一种球铰传动轴的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种球铰传动轴，其属于机械行业传动系统的传动轴。它解决了现有技术十字轴式传动轴的结构不够紧凑、密封差、易于磨损、承载能力低、易于疲劳断裂的缺陷及球笼式/球叉式传动轴结构复杂、制造工艺水平要求高、钢球与滚道接触面积小、接触应力大的弊端。本发明通过在球头外表面设置滑道并与钢球的滑靴相配合，从而使钢球与滑靴之间为球面接触、滑靴与滑道之间为平面或曲面接触，大大增加了传动件之间的接触面积，有效降低了各传动压力面之间的压强，提高了零部件的寿命，且使钢球的受力剪切面基本上位于钢球的最大直径上，传递扭矩的能力增强。本发明具有结构简单、制造方便，承载能力大、可靠性高的综合优点。
【专利说明】
一种球铰传动轴
技术领域
[0001]本发明属于机械行业传动系统的零部件，尤其涉及传动轴。
【背景技术】
[0002]现有技术的传动轴主要有十字轴式、球笼式、球叉式三种结构，其中十字轴式结构相对简单、制造难度低，应用最为普遍，而球叉式和球笼式结构复杂，制造工艺水平要求高，目前该类产品的生产技术主要集中在国外，国内的生产工艺水平还难以满足产品质量的要求。十字轴式尽管结构简单，但尚存在以下不足:1、结构不够紧凑;2、密封较差，易于磨损；
3、相对承载能力不够大，重载情况下十字叉部位易于疲劳断裂;而球叉式和球笼式结构过于复杂，在传动过程中钢球与滚道的接触面积较小，接触压力高，加剧了零件的磨损，且工作中钢球所受剪切力的剪切面较小，未能充分发挥零件潜力。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种球铰传动轴，结构简单紧凑，制造方便，承载能力大，可以满足机械产品对传动系统零部件的高可靠性要求。
[0004]本发明是采用以下技术方案实现的:
方案1: 一种球铰传动轴，包括球窝、球头、球头柄、端盖、钢球，其特征在于:球窝的内腔设置球窝球面SI，端盖内腔设置端盖球面S2，球头外表面设置球头球面S3，S1和S2具有相等的球径，S3可与SI和S2共球心并形成球面滑动配合。球窝和端盖通过基准端面P贴合固定装配在一起并拥有共同的主回转轴W，主回转轴W通过SI和S2的球心并与基准端面P垂直，SI和S2的球心位于基准端面P上，从而使SI和S2的球心重合并共球面，球头被包裹装配在SI和S2围成的球腔内，使球头球面S3与S1、S2的球心重合。端盖的外端口 E-2的开口直径小于球头球面S3的球径，从而保证球头球面S3不会脱离SI和S2围成的球腔并与之保持球面间正确的滑动配合关系。球窝的基准端面P上还设置有沿主回转轴W周向均布的4个内凹钢球定位球面IRl，R1的球心位于基准端面P上并保持与SI的球心等距离，该距离的大小等于或接近SI的球面半径。对应地，端盖的基准端面P上也设置有沿主回转轴W周向均布的4个内凹钢球定位球面Π R2并与球窝的4个内凹钢球定位球面IRI——对应配合，相对应配合的R2和RI保持同心共球面的关系，并围成等于或接近半球面的空腔，该空腔球面包裹在钢球F的外球面上并保持球面间正确的滑动配合关系。球头H的副回转轴J通过球头球面S3的球心并与球头柄H-1的轴线重合，球头球面S3上还设置有沿副回转轴J周向均布的4条滑道L，滑道对称面IMl和滑道对称面ΠΜ2相互垂直并相交于副回转轴J，滑道对称面IMl沿滑道纵向中分其中的2条滑道并同时作为另2条滑道的对称面;对应地，滑道对称面Π M2则沿滑道纵向中分其中的另2条滑道并同时作为其余2条滑道的对称面。滑靴G为4个，分别对应滑动配合在4个滑道L的沟槽内，滑靴底面G-2与滑道底面L-1滑动配合，滑靴侧面G-3与滑道侧面L-2滑动配合，而滑靴顶面G-1与球窝球面SI及端盖球面S2配合。滑靴顶面G-1上还设置有钢球定位球面mR3，钢球定位球面mR3与对应的钢球定位球面IRl和钢球定位球面IIR2可合围成一个球腔包裹配合在钢球F的外球面上，钢球F可在该球腔内自由转动。当球窝、球头、球头柄、端盖、钢球和滑靴按上述装配关系装配在一起后，钢球F便被限制在了钢球定位球面IRl和钢球定位球面IIR2内，而滑靴G则被限制在球窝球面SI和滑道底面之间并同时受滑道侧面和钢球F的约束，球头和球头柄可相对于球窝摆动，从而可使球窝的主回转轴W和球头H的副回转轴J之间产生夹角。当球窝与机器的动力接口连接在一起后，球窝便在动力接口的驱动下转动，并通过钢球F将转矩传递给滑靴G，滑靴G又通过滑道L将转矩传递给球头和球头柄，从而驱动球头和球头柄转动，并进一步通过球头柄向与球头柄连接的下一级传动部件传递动力，从而实现本发明球铰传动的目的。
[0005]进一步的，可在滑靴G上设置滑靴油孔Q从而贯通钢球定位球面IIIR3与滑靴底面G-2。
[0006]进一步的，可在滑靴G的外表面上和/或滑道L的滑道表面上沿滑道纵向设置润滑油槽，从而促进各滑动配合副之间的润滑，方便润滑油的流动和均布。
[0007]进一步的，可在球头和/或球窝、端盖上设置润滑油道通达滑道L的空腔内，以方便日常的润滑保养。
[0008]进一步的，端盖E与球头柄H-1之间还固定设置有可伸缩的密封套I，从而将内部传动部件密封保护起来，防止润滑油流失及灰尘污染。
[0009]方案2:根据实际需要，可对方案I进行适当变动。在重载工况下，为了进一步加大传递扭矩，方案I中钢球定位球面I Rl、钢球定位球面Π R2、滑道L、滑靴G和钢球F的数量可以增加到4个以上;在轻载工况下，亦可减少至4个以下。钢球定位球面IRl和钢球定位球面ΠR2沿主回转轴W周向均布，并保持与SI或S2的球心距离等于或接近SI或S2的球面半径;配对使用的钢球定位球面IRl和钢球定位球面IIR2的球心重合并位于基准端面P上，并围成等于或接近半球面的空腔，该空腔球面包裹在钢球F的外球面上并保持球面间正确的滑动配合关系。对应地，滑道L纵向设置在球头球面S3上并沿副回转轴J周向均布，每条滑道L均具有对称面，该对称面通过副回转轴J及S3的球心，滑靴G同时和滑道L及钢球F滑动配合并受其约束。
[0010]方案3:为了简化结构，方案I和方案2的滑靴可以去掉，并相应调整滑道L的横截面形状使之与钢球F的球面直接配合并约束钢球F的运动。
[0011]与现有技术相比，本发明的有益效果是:1、结构简单、紧凑，制作容易；2、钢球F的受力剪切面基本上位于钢球的最大直径上，传递扭矩大;3、钢球与滑靴之间为球面接触，滑靴与滑道之间为平面或曲面接触，接触面积大大增加，有效降低了各传动压力面之间的压强，增加了传递能力，提高了零部件寿命。
[0012]【附图说明】:
图1是本发明一种球铰传动轴的主视图，球窝与动力接口的连接形式为带卡键法兰式，球头与球头柄为一体式结构，主回转轴W和副回转轴J共线。
[0013]图2-5是图1的A-A、B-B剖视图，分别展示了4种滑道及滑靴的结构形式，为4滑道和4滑靴结构形式。
[0014]图6是图1的A-A、B-B剖视图，为6滑道和6滑靴的结构示例。
[0015]图7是图1的A-A、B_B剖视图，为8滑道和无滑靴的结构示例。
[0016]图8是图1的A-A、B-B剖视图的局部视图，展示了钢球F的几种变形结构一滚柱Fl的装配示意图。
[0017]图9是图2滑靴G的V向放大视图。
[0018]图10是图2滑靴G的Z向放大视图。
[0019]图11是图1的变形结构，球窝与动力接口的连接形式为花键式。
[0020]图12是图1的变形结构，球头与球头柄之间为分体装配式结构。
[0021 ]图13是2个球铰传动轴配对组合在一起使用的连接示意图。
[0022]图中，C、动力接口；C_1、定心面;D、球窝;D-1、球窝凸缘；D_2、球窝接口；E、端盖；E-1、端盖凸缘;E-2、外端口； F、钢球;Fl、滚柱;F2、轴承;G、滑靴;G-1、滑靴顶面;G-2、滑靴底面;G-3、滑靴侧面;H、球头;H-1、球头柄；1、密封套;J、副回转轴;K、滑靴油槽;L、滑道;L-1、滑道底面;L-2、滑道侧面;M1、滑道对称面I;M2、滑道对称面Π ;N、润滑油道;U、滑道油槽;P、基准端面;Q、滑靴油孔;Rl、钢球定位球面I ；R2、钢球定位球面Π ;R3、钢球定位球面ΙΠ; S1、球窝球面;S2、端盖球面;S3、球头球面;T1、键槽;T2、传动键;W、主回转轴;X、垫片;Y、挡圈。
[0023]【具体实施方式】:
下面结合附图对本发明作进一步说明实施例1:
如图1所示，一种球铰传动轴，包括球窝、球头、球头柄、端盖、钢球，球窝的内腔设置球窝球面SI，端盖内腔设置端盖球面S2，球头外表面设置球头球面S3，SI和S2具有相等的球径，S3可与SI和S2共球心并形成球面滑动配合。球窝和端盖通过基准端面P贴合固定装配在一起并拥有共同的主回转轴W，主回转轴W通过SI和S2的球心并与基准端面P垂直，SI和S2的球心位于基准端面P上，从而使SI和S2的球心重合并共球面，球头被包裹装配在SI和S2围成的球腔内，使球头球面S3与S1、S2的球心重合。端盖的外端口 E-2的开口直径小于球头球面S3的球径，从而保证球头球面S3不会脱离SI和S2围成的球腔并与之保持球面间正确的滑动配合关系。球窝的基准端面P上还设置有沿主回转轴W周向均布的4个内凹钢球定位球面IRl，R1的球心位于基准端面P上并保持与SI的球心等距离，该距离的大小等于或接近SI的球面半径。对应地，端盖的基准端面P上也设置有沿主回转轴W周向均布的4个内凹钢球定位球面IIR2并与球窝的4个内凹钢球定位球面IRl——对应配合，相对应配合的R2和Rl保持同心共球面的关系，并围成等于或接近半球面的空腔，该空腔球面包裹在钢球F的外球面上并保持球面间正确的滑动配合关系。球头H的副回转轴J通过球头球面S3的球心并与球头柄H-1的轴线重合，球头球面S3上还设置有沿副回转轴J周向均布的4条滑道L，滑道对称面IMl和滑道对称面ΠΜ2相互垂直并相交于副回转轴J，滑道对称面IMl沿滑道纵向中分其中的2条滑道并同时作为另2条滑道的对称面;对应地，滑道对称面Π M2则沿滑道纵向中分其中的另2条滑道并同时作为其余2条滑道的对称面。滑靴G为4个，分别对应滑动配合在4个滑道L的沟槽内，滑靴底面G-2与滑道底面L-1滑动配合，滑靴侧面G-3与滑道侧面L-2滑动配合，而滑靴顶面G-1与球窝球面SI及端盖球面S2配合。滑靴顶面G-1上还设置有钢球定位球面IIIR3，钢球定位球面HIR3与对应的钢球定位球面IRl和钢球定位球面IIR2可合围成一个球腔包裹配合在钢球F的外球面上，钢球F可在该球腔内自由转动。当球窝、球头、球头柄、端盖、钢球和滑靴按上述装配关系装配在一起后，钢球F便被限制在了钢球定位球面IRl和钢球定位球面IIR2内，而滑靴G则被限制在球窝球面SI和滑道底面之间并同时受滑道侧面和钢球F的约束，球头和球头柄可相对于球窝摆动，从而使球窝的主回转轴W和球头H的副回转轴J之间产生夹角。
[0024]球窝和端盖上分别设置有与主回转轴W同轴的球窝凸缘和端盖凸缘，球窝凸缘和端盖凸缘上还设置有键槽Tl，动力接口 C上设置定心面C-1，定心面C-1上设置有传动键T2，定心面C-1包裹装配在球窝凸缘和端盖凸缘的外表面并保持同心，同时使传动键T2卡在球窝凸缘和端盖凸缘的键槽Tl内以传递扭矩，螺栓穿过球窝凸缘和端盖凸缘与动力接口 C固定在一起，保证球窝和端盖随动力接口 C同步转动，并通过钢球F、滑靴G和滑道L将转矩传递到球头柄H-1，球头柄H-1再通过其外端部设置的连接花键将转矩传递给下一级传动件。
[0025]如图2-5所示，分别展示了4种优选的滑道横截面形状及与之相配合的滑靴横截面形状。图2的滑道横截面形状大致为矩形；图3的滑道横截面形状大致为梯形，梯形的底边为上凸的圆弧；图4的滑道横截面形状为圆弧形；图5的滑道横截面形状大致为V形，V形的底部为下凹的圆弧;相应地，滑靴底面与滑靴侧面的横截面形状与上述滑道对应，而滑靴顶面的形状为球形并与球窝球面SI和端盖球面S2相配合。滑道底面与滑靴底面的纵向截面形状如图1所示，为与球头球面S3同心的圆弧。
[0026]如图1-7所示，滑靴G的外表面上沿滑道纵向设置有若干贯通表面的滑靴油槽K，钢球定位球面IIIR3与滑靴底面G-2通过滑靴油孔Q贯通，滑道L的滑道底面L-1上沿滑道纵向设置有贯通滑道底面的滑道油槽U，滑靴油孔Q与滑道油槽U贯通。如图1所示，球头及球头柄为一体式结构，内部设置有润滑油道N，润滑油可通过润滑油道N输送到滑道L的空腔内。
[0027]端盖E与球头柄H-1之间还固定设置有可伸缩的密封套I，从而将内部传动部件密封保护起来，防止润滑油流失及灰尘污染。
[0028]实施例2:
如图6所示，实施例2是实施例1的变形，不同之处在于:滑道和滑靴的配置数量由4对增加到6对，其余结构类似，在此不再重复。滑道和滑靴的配置数量可以根据实际需要确定。
[0029]实施例3:
如图7所示，实施例3是实施例1和实施例2的变形，不同之处在于:本实施例去除了滑靴，并相应调整滑道L的横截面形状为如图4所示的圆弧形，并使之可与钢球F的球面直接配合，约束钢球F的运动。其余结构类似，在此不再重复。图7所示为8滑道的结构示例，可以根据实际需要改变滑道数量。
[0030]实施例4:
如图8所示，实施例4为上述实施例1-3的变形，不同之处在于:本实施例用滚柱Fl取代钢球F，滚柱Fl可为圆柱体，或者将其与滑道或滑靴配合的一端设置成球形、圆锥形或其它适合的形状，还可在滚柱Fl上设置轴承F2以利于滚柱Fl的转动。图8展示了的滚柱Fl的装配示意图及与其配合零部件的适应性变化，其余结构与实施例1-3类似，在此不再重复。
[0031]实施例5:
如图11所示，实施例5是实施例1-4的变形，与对应的实施例相比，不同之处在于:球窝D与动力接口 C之间的连接方式不同，球窝D设置有与主回转轴W同轴的球窝接口 D-2，球窝接口 D-2的结构可为带内花键的花键套或带外花键的花键轴，相应地，动力接口 C对应设置带外花键的花键轴或带内花键的花键套，通过花键轴与花键套的配合达到连接传递动力的目的。上述花键连接亦可等效替代为单键连接的方式，还可改为法兰连接的方式。
[0032]实施例6: 如图12所示，实施例6是实施例1-4的变形，与对应的实施例相比，，不同之处在于:球头与球头柄之间由一体式结构改为了分体装配式结构，球头中心设置有与副回转轴J同轴的花键孔并与对应设置在球头柄一端的花键轴连接，通过在花键一端设置垫片X和挡圈Y将球头固定在垫片X与花键另一端的台阶面之间。其余结构与实施例1相同，在此不再重复。
[0033]实施例7:
如图13所示，上述实施例的球铰可配对使用，中间通过键滑动连接，以补偿传动距离上的变化，其传动原理与单个球铰相同，在此不再重复。
[0034]需要指出的是，以上仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此。显而易见，根据实际需要，还可以做出种种变化，例如:球窝接口D-2形式上的变化、球窝与端盖连接形式的变化、球头与球头柄连接形式上的变化、滑道及滑靴截面形状、数量的变化、油槽形状、数量的变化等。任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的原理图、实施方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种球铰传动轴，包括球窝、球头、球头柄、端盖、钢球，其特征在于:球窝的内腔设置球窝球面(SI)，端盖内腔设置端盖球面(S2)，球头外表面设置球头球面(S3)，球窝球面(SI)和端盖球面(S2)具有相等的球径，球头球面(S3)可与球窝球面(SI)和端盖球面(S2)共球心并形成球面滑动配合;球窝和端盖通过基准端面(P)贴合固定装配在一起并拥有共同的主回转轴(W)，主回转轴(W)通过球窝球面(SI)和端盖球面(S2)的球心并与基准端面(P)垂直，球窝球面(SI)和端盖球面(S2)的球心位于基准端面(P)上，从而使球窝球面(SI)和端盖球面(S2)的球心重合并使球窝球面(SI)和端盖球面(S2)共球面，球头被包裹装配在球窝球面(SI)和端盖球面(S2 )围成的球腔内，使球头球面(S3 )与球窝球面(SI)和端盖球面(S2 )的球心重合;端盖的外端口(E-2)的开口直径小于球头球面(S3)的球径，从而保证球头球面(S3)不会脱离球窝球面(SI)和端盖球面(S2)围成的球腔并与之保持球面间正确的滑动配合关系;球窝的基准端面(P)上还设置有沿主回转轴(W)周向均布的至少I个内凹钢球定位球面I(Rl)，钢球定位球面I(Rl)的球心位于基准端面(P)上并保持与球窝球面(SI)的球心等距离，该距离的大小等于或接近球窝球面(SI)的球面半径；与上述钢球定位球面I(Rl)相匹配，对应地，端盖的基准端面(P)上也设置有沿主回转轴(W)周向均布的至少I个内凹钢球定位球面Π (R2)并与球窝的内凹钢球定位球面I(Rl)对应配合，相对应配合的钢球定位球面n(R2)和钢球定位球面I(Rl)保持同心共球面的关系，并围成等于或接近半球面的空腔，该空腔球面包裹在对应的钢球(F)的外球面上并保持球面间正确的滑动配合关系;球头(H)的副回转轴(J)通过球头球面(S3)的球心并与球头柄(H-1)的轴线重合，球头球面(S3)上还设置有围绕副回转轴(J)周向均布的至少I条滑道(L)，从而与上述钢球定位球面I(Rl)和钢球定位球面IKR2)相匹配;每条滑道(L)均具有对称面，该对称面通过副回转轴(J)及球头球面(S3)的球心；与滑道(L)相匹配，可以设置滑靴(G)，滑靴(G)对应滑动配合在滑道(L)的沟槽内，滑靴底面(G-2)与滑道底面(L-1)滑动配合，滑靴侧面(G-3)与滑道侧面(L-2)滑动配合，而滑靴顶面(G-1)与球窝球面(SI)及端盖球面(S2)配合;滑靴顶面(G-1)上还设置有钢球定位球面m (R3 )，钢球定位球面m (R3 )与对应的钢球定位球面I(Rl)和钢球定位球面Π(R2)可合围成一个球腔包裹配合在钢球(F)的外球面上，钢球(F)可在该球腔内自由转动；当球窝、球头、球头柄、端盖、钢球和滑靴按上述装配关系装配在一起后，钢球(F)便被限制在了钢球定位球面I(Rl)和钢球定位球面Π (R2)内，而滑靴(G)则被限制在球窝球面(SI)和滑道底面(L-1)之间并同时受滑道侧面和钢球(F)的约束;球头和球头柄可相对于球窝摆动，从而可使球窝的主回转轴(W)和球头(H)的副回转轴(J)之间产生夹角；当球窝与机器的动力接口连接在一起后，球窝便在动力接口的驱动下转动，并通过钢球(F)将转矩传递给滑靴(G)，滑靴(G)又通过滑道(L)将转矩传递给球头和球头柄，从而驱动球头和球头柄转动，并进一步通过球头柄向与球头柄连接的下一级传动部件传递动力，从而实现本发明球铰传动的目的;进一步，作为简化的结构，上述滑靴还可以去掉，同时相应调整滑道(L)的横截面形状使之与钢球(F)的球面直接接触配合并约束钢球(F)的运动，通过钢球(F)直接将转矩传递给滑道(L)，从而驱动球头和球头柄转动，实现本发明球铰传动的目的。2.根据权利要求1所述的一种球铰传动轴，其特征在于:可在球头和/或球窝、端盖上设置润滑油道通达滑道(L)的空腔内，以方便日常的润滑保养;可在滑靴(G)上设置滑靴油孔(Q)从而贯通钢球定位球面m(R3)与滑靴底面(G-2);可在滑靴(G)的外表面上和/或滑道(L)的滑道表面上沿滑道纵向设置润滑油槽，从而促进各滑动配合副之间的润滑。3.根据权利要求1所述的一种球铰传动轴，其特征在于:端盖(E)与球头柄(H-1)之间还固定设置有可伸缩的密封套(I)，从而将内部传动部件密封保护起来，防止润滑油流失及灰尘污染。4.根据权利要求1所述的一种球铰传动轴，其特征在于:球头滑道的横截面形状可为圆弧形，或大致为矩形;或大致为梯形，梯形的底边为上凸的圆弧;或大致为(V)形，(V)形的底边为下凹的圆弧;相应地，滑靴底面与滑靴侧面的横截面形状与上述滑道对应，而滑靴顶面的形状为球形并与球窝球面(SI)和端盖球面(S2)相配合;滑道底面和滑靴底面的纵向截面形状为与球头球面(S3 )同心的圆弧。5.根据权利要求1所述的一种球铰传动轴，其特征在于:球窝和端盖上分别设置有与主回转轴(W)同轴的球窝凸缘和端盖凸缘，球窝凸缘和端盖凸缘上还设置有键槽(Tl)，动力接口(C)上设置定心面(C-1)，定心面(C-1)上设置有传动键(T2)，定心面(C-1)包裹装配在球窝凸缘和端盖凸缘的外表面并保持同心，同时使传动键(T2)卡在球窝凸缘和端盖凸缘的键槽(Tl)内以传递扭矩，螺栓穿过球窝凸缘和端盖凸缘与动力接口(C)固定在一起，保证球窝和端盖随动力接口(C)同步转动。6.根据权利要求1所述的一种球铰传动轴，其特征在于:球窝(D)设置有与主回转轴(W)同轴的球窝接口(D-2)，球窝接口(D-2)的结构可为带内花键的花键套或带外花键的花键轴，相应地，动力接口(C)对应设置带外花键的花键轴或带内花键的花键套，通过花键轴与花键套的配合达到连接传递动力的目的；上述花键连接还可等效替代为单键连接的方式，或改为法兰连接的方式。7.根据权利要求1所述的一种球铰传动轴，其特征在于:球头与球头柄之间为分体装配式结构，球头中心设置有与副回转轴(J)同轴的花键孔并与对应设置在球头柄一端的花键轴连接。8.根据权利要求1-7任一所述的一种球铰传动轴，其特征在于:所述钢球(F)可以用滚柱(Fl)取代，滚柱(Fl)可为圆柱体，或者将其与滑道或滑靴配合的一端设置成球形、圆锥形或其它适合的形状从而与滑道或滑靴配合，还可在滚柱(Fl)上设置轴承(F2)以利于滚柱(Fl)的转动。9.根据权利要求8所述的一种球铰传动轴，其特征在于:所述球铰可配对使用，中间通过键滑动连接。
【文档编号】F16D3/223GK105927674SQ201610554161
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年7月15日
【发明人】朱德伟
【申请人】朱德伟