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    優化的球籠式等速萬向節

    作者簡介

    石寶樞,男,高級工程師,浙江順加汽車零部件有限公司總工程師;《軸承》雜志編委;華南理工大學專業研究生校外指導教師。

    1983年畢業于沈陽農業大學農業機械設計與制造專業。從事輪式拖拉機、滾動軸承、汽車傳動軸等產品的技術研發及產品設計等工作。特別對各種汽車等速萬向節及傳動軸總成的系列技術的研發、產品的創新設計等有著非常精深的造詣和卓越的貢獻。其中:累積開發、設計了1000余種汽車等速萬向節傳動軸產品。在國內外期刊上發表論文100余篇,擁有專利50余個,科技成果30余項,曾榮獲全國“講理想、比貢獻”百名先進個人之一等榮譽和獎項數十個。


    1、結構簡介

    球籠式等速萬向節的典型結構如圖1所示,主要由鐘形殼、星形套、保持架、鋼球等組成。球籠式等速萬向節的實物見圖2。

    1-鐘形殼;2-星形套;3-鋼球;4-保持架

    圖1 球籠式等速萬向節 

    圖2 優化版球籠式等速萬向節實物

    動態圖

    它是等速萬向節傳動軸總成(常見結構之一如圖3所示)中的固定端(只改變兩軸的角度),是高科技含量的核心部件之一。該總成的主要功能是:當主動軸、從動軸同時有一定角位移及軸向位移等復雜工況下,仍能平穩、可靠、靈活、精確的傳遞運動和轉矩。在汽車前(后)橋傳動系統中得到了極其廣泛的應用,傳動軸總成中的固定端與前(后)橋中的輪轂聯結,伸縮端(在改變兩軸角度的同時亦改變軸向距離)與變速箱中的差速器聯結。

    1-球籠式等速萬向節;2-鋼絲擋圈;3-固定端大卡箍;4-固定端密封套;5-固定端小卡箍;6-傳動軸;7-伸縮端小卡箍;8-伸縮端密封套;9-伸縮端大卡箍;10-擋圈;11-雙偏置式等速萬向節;12-鋼絲擋圈。

    圖3 等速萬向節傳動軸總成



    2、產品的優化設計

    由于現代汽車能源結構的多元化,特別是在外部環境惡劣、路況復雜等狀況下,對球籠式等速萬向節及傳動軸總成的可靠性、耐久性等提出了更高、更嚴格的要求。而原普通設計的球籠式等速萬向節及傳動軸總成結構不合理,特別是一系列結構主參數沒有經過優化設計和精確計算,滿足不了上述工況要求。使用中經常出現可靠性差、不耐沖擊、早期損壞等質量問題。


    根據球籠式等速萬向節的結構特征、幾何原理、整車對等速萬向節傳動軸總成的新要求等,用最優化原理和數值計算等方法,對球籠式等速萬向節及傳動軸總成各主要參數進行了優化設計和計算。使產品的結構、主參數、使用性能等實現科學、合理、最佳的匹配。經理論分析,各種性能試驗,特別是長時間的使用驗證表明:優化設計后的等速萬向節及傳動軸總成技術質量優勢凸顯。球籠式等速萬向節優化設計前、后的性能對比見表1。

    表1 球籠式等速萬向節優化設計前、后的性能對比



    3、優化設計后的使用效果

    按上述原理和方法設計了100余款各種汽車用的球籠式等速萬向節及傳動軸總成,為驗證是否達到整車的性能要求,先后進行了扭轉疲勞和周期循環壽命等臺架試驗,并與同類型、同規格的產品進行對比。通過對大量的試驗數據和結果的統計分析得出:同結構、同系列、同規格的汽車球籠等速萬向節及傳動軸總成,優化設計較非優化設計的承載能力可提升35%~40%。


    我們知道,等速萬向節及傳動軸總成的使用壽命是承載能力的函數,并且是呈非線性的立方關系。顯然,函數(使用壽命)的改變量約等于自變量(承載能力)改變量的3倍。若球籠式等速萬向節傳動軸的承載能力提升40%,會使其壽命提升120%。亦即,經優化設計后的球籠式等速萬向節及傳動軸總成的使用壽命是非優化設計的2.2倍。


    多年的使用效果亦和上述的結論吻合。例如:在重慶以山路、坡路為主的道路環境中,幾年前,非優化設計的出租車用球籠式等速萬向節及傳動軸總成,經常發生各種各樣的質量問題,可靠性差、使用壽命較短。各傳動軸的經銷商只能向客戶保用5萬公里。經過優化設計后,質量問題大幅度降低,甚至長時間使用后仍無質量問題。顯然,優化設計后的球籠式等速萬向節及傳動軸總成可靠性、使用壽命大幅度提升,很多出租車行駛三十余萬公里,仍未見異常。這一使用效果,更加凸顯了優化設計的汽車球籠式等速萬向節及傳動軸總成的可靠性、使用壽命等優勢。



    4、前景展望

    優化設計的球籠式等速萬向節及傳動軸總成是對該領域基礎理論、產品設計方法的原始性創新和顛覆性的突破??梢愿淖兤噦鲃虞S產品的結構和技術格局,打破國外在該領域核心技術的壟斷地位,推動汽車傳動軸產品的更新換代和產業發展。

    系列創新產品

    優化的雙偏置式等速萬向節

    優化的三球銷式等速萬向節

    優化的交叉槽式等速萬向節

    后續更新

    (來源軸承雜志社)



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