球笼式等速万向节设计与有限元分析

发布时间：2020-03-23 03:47

【摘要】： 等速万向节是车辆的关键部件之一,提高它的性能与寿命对改善整个车辆的动力性、操纵性都起着至关重要的作用。其性能与寿命主要取决于传动过程中零件内部的接触应力的分布、大小,传统的试验方法不能测定出复杂结构的接触应力,采用有限元数值计算方法是目前设计开发过程中的主要方法之一。目前,国内万向节行业还相对落后,设计周期较长、生产成本较高,其核心技术仍主要依赖于国外。因此,设计出低成本、高质量、长寿命的万向节并对其进行有限元分析具有非常重要的意义。 (1)根据球笼式等速万向节内部钢球与椭圆轨道的共轭接触特性,由钢球直径d、接触压力角α和沟底间隙Δ设计出了椭圆轨道的参数,并依此求出了BJ型球笼式等速万向节的椭圆轨道参数,改善了球笼式等速万向节的润滑条件,延长了其使用寿命。 (2)运用等速万向节的相关设计理论,设计出了BJ型球笼式等速万向节的几何参数,并对其进行了使用寿命计算,为其实体建模提供了依据。 (3)以某引擎前置前驱轿车的工作参数为例,选用了BJ125型万向节,运用三维建模软件Pro/E建立了该万向节的几何模型并对其进行了简化,为有限元分析奠定了基础。 (4)通过Pro/E与ANSYS的接口,将该模型导入有限元分析软件ANSYS中生成了有限元模型,在ANSYS Multiphysics/LS-DYNA模块下对其进行了有限元接触应力分析。结果表明:球笼式等速万向节各部件接触应力的分布都不均匀,应力集中现象很明显,最大接触应力发生在星形套内滚道上。可见,星形套内滚道是球笼式等速万向节上最薄弱的部分,相应的疲劳寿命也最短,在设计、制造及维护中应予以特别注意。 (5)对星形套进行了模态分析,获得了其结构的模态参数,并对分析结果进行了评价,结果表明:有限元模型是合理的,该球笼式等速万向节能避开来自路面和发动机怠速运行的激励频率而不会发生共振。 (6)利用赫兹接触理论对球笼式等速万向节的接触应力进行了理想状态下的理论计算,并将理论值、有限元数值解进行了对比分析。结果表明:球笼式等速万向节设计、选型是合理的,有限元分析结果是可靠的。
【图文】：

十字轴式,万向节,刚性

(1)十字轴式刚性万向节十字轴式刚性万向节，又称为叉式万向节，其结构如图1-1所示[4]。十字轴式刚性万向节结构简单、强度高、耐久性好，生产性高，生产成本较低，且传动可靠，效率较高，其允许的两传动轴之间的交角一般为15°～20°，在连接角较小时大都使用这种万向节。其缺点是不等速，并且当连接角较大时，转速的波动很大，从而引起传动系统的振动和噪声，特别是在四轮驱动汽车中，由于驱动轮系的增加，万向节使用的数量比较大，问题尤其突出。图1-1 十字轴式刚性万向节Fig.1-1 The cross trunnion rigid universal-joint(2)准等速万向节A.双联式万向节[5]双联式万向节，如图1-2所示，是由两个十字轴式万向节组合而成。其主要优点是允许两轴间的夹角较大(一般可达50°)，轴承密封性好，效率高，工作可靠，制造方便。缺点是结构较复杂

万向节,双联

图1-2 双联式万向节Fig.1-2 The double cardanjoint图1-3 凸块式万向节Fig.1-3 The tracta universaljoint1－左万向节叉；2－左凸块；3－右凸块；4－右万向节叉图1-4 三销轴式万向节Fig.1-4 The three hinge pinuniversal joint(3)等速万向节A.球叉式万向节[5]球叉式万向节按其钢球滚道形状不同可分为圆弧槽和直槽两种形式结构，如图1-5所示。圆弧槽滚道型的球叉式万向节结构较简单，可以在夹角不大于32°～33°的条件下正常工作。直槽滚道型球叉式万向节加工比较容易，允许的轴间夹角不超过20°，在两叉间允许有一定量的轴间滑动。圆弧槽型球叉式万向节主要应用于轻、中型越野车的转向驱动桥中。直槽型球叉式万向节主要应用于断开式驱动桥中，当半轴摆动时，用它可补偿半轴的长度变化而省去滑动花键。球叉式万向节的缺点是只有在传力钢球与滚道之间具有一定的预紧力时，才能保证同步传动的特性，使用过程中，随着磨损的增加，预紧力逐渐减小。一旦预紧力消失，两轴叉之间便发生轴向窜动，，传动的同步特性即遭破坏。(a) (b)图1-5 球叉式万向节Fig.1-5 The Bendix-weise joint(a)-圆弧槽滚道型 (b)-直槽滚道型B.球笼式万向节球笼式等速万向节亦称球笼式万向联轴器
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH133.4

【引证文献】