机械制造专业 汽车球笼式等速万向节设计和实现

1、汽车球笼式等速万向节设计摘要速度驱动轴对于轿车来说是一个非常关键的部位。它直接关系到汽车的稳定性及力的传动性能。等速驱动轴的结构强度直接影响到它的性能与寿命，为实现综合的最佳标准化效果，需进行系列化设计。首先确定了汽车球笼式等速万向节的结构主参数及其上、下限，列出了若干基本参数，然后选择符合汽车要求的球笼式等速万向节进行设计，进而对产品的基本参数进行系列化设计，并阐述了产品系列化设计的作用。其主要研究工作如下：本文以国内的某种汽车作为研究对象，为这种型号的轿车选取前置的驱动球笼式等速万向节，选取的万向节在性能方面满足轿车的使用寿命要求，在结构上满足强度刚度性能。并对其基本参数加以设计和改进，再

2、运用CATIA软件与ADAMS软件联合仿真分析对本文所设计的球笼式等速万向节传动轴运动学与动力学分析，检验了该球笼式等速万向节传动轴结构设计的正确性，并验证了结构设计的合理性，并有助于改进产品。关键词：球笼式等速万向节；参数化设计；动力学分析AbstractThe speed drive shaft is a key part of the car. It is directly related to the stability of the vehicle and force transmission performance. Constant speed of the drive shaf

3、t structure strength directly affect its performance and life, and the intensity of the constant speed drive shaft structure depends on the transmission parts in the process of the internal contact stress distribution, size, however the traditional test method cannot determine the contact stress of

4、complex structure, so that by finite element numerical method to accurately simulate the transmission process is particularly important, also is the main method of design and development process. In this paper, on the basis of related literature at home and abroad are reviewed. The research of ball

5、cage patterned constant speed universal joint as the research object, to parametric design of products, is currently widely used two kinds of raceway cross section of universal joint kinematics and dynamics, the respect such as the static contact stress was studied, and the race of universal joint i

6、s optimized to improve. The research work is as follows:Based on a domestic manufacturer before the engine front drive car constant speed drive shaft of ball cage patterned constant speed universal joint as the research object, using 3 d reconstruction technology, using three coordinate measuring ma

7、chine parts size precise scanned into the computer, then using CATIA software combining ADAMS software and the simulation analysis of this paper, the design of ball cage patterned constant speed universal joint shaft kinematics and dynamics analysis, validate the correctness of ball cage patterned c

8、onstant speed universal joint drive shaft structure design; Virtual prototype technology was used to analyze the performance of the constant velocity universal joint drive shaft.Key words：Ball cage type constant velocity universal joint; Parametric design; Dynamic analysis目录摘要2Abstract3第1章绪 论61.1研究背

9、景及课题来源61.2等速万向节简介81.3球笼式等速万向节简介101.4国内外等速万向节的发展和研究概况111.5论文研究的主要内容14第2章 球笼式等速万向节的设计152.1 引言152.2 汽车等速万向节结构尺寸参数的确定152.2.1基于帕姆格伦-迈因纳原理的万向节使用寿命估算152.2.2 汽车等速万向节使用寿命计算实例162.2.3 RF95万向节基本尺寸参数的确定182.3 本章小结22第3章 RF95万向节模型建立233.1 CAD参数化设计233.2 参数化建模技术243.3 等速万向节三维参数化模型的建立253.3.1 RF95万向节各组件的结构参数化建模253.3.2 RF

10、95万向节各组件的装配263.4 本章小结26第4章 球笼式等速万向节动力学分析274.1 引言274.2 建立模型274.2.1 三维模型的建立274.2.2 力学模型的建立274.3 仿真技术与分析304.3.1 等速性分析304.3.2 沟道压力分析314.4 本章小结31第5章 研究总结与展望335.1 研究总结335.2 展望33参考文献35第1章 绪 论1.1研究背景及课题来源目前的汽车让人类出行变得非常便利，所以自从汽车发展起来之后，对于汽车的研究一直在持续。为了提升汽车的各种性能，各国的学者都从汽车的各种零部件入手，通过研发更加高性能的零部件，力求延长汽车的使用寿命、提高汽车的

11、稳定性、加快汽车的启动速度以及增强汽车的灵敏性等各种方面的性能。所以汽车的很多技术都越来越受到科学家的关注，并积极自主研发更好的零部件，为汽车工业的发展做出了非常长远的贡献。汽车的发动机和四个车轮链接并进行力的传动就要用到万向节，所以汽车的等速万向节关系到汽车的传动性能，以及稳定性扮演者非常重要的一个角色1。而随着科技的不断更行，以及人类对于汽车的追求不再仅仅是满足传动的性能，而是不断追求汽车的更高的稳定性、舒适性、灵敏性等一系列的高追求。那么等速万向节就要具有更加高的性能要求，而不是仅仅为了力的传输，以及方向改变要求2。高速发展的汽车工业，使得汽车的前置驱动（FF）以及四轮驱动（4WD）相继

12、问世，在这两种不同类型的汽车驱动方面，万向节就要起到关键性的作用，正是等速万向节的发展才能促使这两种类型的汽车产生，而且也推动了前置驱动和四轮驱动汽车的发展。等速万向节将发动机输出的力传输到汽车的车轮，并实现改变方向的作用，在实现这两个作用的同时，还能够保持相同的角速度输出，将动力重发动机的减速器传递到汽车的车轮当中。在四轮驱动的汽车当中，等速万向节可以将发动机的力减速主传动轴的力传输到前轮轴和后轮轴，实现前后两轮的相同的角速度，拥有相同的输出转速，提高汽车的稳定性能。而前置驱动汽车的万向节是通过将主传动轴的力矩，通过转向并输出相同的角速度，为前置驱动的汽车前轮轴提供动力。这种传动方式甚至可以

13、实现轴线不在同一直线上的动力及角速度的传动，这种动力传动特征可以通过具体的图形来显示，如图1-1所示。图1-1 等速万向节在汽车上的应用在如今的等速万向节和最初的等速万向节已经有了非常大的差异性，现在的等速万向节已经分为了很多个部件，等速万向节的总的结构不再是一个整体，而是包括了前置的减速装置和传动轴等一系列的部件，这样设计的目的就是使得汽车能够在不同的路段、不同的速度以及实现更灵活性的转向方面，等速万向节能够发挥到更好的作用，如图-2所示。而等速万向节的基本作用是力的传递，就是将发动机的输出力通过主减速器再连接等速万向节将力传递到车轮端，实现力和方向的改变，而且保持角速度不变的性质。等速万向

14、节的转向功能就是将发动机主减速装置的相同角速度进行方向的转换，最大转换的角度可以进行偏转40左右，而在这个过程中，等速万向节就发挥了巨大的作用，相当于作为一个力的中转站，将发动机的力传输给驱动轮，并使其方向发生改变。正是这两种功能使得等速万向节就需要非常高的性能要求，因为力的传输过大或者方向稍微的偏差都可以会导致汽车的颠簸性，使得汽车的稳定性功能下降。图1-2 等速万向节传动轴总成所以等速万向节在设计的时候，在各个方面都要做到非常合理，并在加工的时候都要做到非常精密加工。为了使得汽车的稳定性功能的提升，那么就要根据不同的汽车，设计它所相适应的等速万向节 3。汽车的可靠性，其实就是汽车在设计中所

15、期望的速度、性能以及相关的一些功能，在汽车生产之后能够达到相应的标准，并能够实现基本的性能保证。在这种情况可以选着较好较为精密的零件的型号，然后进行相应的拼装，使其总体性能能够的到相应的加强，并尽可能的提高等速万向节的一些稳定性、高精密性、灵敏性的相关功能。之后再对总体拼装的等速万向节进行总的检测，进行力学实验，或者模拟分析，以达到所期望的汽车要求，提高汽车的可靠性。虽然这样的要求过程中，会相比于简单的设计更加复杂，但之后所要到的相关性能的产品，那么只需要改变相应的参数，便可以得到更加严谨，更加高效，更加可靠的产品，进而为总的汽车设计提供非常好的设计基础，并可以在后期总的装配中避免很多不必要的

16、检测4。比如检测万向节零件中的尺寸标准，相关零件的传动性能，以及传动轴的圆跳动是否满足设计的要求等一系列的待测的环节。通过标准的零件进行组装，就可以节省很多这种检测环节中不必要的一环5。到目前为止，我国的汽车工业的发展相对于国外起步很晚，所以在研发方面很多技术都有相应的欠缺，那么在设计方面，就更应该不断的进行创兴发展，从而使我国的汽车行业达到国际标准，在汽车的使用寿命方面我国的汽车行业也存在着很大的问题6等，这里的主要原因就是我国汽车发展和起步的时间远远晚于发达国家的，而汽车更新换代的速度非常快，我们必须要深刻地认识到我国汽车工业方面与其他发达国家汽车设计国家的汽车工业存在着差距7。面对这种情

17、况，只有进行高强度地进行汽车核心部件的研发，并同时提高制造性能，以求达到世界汽车设计的顶端。作为设计方面必须要从提高汽车的可靠性能进行，从而提高客户对于我国汽车方面的体验感，之后才能够在汽车市场中占据一席之地，并实现长久不衰的可能性，之后不断的研发、不断地进步才能够使得我国的汽车工业得到更好的发展，同时可以从中获得更加高的利润。1.2 等速万向节简介为了保证从主轴减速器传递到汽车车轮轴的角速度不发生改变8，那么在方向和力的传递过程中，等速万向节就起到了至关重要的一环9。等速万向节的作用就是传递发动机上主减速器的角速度和改变力的方向，起到一个中间转接的装置，是一个对于汽车来说非常重要的零部件10

18、。等速万向节本身要传递非常大的力矩，并且传递的速度也非常快，并且在传递力的时候，方向的改变也起到非常大的作用，使得等速万向节的传递变得更加要求更加的精密，为加工的难度也大大的提高了，所以等速万向节在加工的时候也必须使用精加工，使得传动性能才能达到所预期的那样，提高等速万向节的稳定性，提高汽车的稳定性，使得汽车的使用寿命大大延长。这样的做法，虽然会导致制造成本的大大的提高，当时所生产出来的等速万向节也能够更加有效，性能更加的优越，所能承载的力矩能够达到更加的大，所传递的方向更加的准确，所都能达到的性能要求也大大提升，进而提升汽车的性能，使得汽车的寿命延长，使得汽车的启动速度更块，使得汽车的稳定性

19、加强，整体的性价比更加的高11。在汽车的等速万向节使用过程中，一般分为两种一种是滑块是等速万向节，一种是固定式等速万向节两种，这两种的相应的优缺点可以参考下面的一个表格，他们的性能要求也分为很多种12。表1-1中，明确地列举了滑块式等速万向节和固定式等速万向节的相关的一些特定的性能，以及各自适应的范围。表1-1 常用等速万向节及性能特点分类固定式滑移是性能特点等角速度活动角大：4050寿命长等角速度能够形成活动角：2030能够轴向移动、寿命长、强度高种类RF(Rzeppa等速万向节)BJ(波菲尔德说)UF(球叉式等速万向节)GE(三柱轴等速万向节)GJ(三柱轴式速万向节)DOJ(双偏置等速万向

20、节)TJ(三球销等速万向节)VL(交叉轴等速万向节)对于固定滑块的等速万向节来说，Rzeppa的等速万向节能够有更加长的使用寿命，能够实现等角速度的传递，并且传递的角度更加的大 13，不同与Rzeppa等速万向节，波菲尔德的万向节，在构造的设计方面更加的不同，所采用的圆弧型固定滑块，使得传递的力能够更加的大，所能承载的力矩也更加的大，所以能够形成更加大的力矩输出，在大卡车或者大型的汽车方面更加的适用。下面是等速万向节传递的一个总的概括图，其中的1球笼式等速万向节；2钢丝挡圈；3固定端大卡箍；4固定端密封罩；5固定端小卡箍；6传动轴；7伸缩端小卡箍；8伸缩端密封罩；9伸缩端大卡箍；10挡圈（GB

21、/T894.1）；11四球销式等速万向节；12钢丝挡圈。图1-3 等速万向节传动轴总成结构为了使得轿车在行驶过程中能够更加平稳更加快速或者更高速平稳的形式，那么等速万向节就起到了至关重要的一环，等速万向节的力的传输以及方向的改变都会很大程度的影响到汽车的稳定性能，为了使得汽车在特定的一些路面或者特定的天气情况下还能够正常高效的行驶，那么对于等速万向节的设计就要做到更加的高效更加的精密，才能满足现代轿车的要求。轿车在行驶过程中会碰到比较恶劣的路况，在这种时候就很考验轿车的总体性能，比如稳定性，就是在比较高温或者比较潮湿的情况之下保持汽车的平稳的行驶，并且在万向节方面，如星形套、钢球、滚动轴，还有

22、主轴之间的力的传输，就要保持比较高的稳定性能15。在潮湿的情况之下，主轴输出的力矩的大小比价大，并且不能产生打滑的情况，在这样的恶劣情况之下，球笼式等速万向节就有比较好的优势，因为球笼式等速万向节不容易产生打滑的现象，同时在里的传导过程中，因为是比较圆滑的情况，所产生的热能比较少，相对来说力矩传递过程中损失的机械能就比较少，力的传递效率非常高。在方向的方面，球笼式等速万向节传递也有天然的优势，因为是球形的传导，那么在转向方面又有了更大的偏角，能够传递更加大的角度，就是传递角度能够比较大，相比其他的等速万向节。1.3 球笼式等速万向节简介为了在球笼式等速万向节方面做出更加优秀的万向节，就是使得球

23、笼式等速万向节在力的传递过程中，或者方向的转换过程中能够具有更加强的稳定性能，国内外很多科学家都做出了非常大的贡献，这才使得球笼式等速万向节有了今天这样非常优秀的性能。球笼等速万向节最先的发明者是William A Whitney，他在 1663年的时候发明了球笼式等速万向节。而Robert Hook是在前人的球笼式等速万向节方面做出了更加优异的性能改变，他利用滚珠的方式代替了以前的蜗杆传动，这样大大地提升了等速万向节方向改变的角度，使得等速万向节在速度改变方面能够给出更加高的角度，传递的角度更加的大。再之后，也就是在1926年的时候球笼式等速万向节又有了新的发展，这次是在万向节的加工工艺上的

24、改变，就是改变球笼等速万向节的弧形轨道，这一次的改进，基本上就是现在目前为的球笼式等速万向节目前的模型。Rzeppa球笼式等速万向节如图1-4所示。1外套；钢球；内套；保持架；导向盘；弹簧；分度杆；垫块。图1-4 Rzeppa球笼式等速万向节Stuber之后又对球笼式等速万向节在铸造工艺和相应的其他功能进行了提升，他的这样的改变，能够加强万向节的一些更加强的性能，对于一些标配件的加强，更加的深入，更加的强，并组建成为轿车的标准配件。在此次加强之后，于1958年，Birfield作为一名英国的汽车方面的研究学者，他对于球笼式等速万向节也起到了非常关键性的作用，推动了球笼式万向节的法杖，让球笼式等

25、速万向节发展的更好，在稳定性的方面做出了巨大的突破。如图1-5所示。（O万向节中心；A外套滚道中心；B内套滚道中心；C钢球中心；轴间摆角。图1-5 Birfield球笼式等速万向节球笼式等速万向节的作用，体现在它的传动性能方面，一个是因为是球形的转向功能，那么能够在方向的转换方面达到更加广阔的角度，使得转换的角度达到40到五十度角左右，另一方面在球笼式等速万向节在性能方面，相比于其他的等速万向节，它的钢珠传动能够使得传动的输出力矩更加大，就是能够传递更大的速度，并且在输出端钟形壳采用的是轨道式16，这样就可以充分地进行传递，并实现力的稳定功能，实现轿车的平稳性，使得轿车在比较恶劣的环境之下还能

26、够正常的行驶。球笼式等速万向节使用的是钢珠和环形的外轨道进行点接触，使得摩擦更小，那么传递的功率将大大增大，从而实现球笼式等速万向节能够平稳传递和旋转。球笼式等速万向节在力的传输过程中，需要的是通过钢珠和星形套保持的接触，并在球面副的表面和外轨道有一定的偏心角，在钢珠滚动的时候，保持相同的角速度，并能够实现力的不同方向的传输。在为了确保球笼式等速万向节的新型套滚高中心的位置和滚珠的位置保持较高的契合度，就需要对星形套和外轨道设计具有较高的工艺精度，以及非常大的挑战性，保持星形套和保持架能够有较好的切合度。在位置的方面就是通过上面的方式，使得钢珠的位置时刻与星形套和保持架在外轨道准确的运行。球笼

27、式等速万向节的加工比较复杂，而且成本也比其他的等速万向节更加的高，但却能够实现力矩和方向角的更加精确地传动17，就它的强大功能。1.4 国内外等速万向节的发展和研究概况球笼式等速万向节在汽车方面运用的非常广泛，在日本和美国都有很高的使用率，就是因为它的强大的性能，并且为汽车提供了更加好的稳定性能，如在日本就有将近90%的使用率，在美国也有很高的使用率将近53%的轿车都是使用球笼式等速万向节进行力和方向的传递，在欧洲也有很多的运用，球笼式等速万向节在欧洲汽车的市场上接近71.2%的使用率。正是因为球笼式等速万向节的高性能，它的传动性能更加的优越，而消耗的功率更少，稳定性能更佳，所以在汽车的使用中

28、有非常大的使用价值。无论是国内还是国外大部分的汽车的万向节都是选用的球笼式等速万向节，即使球笼式等速万向节的价格更加的高，而且制造的成本更加大，但是相对于汽车的总体性能却能够提升很多，能够很大程度低提高汽车的稳定性，同时使汽车的品均使用寿命也能够增加。在目前GKN公司最近发明了比较高性能的球笼式等速万向节，通过高精度的加工工艺实现球笼式等速万向节的表面粗糙度大大减少，使得总的质量有了质的飞越。但是球笼式等速万向节的研究一直是无止境的，只有不断地开拓、不断地研发、不断地加强才能够满足人类越来越高的要求，在汽车的研究方面也能够达到更加高的境界。在球笼式等速万向节中的设计还包括了钢珠的设计，有一些就

29、采用的七个钢珠进行传动，而目前大部分的采用的是六钢珠，在轨道中进行力的传输，钢珠在星形套和保持架中，通过外弧形轨道进行先接触，然后改变力的方向，而保持输出的角速度与输入的角速度相等19。七沟式传动的特点就是在六沟式的方面增加一个钢珠，这样使得刚度和强度都有一定的提升性能，使得七沟式等速万向节在某段时间一直受到大部分科学家以及汽车行业的追捧。但是在实际生产制造过程中，七沟式球笼等速万向节的制造成本更加的高，因为七个滚珠的不对称型，使得加工工艺更加的严格，而且对于整体球笼式等速万向节的整体性能要求更加的高，才能够使得七沟式球笼等速万向节达到所预期的理论值。石宝枢通过对于六沟式球笼等速万向节的研究，

30、从而在在六沟式万向节发展和研究七沟式球笼等速万向节的研究，使其达到预期的传动性能的要求；他的设计设计增加六沟式等速万向节的传动力的增加，并在实际运用上体现了很高的价值，为我国的汽车发展工业提供了非常大的帮助，实现中国汽车球笼式等速万向节的突破，使得中国拥有自己的研发的球笼式等速万向节，而不再一直受制约其它的汽车工业国家的级数垄断，实现过我汽车工业的快速发展；其实在排除了七沟道球笼式等速万向节的加工方面的难度，它在性能方面相比于六沟道球笼式等速万向节有很大的进步，在性能方面有很大的优势，所以在汽车工业中会有越来越多的运用，而且不仅仅只是国内的运用，在国外同样受到非常大的追捧20。在创新性方面，我

31、国的很多机械方面的科学家都做出了很大的贡献，在球笼式等速万向节的设计中，还研究了椭圆形和圆弧型的轨道设计，这样的设计能够使得星形套的曲率半径发生改变，实现球笼式等速万向节的使用寿命能够有一个质的提升，再就是随着球笼式等速万向节的质量的提升相应的，汽车的稳定性能够有一个较大的提升，同时在汽车的使用寿命方面也能有一定的提成。并在钢珠设计方面，以Hertz的一些理论作为基础，他在球笼式等速万向节的研究中，提出了正交实验的一种模式，并在理论基础上做出了相应的创新，为七沟道球笼式等速万向节的使用寿命做出了一种可靠的预测，从而能够使得万向节在设计的时候，能够更加方面并有效，同时能够在检测其性能的方面，省下

32、了很大的功夫，为球笼式等速万向节提供了非常大的便利22。我国在八十年代之前，都没有对汽车进行过研究，所以当然的在球笼式等速万向节方面也没有过设计基础，因为我国等速万向节起步的时间比较晚，所以在设计方面我们都是先购买其他国家的球笼式等速万向节，这样对于我国的汽车行业就有一种非常大依赖性，长期的购买并不能解决根本性的问题，所以我国在八十年代之后，购买其他国家的一些比较有名的汽车，这些汽车所采用的均是球笼式等速万向节，并在这样的基础上，开始我国对于球笼式等速万向节的研究，并在之后取得了非常可靠的性能，对于我国的汽车工业的发展都是一道不可磨灭的历史。随着我国对国外汽车的引进，在汽车的前置驱动和四轮驱动

33、以及后轮驱动的装置，都有着不同的球笼式等速万向节，这对于刚起步的国内球笼万向节的研究有着非常大的帮助。通过这些举措，为国内的汽车研发奠定了非常大的基础，并相应成立了目前比较出名的一些国内研究所，比如天津汽车研究所，襄阳汽车研究所，以及上海的一些机械研究所。通过这些研究所的研究，才有了今天国内汽车行业的发展，这些研究所也在汽车的研发方面取得了非常的研究成果，并在驱动轴和万向节方面更是有突破性的进展，比如找出了万向节在传动过程中有关于灵敏性的一些规律和相应的结论 9。而其他的一些国内学者则分析了等速万向节变形的一些规律，比如王良就是关于计算了球笼式等速万向节的理论计算，他对球笼式等速万向节的之中模

34、型作为计算例子，计算了BJ75模型的球笼式等速万象的相应的设计 10。最近的很多国内的额学者通过模拟球笼式万向节的动力分析以及对于球笼式等速万向节进行强度刚度的检测，做出三维模拟并进行相应的改变11。1.5 论文研究的主要内容本文章主要是对某一类的汽车，通过该汽车所要达到的汽车性能，选着相应的球笼式等速万向节，并对改球笼式等速万向节进行设计。之后再建立相应的二维和三维的模型，然后通过动力学分析，再检测所设计的球笼式等速万向节的性能，比如在强度和刚度上是否达标，之后再对球笼式等速万向节进行相应的改进，具体的内容如下：第1章，通过对于球笼式等速万向节的一个国内外的研究近况，以及研究的目的和研究的意

35、义进行说明。第2章，通过帕姆格伦的设计原理，对于选用的汽车进行寿命估算，然后选择比较合适的RF95球笼式等速万向节进行设计，再在RF95万向节的基本参数基础上，对相应的星形套和结构框架，以及一系列的参数进行特定的设计。第3章，根据圆弧滚道的RF95万向节所设计的参数，在设计完RF95球笼式等速万向节的基础上，再进行相应的三维建模，建立RF95球笼式等速万向节模型，然后再进行力学的模拟分析，检测RF95球笼式等速万向节的强度和刚度。第4章，运用CATIA软件与ADAMS软件联合仿真分析对本文所设计的RF95球笼式等速万向节传动轴运动学与动力学分析，验证了该球笼式等速万向节传动轴结构设计的可行性。

36、第5章，对整个的文章进行归纳总结，并分析内容的不足以及之后的工作期望。第2章 球笼式等速万向节的设计2.1 引言对于球笼式等速万向节的分析中，因为都方面的原因和不确定的因素，比如汽车遭遇不同的路况、或者比较恶劣的环境之下进行行驶运行，再或者有其他的非预测的因素导致球笼式万向节的损坏等。这样就会使得通过汽车检测球笼式等速万向节的相应性能变得不是很可行，所以本文是使用帕姆格伦的原理对某厂FF型的汽车进行寿命估算，之后选取比较合适的球笼式等速万向节。比如本文比价合适的RF95球笼式等速万向节就比较符合轿车的使用寿命的要求。2.2 汽车等速万向节结构尺寸参数的确定，2.2.1基于帕姆格伦-迈因纳原理的

37、万向节使用寿命估算一般情况之下，汽车的使用寿命难以预测，因为各种不可预测的原因，可能是出厂加工的时候装配的不符合要求，或者汽车内部零部件本身达不到规定的要求，在强度刚度方面不满足要求，再或者汽车的设计不合理，为了方便检测汽车的使用寿命，本文使用的是帕姆格伦的原理，通过他的原理计算出FF型汽车的使用寿命，并选择相应的球笼式等速万向节，再通过选择的万向节确定相应的装置的设计，是它满足FF型汽车的基本设计要求。在上世纪就有了检测汽车使用寿命的方法，那就是通过帕姆格伦的理论方法进行汽车寿命的估算，虽然估算的要求是很都方面都是理论条件，但是能够提供一种比较好的方法来比较汽车使用寿命的验算，方面人们更加有

38、效地设计汽车的装配设备，总的来说是一个比较实效且合理的方法3。表2-1 某汽车估算使用寿命计算公式表内容单位计算公式起动转矩Nm 附着转矩Nm前轮驱动轿车 后轮驱动 轴转速r/min 路面行驶速度km/h 转矩Nm 使用寿命（球笼式）h 使用寿命（三枢轴式）H小时寿命h平均速度km/h 千米耐久度km 2.2.2 汽车等速万向节使用寿命计算实例本论文以FF型汽车为原型，对相应的汽车要求进行计算，再运用比较合适的球笼式等速万向节，它的总体参数如下：表2-2 FF型汽车的总的基本参数表最大发动机功率 最大转矩汽车总质量 前轴许用载荷驱动轿传动比满载重心高度 静态滚动半径 动态滚动半径前后轴距还有该

39、汽车的一些必要的传动性能的相关参数如表2-3所示：表2-3 FF车型的传动性能的参数档位12345变速箱is3.5452.1051.30.9430.789利用率ax1%6%18%30%45%平均轴间夹角半轴外侧=7半轴外侧=4Ax=0.865Ax=0.926摩擦系数=1振动系数Ks=1.2承载系数Kt=1.33FF型汽车以其额定的2/3的速度进行行驶计算，那么他行驶的距离将是10万公里的寿命21。（1）该汽车输出的力矩为MA： (2-1)（2）该汽车输出的相应附带的力矩为MRF：(2-2)（3）型号的初步选定通过式(2-1)中可以得到该汽车的输出的力矩为MA=1267.89Nm和该汽车的输出附

40、带的力矩为MRF=897.88Nm，再通过查阅文献3，选择相应型号的万向节，通过比较选择了半轴的外侧使用RF72型号的球笼式等速万向节，并范放在半轴的外侧面，在靠近车轮的地方放置球笼式等速万向节。（4）检测半轴外侧的RF72型球笼式等速万向节，它安放在该汽车的使用寿命，具体的计算过程中所要运用到的公式如2-4所示表2-4 检测RF72型号的寿命档位1234514.578.655.343.883.24r/min226.44381.34617.48851.251017.39km21.2635.8057.9679.9195.51Nm704.39418.26258.31187.37156.77h5.0

41、517.8757.44125.05h191.22km/h75.63km79.746031100000通过计算得出相应的结论，那就是RF71的球笼式万向节的使用，会使得汽车的使用寿命不达标，具体的计算过程如下，因此要考虑更加好的更加耐磨更加耐久性的球笼式等速万向节，以便达到该汽车的规定的使用寿命17： (2-3)RF85: RF91: RF91: 通过式(2-3)及相应的推导，再查阅相关的球笼式等速万向节的手册，得到RF95型号的球笼式等速万向节满足该汽车的要求。2.2.3 RF95万向节基本尺寸参数的确定RF95球笼式等速万向节的主要的组成结构，包含了星形套，钢珠，和框架结构再就是相连接的转动

42、轴，通过相应的计算和查阅相关的资料文献，最后推论以及计算的结论如下。（1）选用的RF95型号的球笼式等速万向节的基本参数和基本尺寸如下图2-3和下表2-6的RF95球笼式万向节的基本参数728图2-3 球笼式等速万向节的基本尺寸表2-6 RF95球笼式等速万向节基本尺寸表名称代号计算参数(mm)球形壳外径D90钢球直径d17.462钢球中心分布圆半径R30.25轴颈直径d126星型套宽度BB=1.8d31.432球笼宽度B1B1=1.8d31.432星型套滚道底径D1D1=2.5d43.655球笼厚度bb=0.185d3.23球笼槽宽度b1b1=d17.462球笼槽长度LL=(1.331.8)

43、d27.939星型套花键外径D2D21.55d27.066球形壳外滚道长度L1L1=2.4d41.909沟道偏心距hh=0.18d3.143（2）星形套和球形套之间的尺寸关系一般来说，球笼式等速万向节的组成结构有三种，就是星形套和球形罩之间的轨道可以有三种：包括了三点式接触轨道，椭圆形轨道，还有一种就是圆弧型轨道；前面两种的加工工艺都是比较复杂的，所以制造成本就会相应的比较高，所需要的加工精度也相应的要高很多，这样来说相应的汽车所学要发费在球笼式等速万向节的金额要高很多；相比于前两种的滚道，圆弧型滚道就没有那么的困难，所需要的加工工艺不会非常复杂，并且结构也比较简单，相对于汽车的稳定性能也不差

44、12。综合上面的比较，本文选取的滚道就是圆弧型滚道，所设计的钢珠滚道也就如下图所示的模型，钢珠和滚道相切的截面图，如图2-4所示，图中是以滚珠的球心为原点，建立相应的直角坐标系。R1是圆弧滚道的圆心半径，d是滚珠的直径，是滚珠的圆心和滚道的圆心之间的距离。图2-4 圆弧型滚道的几何尺寸关系由上图可以得到相应的关系式，令，那么由直角三角形的勾股定理可以得到： (2-4)令为圆弧滚道的曲率系数，则可以得到，再进行变形得到： (2-5)由式(2-4)和(2-5)可以得到： (2-6)通过上面的公式计算，可以得到圆弧滚道与滚珠两圆心距，再由式(2-5)可以得知，R1仅与滚珠直径d和滚道的曲率系数有关。

45、这里讲RF95的基本参数带入到计算中，即滚珠的直径d=17.462 mm和滚道的曲率系数=1.004代入，则由上面各式得到R1=8.766mm，OO1=0.035mm。（3）装球球窝的设计计算如图2-5所示，以球形壳的内沟中心O为原点，建立xoy直角坐标系。再通过相关文献7的公式推导出相应的关系式如下：球形内壳圆心到滚珠圆心距： (2-7)球形内壳的半径： (2-8)装球的球窝半径： (2-9)图2-5 球形内壳的相关参数2.3 本章小结基于帕姆格伦-迈因纳原理的万向节使用寿命估算，对某厂FF型轿车总体参数进行寿命估计，然后选择满足要求的RF95万向节，并确定RF95万向节的基本尺寸、星型套与

46、球形壳滚道几何尺寸、装球球窝的尺寸。为下一章进行RF95万向节的二维CAD参数设计和三维图形建模提供数据。第3章 RF95万向节模型建立3.1 CAD参数化设计CAD是目前国内使用非常多的一个绘图软件，并且大部分的二维图形的绘制都是使用CAD制作，CAD在二维图形的绘制的时候，能够简单并实效地输入参数，所以在国内的二维图形的绘制，是首选的二维绘图软件。本文的二维图形的绘制也是通过CAD软件进行绘制，通过绘制RF95球笼式等速万向节的二维图形，并添加滚珠与星形套和星形架之间平面的截面图，能够很好地反映RF95球笼式万向节的基本形状尺寸，为加工工艺做出相应的铺垫，同时为之后的三维建模提供一定的图形

47、参考。对于不同的球笼式万向节，基本的形状是不变的，只是在一些比较微小的尺寸方面需要针对性地做出修改。这里的RF95球笼式等速万向节也是通过最基本的球笼式等速万向节的基本形状，做出相应尺寸的调整，这样的好处就是能够更加规范性地设计同一类产品，而且不容易出现比较大的偏差，同时在设计的时候也能更加具有规范性，而且在完成设计之后的检测也能够更加的方便，所以这样的方法具有很大的实用性；在另一方面，通过基本的球笼式等速万向节进行相应的尺寸改变，能够节省更多的时间，所以设计RF95球笼式等速万向节CAD的流程图如下，而RF95万向节的CAD总成如图3-1所示：动力学分析二维工程图分析比较三维设计模型参数设计

48、图3-1 RF95球笼式等速万向节CAD总成图3.2 参数化建模技术现在来说比较常见的参数建模的方法有三种:1. 通过某一个特定的尺寸进行建模 这样的方法主要是，先规定一个比较重要的尺寸，然后其它的尺寸根据这个基本尺寸进行相应的改变，或者做出相应的设计加工，或者是改变原有的一些尺寸来满足整体的一个框架需要，达到比较完整的装配需求，之后再是通过这一个尺寸的修改，为整个装配的总成部件进行修改，直到能够达到相应的规定要求为止23。2. 通过约束性来进行建模就是通过规定某一些特定的相关约束，然后根据这些约束条件，对相应的尺寸设计或者零件设计做出相应的改变，在改变这些尺寸的时候必须要严格满足相应的约束条

49、件，比如边界条件的满足，或者是改变相应几何体的位置，从而达到满足装配的要求，并且在最后的驱动尺度要求中达到目标要求的条件，再最后自动生成比较合适的尺寸参数，并设计出最终的零件装配总设计23。3. 通过特定的一些参数进行建模在球笼式等速万向节中就有比较总要的一些参数，这样的参数会影响到很多其他的参数，比如比较总要的就是钢珠的直径，这个一个参数就是球笼式等速万向节比较特定的参数，可以通过球笼式等速万向节的滚珠进行其他的设计，比如通过滚珠的直径，再一步设计相应的圆弧滚道的直径，或者星形套的圆弧切削率，再就球笼式等速万向节的保持架的中间矩形的长宽设计14。3.3 等速万向节三维参数化模型的建立3.3.

50、1 RF95万向节各组件的结构参数化建模前面通过了CAD对RF95球笼式等速万向节的二维模型进行了相应的绘制，之后就是对它的三维设计做出相应的图形，根据前面章节的基本产生，使用CATIA软件进行三维参数化的建模，绘制出RF95球笼式等速万向节的三维模型图。在建模的过程中要使用到的Fomules功能，这个功能是对相应特定的零件进行约束，比如这里就是使用的是滚珠的约束，然后对其他的图形再进行随着滚珠的尺寸进行约束设计。在使用CATIA进行RF95球笼式等速万向节的三维模型进行设计的时候，要运用到比较多的操作，比如布尔运算，比如扫略，再比如自动选装生成三维模型，很多的简单且实效的操作能够让三维设计变

51、得更加的简单。这里主要设计了钢珠的图形，这是最为基本的一个零件尺寸，之后是球形壳的实体和星形套的实体图，再添加保持架的实体图，这四个是最基本的球笼式等速万向节的零件，具体的图形绘制之后的形状如下： 图3-2 钢球实体模型 图3-3球形壳实体模型 图3-4 星形套实体模型 图3-5 保持架实体模型3.3.2 RF95万向节各组件的装配在完成对RF95球笼式等速万向节的基本零件的设计之后，就是整体的装配图形，根据前面所设计的图形进行组装就可以了，组装之后的图形如图3-6所示，在这里还可以通过装配的步骤来检验零件尺寸设计的正确性，因为只有所有零件尺寸正确的前提之下，才能够生成三维的装配，这也是一个验

52、证零件尺寸的很好的方法。装配之后进行的就是角度的设计，这里的角度选着为0角的设计，就是装配模型的轴和其他的中性线和中心面在同一直线之上:图3-6 RF95 万向节装配体模型3.4 本章小结本章根据第2章的圆弧滚道的RF95万向节参所设计的参数，对RF95球笼式等速万向节的二维及三维模型的零件设计，以及完成RF95球笼式等速万向节的三维参数化设计和模型的装配工作，建立起了模型数据库，为第4章的RF95万向节动力学分析工作提供相应的计算模型。第4章 球笼式等速万向节动力学分析4.1 引言在第三章中使用CATIA软件完成了RF95球笼式等速万向节的三维模型的建立，这一章节将进行的是使用ADAMS软件

53、对RF95球笼式等速万向节进行相应的力学分析，主要分析的是是否满足设计需要的强度和刚度，然后就是输出的力矩是否能够达到所预期的要求。对于RF95球笼式等速万向节的力学分析，能够让本文设计的万向节更加有理论性的证明，就是能够很好的说明本文设计的RF95球笼式等速万向节设计的合理性，以及尺寸设计的合理性，并且能够满足相应的各项指标。这些力学分析的数据还可以有助于对RF95球笼式等速万向节进一步改进。4.2 建立模型 4.2.1 三维模型的建立RF95球笼式等速万向节的三维模型在CATIA中进行建模，这是第3章中的三维模型绘制完成的，这里只需要将第三章中CATIA中RF95球笼式等速万向节的三维模型

54、导入到力学分析软件中就可以直接进行相应的力学分析和计算。目前所使用的力学分析软件有很多，比价常用的是ANASYS分析软件，ANASYS软件对于力的分析使用的非常多，但是在机械设计方面以及动力学和运功学的仿真方面ADAMS在机械领域运用的更加广泛。所以本文使用的是ADAMA软件对RF95球笼式等速万向节进行相应的数值模拟分析，以及使用动力学分析，对球笼式万向节进行力的分析，检测设计的目标RF95万向节是否能够满足相应的强度和刚度的要求。4.2.2 力学模型的建立在机械的工程方面以及很多的机器设定方面，都需要设计相应的间隙，以保持收缩率，为各个零件留出一定的间隙，这样就能够避免整个机器当中产生过多

55、的应力集中，否则产生的较大内部应力，甚至会导致机器甚至在还没有运转的时候就会因为内部应力集中的特性，导致机器内部某些零件直接变形，严重影响机器的性能，所以零部件之间必须要留有一定的间隙。在留出间隙之后，还学要保证间隙的合理性，因为间隙的存在，机器在运转的时候，可能由于震动的原因，各个零部件之间会产生一些碰撞，或者是某些板块装置的平移产生，这里就需要对间隙的设计进行相应的计算。对于RF95球笼式等速万向节的摩擦力的计算，治理采用二维的平面模型进行求解，求解的过程具体步骤如下面，这里要考虑运动模块的运动副和摩擦系数，考虑到摩擦力的影响，对于碰撞模块就有一定的影响，这里的间隙和缓冲的润滑使用弹簧模拟，进而对碰撞模块的摩擦力的求解，使用弹簧的虎克定律进行公式的运算，如图4-2所示，M1、M2分别是两个模块的质量，x1、x2是两个模块的相对位移，g是两个碰撞模块的相对距离。图3-2 碰撞模块则通过上图的碰撞模块的简图，可以得知法向作用力可以表示为： (4-1)式(4-1)中的Fe是弹簧的等效弹力；Fd则是另一个滑块相对的阻力；x，是两个碰撞模块的相对位移和相对速度。使用Hertz作为理论基础，使用非线性理论进行计算，得到弹力、阻力和法向力之间的关系式如下： (4-2)上式(4-2)中的k、n、c