双偏置式等速万向节及其设计方法与流程

技术特征：

1.一种双偏置式等速万向节，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的双偏置式等速万向节，其特征在于：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)。

3.一种根据权利要求1或2所述的双偏置式等速万向节的设计方法，其特征在于按以下步骤进行：

(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：

$h_k=(R_k-\frac{1}{2}{D}_w){\mathrm{sin\β}}_k---\left(4\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_k=\sqrt{{R^2}_k-{h^2}_k}-\frac{k_k}{{\mathrm{tan\β}}_k}-\frac{D_w}{2}---\left(5\right)$

(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：

$h_x=(R_x-\frac{1}{2}{D}_w){\mathrm{sin\β}}_x---\left(7\right)$

${\mathrm{\ϵ}}_x=\sqrt{{R^2}_x-{h^2}_x}-\frac{h_x}{{\mathrm{tan\β}}_x}-\frac{D_w}{2}---\left(8\right)$

(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

$D_g=D+2(\sqrt{{R_k}^2-{h_k}^2}-\frac{h_k}{{\mathrm{tan\β}}_k})---\left(9\right)$

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：

$d_g=D+2(\sqrt{{R_x}^2-{h_x}^2}-\frac{h_x}{{\mathrm{tan\β}}_x})---\left(11\right)$

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：

$B_x=\frac{4}{3}{D}_W---\left(14\right)$

(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：

$L_x=\frac{1}{2}{B}_x---\left(15\right)$

(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：

$B_1=\frac{1}{2}{B}_j---\left(20\right)$

(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：

$L_k=L_g+\frac{1}{2}(B_j-D_w)---\left(21\right)$

(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：

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

由上述推导可得偏心保持架外球面径De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：

$D_3=\sqrt{D_i^2-{(Bx-0.24D_w)}^2}---\left(28\right)$

(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)。