节进行研究奠定基础。1.2 国内外发展现状1.2.1 国外发展现状自从1886年第一辆汽车发明以来，汽车工业得到了长足的发展，与此同时能源的消耗也与日俱增，人们对汽车经济性的要求也越来越高。于是经济性较好的前驱车由此得到发展。而作为前驱车驱动动力的一个重要部件，等速万向节也得到了长足发展与完善。等速万向节是由维斯（C.W.Weiss）于1923年发明，之后人们在此基础上又陆续发明了球叉式、双联式、凸块式、球笼式等各种等速万向节。其中，球笼式万向节是应用最广泛的一种等速万向节。球笼式等速万向节是奥地利A.H.Rzeppa于1926年发明的（简称Rzeppa型），之后又进行多次改良和完善。1958年英国波菲尔（Birfidld）集团哈迪佩塞公司成功研制了球笼联轴器（称Birfield型，简称BJ型）。1963年日本东洋轴承株式会社引进这项新技术，进行了大量生产、销售，并于1965年又试制成功了可作轴向滑动的伸缩型（亦称双效补偿型，简称DOJ型）球笼万向联轴器。球笼式万向节因其高效率、低油耗和较大的承载能力受到各大汽车公司的青睐，这些公司也对球笼式万向节进行了大量的改进工作，每个公司也都形成了自己的系列产品。目前在欧洲和美国至少有超过半数的汽车采用球笼式万向节，而在日本这一比例甚至达到90%。本田公司改良型球笼式万向节最大偏转角度达到50，其滚道锻造成型工艺技术也处于世界领先水平。GKN公司采用材料合成技术发展了一种新型构造的球笼式万向节，毛坯经过热压成型而不需要机械加工，其重量低于60克，大大节省了材料。但在国外人们主要重视球笼式万向节的使用性能和使用寿命，而对它的理论研究所涉不多。图1.1是日本本田公司生产的一款球笼式万向节。图1.1 本田HO-003型球笼式万向节1.2.2 国内发展现状众所周知，我国于上世纪60年代才生产出自己的第一台解放牌汽车，改革开放后汽车工业虽得到了突飞猛进的发展，但其关键零部件技术相对于国外仍然十分滞后。在八十年代之前，我国很少制造并使用球笼式万向节，对其进行的研究更是甚少。我国当时引进的汽车如桑塔纳、奥迪、夏利等所采用的球笼式万向节均需进口。之后我国开始大量制造汽车，尤其是前驱汽车的需求也开始剧增，人们才开始对球笼式万向节有了更深刻的认识，为了突破其技术瓶颈打破国外垄断，我国开始自行研制球笼式万向节。天津汽车研究所、襄阳轴承研究所、上海汽车研究所以及其他的一些单位作了大量的研究并取得了一定的研究成果，但仍有待深入。图1.2是我国天硕公司生产的一款球笼式万向节图1.2 天硕SWC型球笼式万向节1.3 本文内容安排本文接下来主要介绍球笼式万向节的设计计算工作，根据毕业设计任务书要求，本文内容安排如下： 第1章 绪论：主要介绍球笼式万向节的发展历史和国内外研究现状和行业特点，对比了国内和国外球笼式万向节发展的方式的不同，探究了国内球笼式万向节发展的不足。第2章 总体设计：首先对比研究了目前比较受欢迎并且成熟的产品。分析了它们的特点和各自的优势。然后综合考虑本设计的要求，最终提出自己的解决方案。第3章 等速性证明与参数确定：查阅相关资料并经过自己独立思考设计关键零部件，根据其功能要求确定尺寸参数，并对其等速性进行了理论证明。第4章 运动与受力分析：根据总体设计要求，对球笼工作时的运动轨迹进行了深入分析，并根据其工作要求对它所承受的载荷进行了计算和校核。第5章 技术经济分析：分析其市场前景与使用效率，估算其成本，探究其市场推广可行性和优势。第6章 结束语：总结全文的出的结论，提出本设计的不足之处。2 总体方案选择与设计2.1 总体方案设计通过市场调研，目前运用较为广泛的是固定式球笼万向节与伸缩型球笼万向节。固定式球笼万向节取消了分度杆，使钟形壳和星形套的滚道圆心相对于万向节中心对称偏离。使得轴间夹角为0时，因为内、外滚道的交叉，钢球也可以正确固定在正确位置上。当轴间夹角为0时，内、外滚道决定的钢球中心轨迹的夹角稍大于13，这是能可靠定位钢球的最小角度。滚道的横断面为椭圆形，钢球与滚道的接触点和球心的连线与过球心的径向线成45角，钢球与滚道接触点处的曲率半径为钢球半径的1.31.5倍。当受载时，钢球与滚道的接触点实际上为椭圆形接触区。由于工作时球的每个方向都有机会传递转矩，且由于球和球笼的配合是球形的，因此对这种万向节的润滑应给予足够的重视。润滑剂的使用主要取决于传动的转速和角度。在转速高达1500r/min时，一般使用防锈油脂。若转速和角度都较大时，则使用润滑油。比较好的方法是采用油浴和循环油润滑。另外，万向节的密封装置应保证润滑剂不漏出，根据传动角度的大小采取不同形式的密封装置。这种万向节允许的工作角可达42。由于传递转矩时六个钢球均同时参加工作，其承载能力和耐冲击能力强，效率高，结构紧凑，安装方便。但是滚道的制造精度高，成本较高。伸缩型球笼式万向节结构与一般球笼式相近，仅仅外滚道为直槽。在传递转矩时，星形套与筒形壳可以沿轴向相对移动，故可省去其它万向传动装置中的滑动花键。这不仅使结构简单，而且由于轴向相对移动是通过钢球沿内、外滚道滚动实现的，所以与滑动花键相比，其滚动阻力小，传动效率高。这种万向节允许的工作最大夹角为20。鉴于上述的对于两种万向节的论述，结合设计要点，本设计采用一端固定式球笼式万向节另一端采用伸缩性球笼式万向节。2.2 总体方案设计早期的Rzeppa型球笼式万向节(如图2.1)内部安装有分度杆的，星型套外表面上加工有六道滚动槽，钢球可在滚动槽中沿着与星型套中心轴线平行的圆上做一定角度的圆周运动，钟形壳内表面上加工有与星型套滚动槽互相弥合的内槽，钢球2在内槽与外槽之间滚动，而球笼则保证了6个钢球处于同一平面内。汽车行驶或转弯时万向节两端传动轴有一定角度摆动，此时分度杆6拨动导向盘5，六个钢球2沿滚动槽转动并处于两端轴间夹角的平分面上。经验表明，当两端传动轴摆动角度不大时，分度杆的作用是不可缺少的；当两端传动轴角度摆动超过12，单独靠钟形壳和星形套上的滚道交叉也可将钢球固定在正确位置。这种等速万向节不管往哪个方向转动，六个钢球全都传递转矩，传动轴摆动角度可达35。而Birfield型球笼式万向节(图2.2)取消了分度杆，钟形壳和星形套的滚道圆心对称地偏离球笼中心。这样，即使传动轴相互之间不偏转，仅靠钟形壳和星形套的滚道的交叉也可以将钢球固定在正确位置。当两端轴不偏转时，钟形壳和星形套的滚道决定的钢球沿槽滚动的角度稍大于12，这是能可靠地定位钢球正确位置的最小角度。钟形壳和星型套的滚道的横截面为椭圆曲形，钢球和滚槽的接触点和球心的连线与过球心的径向线成45，椭圆在接触点处的曲率半径为钢球半径的1.31.5倍。当受载时，钢球与滚道的接触点实际上为椭圆形接触区。由于工作时球的每个方向都有机会传递转矩。由于传递转矩时六个钢球均同时参加工作，其承载能力和耐冲击能力强，效率高，结构紧凑，安装方便。但是滚道的制造精度高，成本较高。伸缩型球笼式万向节(图2.3)结构与一般球笼式万向节相似，但外滚道为直槽。在传递转矩时，星形套与钟形壳可以沿轴向相对移动，相对于其他形式的万向节不需要滑动花键。结构更加简单，而且由于轴向相对移动是通过钢球沿内、外滚道滚动实现的，所以滚动阻力小，传动效率高。这种万向节允许的工作最大夹角为20。综上分析本课题所设计的球笼式万向节采用下图结构，如图2.4。图2.4 球笼式万向节结构图2.3 本章小结本章主要进行了球笼式万向节的方案选择与结构设计，通过比较市场现有的球笼式万向节的类型和所选用的结构特点，结合本课题的要求，最终选定了一端固定式一端伸缩型，既使结构简单，成本低廉，又满足了课题要求。3 关键零部件设计3.1 等速性分析球笼式万向节的等速性是由本身的结构所决定的,无论两端传动轴间是否有角度摆动,沿着6个钢球球心所在的平面剖开,结构如图3.1所示。设星形套滚道和钢球的共轭接触点半径为R1,钟形壳滚道和钢球的共轭接触点的半径为R2,设钢球回转半径为R,接触点A既在钟形壳沟道上也在钢球上,所以接触区为钟形壳沟道和钢球的共轭部分,因此存在钟A =球A ,同理星B =球B,同一个钢球具有同一个角速度,即球A =球B ,因此存在钟=球=星,这就充分证明球笼式万向节内部每一部件的角速度都相同,即整个球笼式万向节具有等速性。也可理解为钢球是一种链,它把钟形壳和星形套联接为同一个整体, 因此具有相同的角速度。图3.1 万向节钢球剖面结构图投影学认为：当输入轴和输出轴的传动点始终位于输入和输出连接角的某一个平面上，且这个平面是唯一的，这个机构具有等速性。参见图4.1，对球笼式万向节,A面和B面的两 个圆在C平面上的投影是一致的,C平面也就是6个钢球球心所在的平面, 因此证明球笼式万向节具有等速性.也可以这样理解：把一根橡胶管弯曲后, 使其一端等速旋转, 结果是中间弯曲部分不断产生拉伸和压缩 ,把力传递给另一端，使另一端也等速旋转。这样理解等速性，就可以把球笼式万向节和挠性联轴器看成同一种结构。图4.1 投影学原理图3.2 设计参数确定3.2.1 万向节轴径与钢球直径1）万向节轴径球笼式万向节轴径尺寸S (mm)可按公示3-1确定：S=MmaxSF/8.7210-2。 (3-1)式中：Mmax为传动轴传递的最大扭矩，根据经验取Mmax=884.8 Nm；SF为使用因素影响系数，取SF=1.2。S=884.81.2/8.7210-2=23.02 mm。 由表3-1取S=23.8。2）钢球直径球笼式万向节在传递转矩时6个钢球均匀受载，钢球的直径d可按式3-2确定：d=3TS/2.1104。 (3-2)式中：TS为万向节的计算转矩(Nmm)，取TS=1.18106Nmm。d=31.18106/2.1104=17.8 mm。 由表3-1取d=18。表3-1 球笼式万向节系列数据名义尺寸（mm）万向节轴径25.428.6钢球直径14.28816.66918.00019.05023.8123.2.2 钢球回转中心直径钟形壳与星型套滚道的钢球回转中心直径D(mm)可按公式3-3确定：D=KDki+Dk。 (3-3)式中：K为钢球回转中心系数，取K=0.52；Dki为星型套内花键大径，取Dki=26.6mm；Dk为钟形壳最大外径，取Dk=88mm。D=KDki+Dk=44 mm。3.2.3 钟形壳滚道偏心距由球笼式万向节等速性基本原理可知，钟形壳与星型套的滚道与其球心偏心距相等，由图3.1可知偏心距e可由公式3-4确定：e=12Dsin2。 (3-4)式中：=17。e=12Dsin2=3.6mm。3.2.4 基本尺寸由上述尺寸得球笼式万向节基本尺寸如下表3.2：表3.2 基本尺寸表计算内容计算公式固定式球笼万向节伸缩型球笼万向节钢球中心分布圆半（mm）R=1.71d3030星形套宽度（mm）B=1.8d3131球笼宽度（mm）B1=1.8d3131星形套滚道底（mm）D1=2.5d4444球笼厚度（mm）b=0.185d33球笼槽宽度（mm）b1=d1717球笼槽长度（mm）L=1.3d2323星形套花键外（mm）D21.55d2724球形壳外滚道长度（mm）L=2.4d4242中心偏移角（）63.2 本章小节本章主要从结构和投影原理方面证明了球笼式万向节的等速性;根据相关手册的计算公式计算了主要尺寸。4 寿命校核按照市场上多数汽车参数，以下校核参照下表4.1，表4.2参数：表4.1 汽车参数表最大发动机功率(kW)P = 86kW 最大转矩(Nm)Mmax=145Nm汽车总质量(kg)G = 1675kg前轴许用载荷(N)Pa=7200N驱动桥传动比iA=4.11满载重心高度(mm)h = 500mm滚动半径(mm)R = 249mm表4.2 变速箱变速比档位12345变速箱i3.5452.1051.3000.9430.78915档利用率分别是1%、6%、18%、30%和45%，汽车至少有10万km的寿命。4.1 转矩校核汽车以=1和KS=1.2时最大转矩启动，以最大发动机转矩的2/3驱动而各挡匀速，计算其起动转矩MA和附加转矩MH。计算额定转矩为MN=2650NmMA=MmiAiS=111454.113.542113Nm2650NmMH=KSGiAR=1.21167584.110.2491218Nm2650Nm满足设计要求。4.2 寿命校核参照下表4.3校核使用寿命表4.3 汽车校核使用寿命计算表挡位12345ax0.010.060.180.300.45ix=isia14.578.565.343.883.28nx=nm/ix2263866188511006vx=0.377Rrnx79.994.4Mx=Mmix/3713414258188159Lhx=25339nx0.577AxMdMx3Lhx=470756nxAxMdMx3120.6452.41424.73061.64583.6表中：ax-各档传动利用率；ix-总传动比；nx-最大转矩时的转速；vx-路面行驶速度；Mx-转矩；Lhx -使用寿命；Md-动态转矩。由表可得：1Lh=axLh1+axLh2+axLh3+axLh4+axLh5=53.810-5所以Lh=1858.7h，汽车平均行驶速度为：vav=0.0121.2+0.0642.1+0.1858+0.379.9=79.6km/h其使用寿命为：LS=1858.779.63148011km100000km故满足使用要求。4.3 传动轴校核由于球笼式等速万向节采用双向节，传动轴只承受扭矩不承受弯矩。所以只对其进行扭转强度校核。最小轴径dmin=25mm。扭转截面模量为：wp=D316=0.025333.110-9m3=MhWp=12183.110-939.2MPa满足要求。4.4 本章小节本章根据相关手册和课题要求，分别对转矩、寿命、传动轴进行了校核，均满足要求。5 各主要零部件材料选择与热处理工艺根据课题要求和工作要求，选用各主要零部件材料和热处理工艺如下表5.1。表5.1 各零件材料和热处理工艺零件材料热处理钟形壳CF53内表面淬火，硬度62HRC星型套CF53淬火，硬度62HRC轴45渗碳淬火，硬度58HRC球笼20CrMnTi渗碳，深度0.6mm，硬度62HRC钢球GCr15_6 技术经济性分析6.1 成本估算球笼式万向节的成本包括材料和加工费用。经过市场调查，材料费用大概120元，加工费用大概80元，总费用200元。6.2 市场前景目前经济性较好的前驱车越来越受欢迎，各大车厂竞相推出新款前驱车，汽车所需的球笼式万向节也有待进一步发展，市场发展潜力大。7 结束语我本次毕业设计的题目是球笼式等速万向节，我平时对此接触也不多，而且我国对于球笼式万向节的研究比较滞后。所以拿到题目后我一直在查找相关资料。在加上老师的指导，我慢慢开始投入具体的设计工作。在此过程中我不断的遇到各种问题，每次遇到问题时，我首先从网上和图书馆查阅相关资料，然后请教老师和同学。最后总结思考，的出自己的解决方案，通过这次的设计，自己创新思维能力比以前有了很大提高。本次毕业设计是我独立完成的第一个设计工作。达到了很多启发，首先它让我明白了实际的设计工作和日常的书本学习是很大不同的，实际的设计工作除了要有扎实的理论知识外，更要有很强的创新思维能力，实际设计过程中经常遇到平时理论知识解决不了的问题，这时就 需要我们进行创新的思考。所以通过本次毕业设计，我也得到了另一种学习方式，即理论与实际相结合，将理论用于解决实际问题。一切以实际出发。最后,我诚挚的感谢陈军老师细心的指导和教会，本设计是在指导老师陈军老师的悉心指导和无微不至的关怀下完成的。参考文献1 /dpgz/7099.html2 /dealer/201605/61897580.html3 马一林.机械设计原理M.北京：高等教育出版社,19924 吴宗泽.机械设计与课程设计M.北京： 高等教育出版社,18985 黄华梁.机械设计基础第二版M.北京：中央广播电视大学出版社,19906 吴宗泽.机械设计禁忌500例M.北京：机械工业出版社,19887 吴宗泽.机械设计实用手册M.北京：化学工业出版社,19908 赵则祥. 互换性与测量技术基础M. 北京：机械工业出版社,20159 熊文修.机械零件M.北京：高等教育出版社,199710 罗圣国.机械设计课程设计手册第二版M.北京：高等教育出版社,199811 郑树森.机械零件设计手册S.哈尔滨：哈尔滨工业大学,199812 朱
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