双偏置式等速万向节及其设计方法与流程

本发明是一种等速万向节，特别涉及一种双偏置式等速万向节及其设计方法。

背景技术：

现有技术中的等速万向节密封性能相对不出色，同时使用性能相对较弱。

中国专利200410070385.5，公开一个目标在于提供一种等速万向节,在超过耐用寿命后能将所产生的诱发推力和滑动阻力稳定在低水平上,并表现出良好的NVH特征。本发明的等速万向节包括:一个外组件,其内圆周表面上沿轴向延伸有三个滚道；一个形成于各个滚道的每一侧上轴向延伸的滚动体导向面；一个具有径向方向延伸的三个耳轴的三脚形组件,和一个安装于每一个三脚形组件上的滚动体机构,滚动体机构能够相对于耳轴自由地摆动和振动,滚动体机构具有在平行于外组件的轴线方向上沿滚动体导向面被引导的滚动体。等速万向节的特征在于:滚动体的外圆周表面的粗糙度为0.35Ra或更小。此结构适配性相对不强。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术中存在的不足，结构紧凑，提供更加出色的密封性能和使用性能的双偏置式等速万向节及其设计方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种双偏置式等速万向节，包括外套和传动轴，所述的外套中设有星形齿，所述的星形齿的外端设有偏心保持架，所述的星形齿与偏心保持架间设有6个钢球；

所述的外套在内圆柱面上周向等分地开有6个与轴线平行且截面形状为关于钢球中心对称的双偏心圆弧内沟道，所述的星形齿在外球面上亦周向等分地开有6个与轴线平行且截面形状为关于钢球中心对称的双偏心圆弧外沟道；偏心保持架的内、外球面中心分别置于钢球中心的两侧且偏心距相等,偏心保持架设有6个周向窗孔,偏心保持架的内球面与星形套外球面配合。

作为优选，所述的偏心保持架中设有与传动轴相挡接的挡块，所述的外套外设有与传动轴相触接的防尘障。

一种双偏置式等速万向节的设计方法，按以下步骤进行：

(一)、主要零件设计：

(1)、外套设计：

外套的沟道素线均与轴线平行,沟道截面形状为双偏心圆弧形；由于保持架偏心的原因,该沟道的接触角设计成36度；由于保持架在筒形壳圆柱面上既有滚动又有滑动,圆柱面与保持架外球面间要有足够的间隙,在外套内口处设计了一内圆台阶；

(2)、星形齿设计：

双偏置式等速万向节的星形齿，其结构设计,一是使外球面上的六等分沟道和外套均与轴线平行；沟道截面形状与外套相同,接触角设计成36度；

(3)、保持架设计：

双偏置式等速万向节偏心保持架的结构设计应使6个窗孔中心线与保持架中心线重合；

内、外球面中心距窗孔中心距离相等,确保该万向节转角时,主、从动轴始终同步；

根据该万向节的等速原理,偏心保持架的外部轮廓应为纯球面；由于外球面中心至内球面中心距离等于偏心距的2倍,在与内球面相交的端面附近壁厚就变得很薄,热处理工艺性较差,特别是使用中,此区域易先磨损甚至破碎；所以,在此端通常设计成15度的锥面并与外球面相切,缓解了两端壁厚的差异,又不影响转角，极限转角可达2×15度＝30度；

为装配星形齿,在偏心保持架外球面中心一侧的端面处开出一制口,并在该制口与内球面相交处设计一较短的圆柱面；

(二)、结构主参数的设计计算：

(1)、钢球直径：

钢球直径D_w可按下式计算：

D_w＝0.22D_k (1)

计算所得应选取最接近的标准值；

(2)、球组节圆直径：

球组节圆直径D_pw可按下式计算

D_pw＝K(D_ei+D_k) (2)

K＝0.51～0.53；

(3)、外套沟道截面参数：

外套沟道截面形状是关于钢球对称的双偏心圆弧形,其主参数设计计算如下：

外套沟道截面圆弧半径：

R_k为R_k＝f_kD_w (3)

式中:f_k＝0.515～0.525,一般取f_k＝0.52；

沟道接触球β_k,根据前述分析,β_k＝36；

由几何关系可得沟道截面圆弧与钢球两中心距的水平距离h_k和沟底间隙ε_k分别为：

(4)、星形齿沟道截面参数：

同外套一样,星形齿的沟道截面形状是关于钢球中心对称的双偏心圆弧形结构,其主要参数的设计计算如下：

星形齿沟道截面圆弧半径Rx为

R_x＝f_xD_w (6)

式中:f_x＝0.515～0.525,f_x＝0.52；

星形齿沟道接触角β_x同外套一样,β_x＝36；

由几何关系,可得星形齿沟道截面圆弧曲率中心与钢球中心距的水平距离h_x和星形齿沟道底部与钢球的间隙β_x分别为：

(5)、外套沟道底部直径由几何关系,可得外套沟道底部直径D_g为

或，D_g＝D+D_w+2β_k (10)

(6)、星形齿沟道底部直径由几何关系,可得星形齿沟道底部直径d_g为：

或，d_g＝D-D_w-2β_x (12)

(7)、外套沟道长度考虑到台阶和转角对外套沟道长度的影响,为确保在极转角、极限伸缩的不利工况下,钢球仍可在沟道内,使万向节正常工作,拟应有一沟道长度余量ε；由此,外套沟道长度L_g为：

ε＝10-15mm

(8)、星形齿宽度B_x可按下式计算：

(9)、星形齿外球面曲率中心至端面的距离；

双偏置式等速万向节的星形齿是对称结构,所以外球面曲率中心至端面的距离L_x为：

(10)、偏心保持架内球面理论轴向宽度：

偏心保持架内球面理论轴向宽度一般等于星形齿宽度,所以有：

B_i＝B_x (16)

(11)、偏心保持架制口深度：

偏心保持架制口深度B₂可按下式确定：

B₂＝2e (17)

(12)、偏心保持架宽度，由几何关系,可得偏心保持架宽度B_j为：

B_j＝B_i+B₂ (18)

将(16)式和(17)式分别代入(18)式得：

B_j＝B_x+2e (19)

(13)、偏心保持架窗孔中心至端面的距离B₁为：

(14)、外套内腔长度,外套沟道长度一般要小于内腔长度,这是因为传动轴压缩到极端时,偏心保持架先接触到内腔底部,所以外套内腔长度L_k可按下式计算：

(15)、偏心保持架的偏心距：

偏心保持架内、外球面曲率中心分别位于窗孔中心的两侧,且内、外球面曲率中心至窗孔中心的距离(偏心距)相等，其值e可按下式计算：

θ＝16°～18°

(16)、偏心保持架内球面径：

双偏置式等速万向节6个钢球始终与保持架窗孔相切，为使两轴夹角为最大值时仍能很好的接触,而当轴间角为0时,钢球轴向中心线应位于窗孔厚度的中点，经研究,偏心保持架窗孔厚度S＝K₁D_w(K1＝0.21～0.22)时,可满足上述要求,由此可进行偏心保持架内、外球面径的设计计算；O为窗孔中心；O₁为内球面曲率中心；O₂为外球面曲率中心；BE为内球面中心一侧的窗孔；C为BE的中点；显然,C点为轴间角为0°时,钢球与窗孔的切点；内、外球面径的求解，由于AC-AB＝BC而

所以得

整理得偏心保持架内球面径Di为:

经

式中:K₁＝0.21～0.23；

(17)、星形齿外球面径：

由于星形齿外球面与偏心保持架内球面配合,所以,星形齿外球面径D_x与偏心保持架内球面径D_i的公称值相等,即：

(24)式中:K1＝0.21～0.23；

(18)、偏心保持架外球面径：

F是与轴线夹角为15°的圆锥面与外球面的切点,显然有O₂F⊥FE；

在RtΔO₂AE中而

所以有由于∠

所以,在R_tΔO₂FE中

由上述推导可得偏心保持架外球面径D_e为：

式中:K₁＝0.21～0.23；

(19)、外套内圆柱面径：

由于外套内圆柱面与偏心保持架外球面配合,所以,外套内圆柱面径D₁

与偏心保持架外球面径D_e的公称值相等,即：

(20)、偏心保持架制口径：

双偏置式等速万向节装配时,星形齿是通过偏心保持架制口装入的,所以,制口径要略大于星形齿外球面径(偏心保持架内球面径),若装配间隙为ε₁,则偏心保持架制口径D₂可由下式确定：

D2＝Di+ε₁ (27)一般ε₁＝0.1～0.2

(21)、偏心保持架圆柱面径：

偏心保持架内球面与制口底部平面相交处有一较长的尖角,影响了星形齿的装配,通常要加工一较短的圆柱面,一般此圆柱面轴向宽度为0.12D_W时,星形齿可以顺利装入,由此可进行如下的设计计算；

可得

经整理,得偏心保持架短圆柱面径D₃为：

(22)、偏心保持架窗孔结构参数：

22.1、窗孔宽度：

偏心保持架窗孔的结构,由于该孔与钢球是过渡配合,窗孔宽度B3

与钢球直径D_W的公称值相等,即有：

B₃＝D_W (29)

22.2、窗孔长度：

偏心保持架窗孔要有一定的长度,使钢球有足够的活动空间,确保双偏置式等速万向节转角,经模拟可得窗孔长度L为：

L＝1.2D_w (30)

22.3、窗孔冲压宽度：

偏心保持架的窗孔成形的工艺过程是:冲孔→铣(或拉)孔→磨孔,所以,窗孔的冲压宽度应在成品宽度的基础上预留铣(或拉)孔和磨孔余量；

偏心保持架窗孔冲压宽度B₄可按下式计算并适当圆整:

B4＝B3-ε_B (31) 一般ε_B＝0.8～1.2

22.4、窗孔磨削长度：

同球笼式万向节一样,双偏置式等速万向节工作时,钢球在偏心保持架窗孔内的活动范围为L-D_w。显然,每一窗孔的磨削长度L1应等于L-D_W,考虑到窗孔冲压等分和磨削对称度等误差的影响,使窗孔的磨削部位(即L₁区域)形成综合的累积误差，为消除此影响,给钢球以足够的活动空间,拟在L-D_W的基础上再加上ε_L(ε_L＝1～2),偏心保持架窗孔磨削长度L₁可按下式计算并适当圆整：

L₁＝L-D_W+ε_L (32)。

伸缩型球笼式等速万向节属于等速万向节，其工作特点是所有传力点总是位于两轴夹角的等分平面上，这样被万向节所联接的两轴的角速度就永远相等。

DOJ型双偏置式等速万向节其外滚道为直槽，在传递转矩时，星形齿与外套可以沿轴向相对移动，故可省去其它万向传动装置的滑动花键。这不仅结构简单，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，所以其滚动阻力小，传动效率高。万向节允许的工作最大夹角为20°。为了能可靠的正常工作，必须使其保持良好的润滑状态，否则就会造成金属元件的直接接触，加剧万向节原件的磨损或擦伤，降低其工作寿命。球笼式等速万向节所用的润滑剂主要取决于转速和角度。在转速高达1500r/min时，使用一种优良的油脂，这种油脂能防锈。若转速和角度都较大时，则使用润滑油。同时，设有筒式波纹型橡胶密封罩密封装置防止润滑剂泄漏。

结构特征：

双偏置式等速万向节的基本结构,其结构特征为:外套在内圆柱面上周向等分地开有6个与轴线平行且截面形状为关于钢球中心对称的双偏心圆弧内沟道，星形齿在外球面上亦周向等分地开有6个与轴线平行且截面形状为关于钢球中心对称的双偏心圆弧外沟道，偏心保持架的内、外球面中心分别置于钢球中心的两侧,且偏心距相等,相应地,偏心保持架亦有6个周向窗孔,用于夹持6个钢球,偏心保持架的内球面与星形套外球面配合,外球面与筒形壳内圆柱面配合。此结构确保了当主、从动轴同时有一定角位移和轴向位移复杂工况下,仍能非常平稳、灵活、可靠和精确地传递运动和转矩。双偏置式万向节两轴可达到的最大转角为20,且结构中星形齿、偏心保持架和钢球组件通过星形齿内花键与传动轴外花键配合。为防止该组件在工作中脱离外套,在外套外口处设计一挡块,确保该组件在外套内正常工作。

技术性能特点：

1.密封性能好

防尘罩热可塑性合成橡胶耐高温(140℃)、耐冲击耐冲击、耐高温(140℃)、耐冲击、耐用，由于采用橡胶密封罩、金属密封罩实现完全或多层密封，从而避免频繁维护。

2.外套、星形齿采用SAE8620H、20NiCrMo2材料、渗碳淬火硬度HRC58+4，深度1.0+1.4mm2。

3.钢球GCr15优质轴承钢优质轴承钢、GCr15优质轴承钢、ES2100表面硬度HRC58+4。

4.保持架SAE8617H深度Eht(0.6+0.4)mm渗碳深度)内外球面、内外球面、窗孔磨削表面硬度HRC58+46、渗碳淬火钢冷成形、淬硬轴颈磨削。

5.完全等速性，内部结构采用了内外套沟道中心等距离偏置原理，实现完全等速传动，能抑制由于转速和转矩变化对相联设备所产生的各种振动和冲击的不良影响。

6.传动效率高，具有很高的传动效率，其功率损失在轴倾角变化范围内近似成线性变化，选用时传动效率可近似取1，一般情况下可取0.98。

7.滑移式本体内部的内外套能在轴向作相对滑移；该联轴器能实现滑移与转动一体化；在等回转达直径情况下，最短尺寸远小于十字轴。

8.具有吸收震动和冲击的能力。能同时实现转动和滑移，所以它能吸收对联接传动设备有害的震动及冲击，对系统起到保护作用。

9.安装方便：

A、由于两端本体内有一定的伸缩量，特别是滑移式快装弹簧的使用，等速万向联轴器的安装省时省力。

B、由于万向联轴器具有一定的摆角，安装时允许误差较大，轴心对口非常方便。

C、设计新颖的法兰快装结构，为用户的安装提供了极大的便利。

因此，本发明提供的双偏置式等速万向节及其设计方法，结构紧凑，提高使用性能，提升传动效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的剖视结构示意图；

图3是本发明中外套沟道截面形状结构图；

图4是本发明中星形齿的结构图；

图5是本发明中星形齿沟道截面结构图；

图6是本发明中偏心保持架的结构示意图；

图7是本发明中内、外球面径的求解结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，一种双偏置式等速万向节，包括外套1和传动轴2，所述的外套1中设有星形齿3，所述的星形齿3的外端设有偏心保持架4，所述的星形齿3与偏心保持架4间设有6个钢球5；

所述的外套1在内圆柱面上周向等分地开有6个与轴线平行且截面形状为关于钢球中心对称的双偏心圆弧内沟道8，所述的星形齿3在外球面上亦周向等分地开有6个与轴线平行且截面形状为关于钢球中心对称的双偏心圆弧外沟道9；偏心保持架4的内、外球面中心分别置于钢球中心的两侧且偏心距相等,偏心保持架4设有6个周向窗孔,偏心保持架6的内球面与星形套外球面配合。

所述的偏心保持架4中设有与传动轴2相挡接的挡块6，所述的外套1外设有与传动轴2相触接的防尘罩7。

一种双偏置式等速万向节的设计方法，按以下步骤进行：

(一)、主要零件设计：

(1)、外套设计：

外套的沟道素线均与轴线平行,沟道截面形状为双偏心圆弧形；由于保持架偏心的原因,该沟道的接触角设计成36度；由于保持架在筒形壳圆柱面上既有滚动又有滑动,圆柱面与保持架外球面间要有足够的间隙,在外套内口处设计了一内圆台阶；

(2)、星形齿设计：

双偏置式等速万向节的星形齿，其结构设计,一是使外球面上的六等分沟道和外套均与轴线平行；沟道截面形状与外套相同,接触角设计成36度；

(3)、保持架设计：

双偏置式等速万向节偏心保持架的结构设计应使6个窗孔中心线与保持架中心线重合；

内、外球面中心距窗孔中心距离相等,确保该万向节转角时,主、从动轴始终同步；

根据该万向节的等速原理,偏心保持架的外部轮廓应为纯球面；由于外球面中心至内球面中心距离等于偏心距的2倍,在与内球面相交的端面附近壁厚就变得很薄,热处理工艺性较差,特别是使用中,此区域易先磨损甚至破碎；所以,在此端通常设计成15度的锥面并与外球面相切,缓解了两端壁厚的差异,又不影响转角，极限转角可达2×15度＝30度；

为装配星形齿,在偏心保持架外球面中心一侧的端面处开出一制口,并在该制口与内球面相交处设计一较短的圆柱面；

(二)、结构主参数的设计计算：

(1)、钢球直径：

钢球直径D_w可按下式计算：

D_w＝0.22D_k (1)

计算所得应选取最接近的标准值；

(2)、球组节圆直径：

球组节圆直径D_pw可按下式计算

D_pw＝K(D_ei+D_k) (2)

K＝0.51～0.53；

(5)、外套沟道截面参数：

外套沟道截面形状是关于钢球对称的双偏心圆弧形,其主参数设计计算如下：

外套沟道截面圆弧半径：

R_k为R_k＝f_kD_w (3)

式中:f_k＝0.515～0.525,一般取f_k＝0.52；

沟道接触球β_k,根据前述分析,β_k＝36；

由几何关系可得沟道截面圆弧与钢球两中心距的水平距离h_k和沟底间隙ε_k分别为：

(6)、星形齿沟道截面参数：

同外套一样,星形齿的沟道截面形状是关于钢球中心对称的双偏心圆弧形结构,其主要参数的设计计算如下：

星形齿沟道截面圆弧半径Rx为

R_x＝f_xD_w (6)

式中:f_x＝0.515～0.525,f_x＝0.52；

星形齿沟道接触角β_x同外套一样,β_x＝36；

由几何关系,可得星形齿沟道截面圆弧曲率中心与钢球中心距的水平距离h_x和星形齿沟道底部与钢球的间隙β_x分别为：

(5)、外套沟道底部直径由几何关系,可得外套沟道底部直径D_g为

或，D_g＝D+D_w+2β_k (10)

(6)、星形齿沟道底部直径由几何关系,可得星形齿沟道底部直径d_g为：

或，d_g＝D-D_w-2β_x (12)

(7)、外套沟道长度考虑到台阶和转角对外套沟道长度的影响,为确保在极转角、极限伸缩的不利工况下,钢球仍可在沟道内,使万向节正常工作,拟应有一沟道长度余量ε；由此,外套沟道长度L_g为：

ε＝10-15mm

(8)、星形齿宽度B_x可按下式计算：

(9)、星形齿外球面曲率中心至端面的距离；

双偏置式等速万向节的星形齿是对称结构,所以外球面曲率中心至端面的距离L_x为：

(10)、偏心保持架内球面理论轴向宽度：

偏心保持架内球面理论轴向宽度一般等于星形齿宽度,所以有：

B_i＝B_x (16)

(11)、偏心保持架制口深度：

偏心保持架制口深度B₂可按下式确定：

B₂＝2e (17)

(12)、偏心保持架宽度，由几何关系,可得偏心保持架宽度B_j为：

B_j＝B_i+B₂ (18)

将(16)式和(17)式分别代入(18)式得：

B_j＝B_x+2e (19)

(13)、偏心保持架窗孔中心至端面的距离B₁为：

(14)、外套内腔长度,外套沟道长度一般要小于内腔长度,这是因为传动轴压缩到极端时,偏心保持架先接触到内腔底部,所以外套内腔长度L_k可按下式计算：

(15)、偏心保持架的偏心距：

偏心保持架内、外球面曲率中心分别位于窗孔中心的两侧,且内、外球面曲率中心至窗孔中心的距离(偏心距)相等，其值e可按下式计算：

θ＝16°～18°

(16)、偏心保持架内球面径：

双偏置式等速万向节6个钢球始终与保持架窗孔相切，为使两轴夹角为最大值时仍能很好的接触,而当轴间角为0时,钢球轴向中心线应位于窗孔厚度的中点，经研究,偏心保持架窗孔厚度S＝K₁D_w(K1＝0.21～0.22)时,可满足上述要求,由此可进行偏心保持架内、外球面径的设计计算；O为窗孔中心；O₁为内球面曲率中心；O₂为外球面曲率中心；BE为内球面中心一侧的窗孔；C为BE的中点；显然,C点为轴间角为0°时,钢球与窗孔的切点；内、外球面径的求解，由于AC-AB＝BC而

所以得

整理得偏心保持架内球面径Di为:

经

(23)式中:K₁＝0.21～0.23；

(17)、星形齿外球面径：

由于星形齿外球面与偏心保持架内球面配合,所以,星形齿外球面径D_x与偏心保持架内球面径D_i的公称值相等,即：

式中:K1＝0.21～0.23；

(18)、偏心保持架外球面径：

F是与轴线夹角为15°的圆锥面与外球面的切点,显然有O₂F⊥FE；

在RtΔO₂AE中而

所以有由于∠

所以,在R_tΔO₂FE中

由上述推导可得偏心保持架外球面径D_e为：

式中:K₁＝0.21～0.23；

(19)、外套内圆柱面径：

由于外套内圆柱面与偏心保持架外球面配合,所以,外套内圆柱面径D₁

与偏心保持架外球面径D_e的公称值相等,即：

(20)、偏心保持架制口径：

双偏置式等速万向节装配时,星形齿是通过偏心保持架制口装入的,所以,制口径要略大于星形齿外球面径(偏心保持架内球面径),若装配间隙为ε₁,则偏心保持架制口径D₂可由下式确定：

D2＝Di+ε₁ (27)一般ε₁＝0.1～0.2

(21)、偏心保持架圆柱面径：

偏心保持架内球面与制口底部平面相交处有一较长的尖角,影响了星形齿的装配,通常要加工一较短的圆柱面,一般此圆柱面轴向宽度为0.12D_W时,星形齿可以顺利装入,由此可进行如下的设计计算；

可得

经整理,得偏心保持架短圆柱面径D₃为：

(22)、偏心保持架窗孔结构参数：

22.1、窗孔宽度：

偏心保持架窗孔的结构,由于该孔与钢球是过渡配合,窗孔宽度B3与钢球直径D_W的公称值相等,即有：

B₃＝D_W (29)

22.2、窗孔长度：

偏心保持架窗孔要有一定的长度,使钢球有足够的活动空间,确保双偏置式等速万向节转角,经模拟可得窗孔长度L为：

L＝1.2D_w (30)

22.3、窗孔冲压宽度：

偏心保持架的窗孔成形的工艺过程是:冲孔→铣(或拉)孔→磨孔,所以,窗孔的冲压宽度应在成品宽度的基础上预留铣(或拉)孔和磨孔余量；

偏心保持架窗孔冲压宽度B₄可按下式计算并适当圆整:

B4＝B3-ε_B (31)一般ε_B＝0.8～1.2

22.4、窗孔磨削长度：

同球笼式万向节一样,双偏置式等速万向节工作时,钢球在偏心保持架窗孔内的活动范围为L-D_w。显然,每一窗孔的磨削长度L1应等于L-D_W,考虑到窗孔冲压等分和磨削对称度等误差的影响,使窗孔的磨削部位(即L₁区域)形成综合的累积误差，为消除此影响,给钢球以足够的活动空间,拟在L-D_W的基础上再加上ε_L(ε_L＝1～2),偏心保持架窗孔磨削长度L₁可按下式计算并适当圆整：

L₁＝L-D_W+ε_L (32)。