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优化的球笼式等速万向节

作者简介

石宝枢,男,高级工程师,浙江顺加汽车零部件有限公司总工程师;《轴承》杂志编委;华南理工大学专业研究生校外指导教师。

1983年毕业于沈阳农业大学农业机械设计与制造专业。从事轮式拖拉机、滚动轴承、汽车传动轴等产品的技术研发及产品设计等工作。特别对各种汽车等速万向节及传动轴总成的系列技术的研发、产品的创新设计等有着非常精深的造诣和卓越的贡献。其中:累积开发、设计了1000余种汽车等速万向节传动轴产品。在国内外期刊上发表论文100余篇,拥有专利50余个,科技成果30余项,曾荣获全国“讲理想、比贡献”百名先进个人之一等荣誉和奖项数十个。


1、结构简介

球笼式等速万向节的典型结构如图1所示,主要由钟形壳、星形套、保持架、钢球等组成。球笼式等速万向节的实物见图2。

1-钟形壳;2-星形套;3-钢球;4-保持架

图1 球笼式等速万向节 

图2 优化版球笼式等速万向节实物

动态图

它是等速万向节传动轴总成(常见结构之一如图3所示)中的固定端(只改变两轴的角度),是高科技含量的核心部件之一。该总成的主要功能是:当主动轴、从动轴同时有一定角位移及轴向位移等复杂工况下,仍能平稳、可靠、灵活、精确的传递运动和转矩。在汽车前(后)桥传动系统中得到了极其广泛的应用,传动轴总成中的固定端与前(后)桥中的轮毂联结,伸缩端(在改变两轴角度的同时亦改变轴向距离)与变速箱中的差速器联结。

1-球笼式等速万向节;2-钢丝挡圈;3-固定端大卡箍;4-固定端密封套;5-固定端小卡箍;6-传动轴;7-伸缩端小卡箍;8-伸缩端密封套;9-伸缩端大卡箍;10-挡圈;11-双偏置式等速万向节;12-钢丝挡圈。

图3 等速万向节传动轴总成



2、产品的优化设计

由于现代汽车能源结构的多元化,特别是在外部环境恶劣、路况复杂等状况下,对球笼式等速万向节及传动轴总成的可靠性、耐久性等提出了更高、更严格的要求。而原普通设计的球笼式等速万向节及传动轴总成结构不合理,特别是一系列结构主参数没有经过优化设计和精确计算,满足不了上述工况要求。使用中经常出现可靠性差、不耐冲击、早期损坏等质量问题。


根据球笼式等速万向节的结构特征、几何原理、整车对等速万向节传动轴总成的新要求等,用最优化原理和数值计算等方法,对球笼式等速万向节及传动轴总成各主要参数进行了优化设计和计算。使产品的结构、主参数、使用性能等实现科学、合理、最佳的匹配。经理论分析各种性能试验,特别是长时间的使用验证表明:优化设计后的等速万向节及传动轴总成技术质量优势凸显。球笼式等速万向节优化设计前、后的性能对比见表1。

表1 球笼式等速万向节优化设计前、后的性能对比



3、优化设计后的使用效果

按上述原理和方法设计了100余款各种汽车用的球笼式等速万向节及传动轴总成,为验证是否达到整车的性能要求,先后进行了扭转疲劳和周期循环寿命等台架试验,并与同类型、同规格的产品进行对比。通过对大量的试验数据和结果的统计分析得出:同结构、同系列、同规格的汽车球笼等速万向节及传动轴总成,优化设计较非优化设计的承载能力可提升35%~40%。


我们知道,等速万向节及传动轴总成的使用寿命是承载能力的函数,并且是呈非线性的立方关系。显然,函数(使用寿命)的改变量约等于自变量(承载能力)改变量的3倍。若球笼式等速万向节传动轴的承载能力提升40%,会使其寿命提升120%。亦即,经优化设计后的球笼式等速万向节及传动轴总成的使用寿命是非优化设计的2.2倍。


多年的使用效果亦和上述的结论吻合。例如:在重庆以山路、坡路为主的道路环境中,几年前,非优化设计的出租车用球笼式等速万向节及传动轴总成,经常发生各种各样的质量问题,可靠性差、使用寿命较短。各传动轴的经销商只能向客户保用5万公里。经过优化设计后,质量问题大幅度降低,甚至长时间使用后仍无质量问题。显然,优化设计后的球笼式等速万向节及传动轴总成可靠性、使用寿命大幅度提升,很多出租车行驶三十余万公里,仍未见异常。这一使用效果,更加凸显了优化设计的汽车球笼式等速万向节及传动轴总成的可靠性、使用寿命等优势。



4、前景展望

优化设计的球笼式等速万向节及传动轴总成是对该领域基础理论、产品设计方法的原始性创新和颠覆性的突破。可以改变汽车传动轴产品的结构和技术格局,打破国外在该领域核心技术的垄断地位,推动汽车传动轴产品的更新换代和产业发展。

系列创新产品

优化的双偏置式等速万向节

优化的三球销式等速万向节

优化的交叉槽式等速万向节

后续更新

(来源轴承杂志社)



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