汽車球籠式等速萬向節基本參數的系列化設計

石寶樞，邱胤原，許承龍

（1.浙江向隆機械有限公司，浙江 寧波 315311；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640）

符號說明

Bx—— 星形套的寬度，mm

Bj—— 保持架的寬度，mm

d—— 傳動軸的公稱直徑，mm

D——鐘形殼、星形套通過各自溝道中心的球組節圓直徑，mm

De—— 保持架外球面（鐘形殼的內球面）直徑，mm

Di—— 保持架內球面（星形套的外球面）直徑，mm

Dk—— 鐘形殼的最大外徑，mm

Dw—— 鋼球直徑，mm

e—— 鐘形殼、星形套的偏心距（溝道中心至其球面中心的距離），mm

i0——汽車變速箱的主減速比

i1—— 汽車變速箱的1檔速比

K——球組節圓直徑系數

M0—— 球籠式等速萬向節的靜態失效轉矩，

N·m

Mmax—— 汽車發動機輸出最大轉矩，N·m

Memax—— 傳動軸輸入最大轉矩，N·m

SF—— 傳動軸的安全系數

Zw——每個球籠式等速萬向節的鋼球個數

αmax——球籠式等速萬向節沿某個方向的最大轉角，（°）

θ——球籠式等速萬向節的偏心角，（°）

ε—— 保持架徑向厚度加強值，mm

為適應現代汽車能源多元化的發展趨勢和各種新需求，與其配套的等速萬向節及傳動軸總成的種類急劇增多。若不加控制地任其發展，就會出現多余的、無用的、低功能的產品。這些產品的大量存在既違背了生產的批量規則，造成了極大的浪費，也為其制造、檢驗、物流、使用、維修、管理等增加了無謂的難度。故需對其進行簡化，即產品的系列化設計［1］。在此僅以球籠式等速萬向節為例對其進行系列化設計。

1 結構主參數

1.1 結構主參數的確定

確定最能代表球籠式等速萬向節結構和規格等特征的鐘形殼最大外徑Dk作為結構主參數。

綜合考慮各種汽車發動機的排量、輸出轉矩的范圍、前（或后）橋的幾何空間布置，球籠式等速萬向節的結構、尺寸等指標，將該球籠式等速萬向節結構主參數范圍確定為60 mm＜Dk≤140 mm。

1.2 結構主參數間隔的設計

1.2.1 間隔的計算

根據球籠式等速萬向節的幾何關系，鐘形殼的最大外徑Dk可表示為［2］7

參照GB／T 308.1—2013《滾動軸承 球 第1部分：鋼球》可得到每相鄰兩標準鋼球的直徑差為0.793 75 mm，再由（1）式可得鐘形殼最大外徑尺寸間隔ΔDk＝5×0.793 75≈4 mm。該尺寸間隔符合實際。

1.2.2 每檔的具體值

由上述結構主參數的范圍及間隔可得到汽車球籠式等速萬向節鐘形殼最大外徑Dk每檔的具體值（單位為mm）分別為60＜Dk≤64，64＜Dk≤68，68＜Dk≤72，72＜Dk≤76，76＜Dk≤80，80＜Dk≤84，84＜Dk≤88，88＜Dk≤92，92＜Dk≤96，96＜Dk≤100，100＜Dk≤104，104＜Dk≤108，108＜Dk≤112，112＜Dk≤116，116＜Dk≤120，120＜Dk≤124，124＜Dk≤128，128＜Dk≤132，132＜Dk≤136，136＜Dk≤140。

2 基本參數的系列化設計

選取能夠反映球籠式等速萬向節主要性能的基本參數為：1）傳動軸的公稱直徑d；2）鋼球直徑Dw；3）每個球籠式等速萬向節的鋼球個數Zw；4）鐘形殼、星形套通過各自溝道中心的球組節圓直徑D；5）鐘形殼、星形套的偏心距e；6）星形套的寬度Bx；7）保持架的外球面（鐘形殼的內球面）直徑De；8）保持架的內球面（星形套的外球面）直徑Di；9）保持架的寬度Bj；10）最大轉角αmax；11）靜態失效轉矩M0。

2.1 基型的選擇

在上述已知的汽車球籠式等速萬向節系列內選擇產品的基型，基型應該是系列內最有代表性、規格適中、用量較大、生產較普遍、經過長期生產和使用考驗結構性能較可靠又很有發展前途的型號。最常見的某款車和傳動軸有關的若干性能參數分別為Mmax＝140 N·m＝1.4×105N·mm，i1＝3.55，i0＝3.45，SF＝2.0，則傳動軸輸入的最大轉矩為

由（5）式得該系列球籠式等速萬向節鋼球直徑Dw為18 mm。參考GB／T 308.1—2013中最接近的標準鋼球直徑值，該系列球籠式等速萬向節的鋼球直徑為Dw＝18.256 mm。

將Dw＝18 mm（計算值）代入（1）式得該系列球籠式等速萬向節鐘形殼的最大外徑Dk為90 mm。通常該球籠式等速萬向節的代號為BJ，故將該系列的產品命名為BJ95系列。由此可得汽車球籠式等速萬向節系列產品的基型為BJ95系列，其結構主參數（鐘形殼的最大外徑）Dk為90 mm，該值位于上述尺寸系列的第8檔內。

2.2 基型產品的基本參數設計

現對BJ95系列這一汽車球籠式等速萬向節基型產品的主要基本參數進行設計計算。

2.2.1 球組節圓直徑

對球籠式等速萬向節優化設計，鐘形殼、星形套通過其溝道中心的球組節圓直徑為［3］3

2.2.2 偏心距

由球籠式等速萬向節的幾何關系可得鐘形殼、星形套溝道中心至其球面中心的距離（偏心距）為［2］7

將Dw＝18.256 mm代入（10）式并圓整得該系列保持架寬度Bj＝33.8 mm。

2.2.7 鋼球數量

根據球籠式等速萬向節的結構設計、幾何空間布置、尺寸分配及計算結果，每個球籠式等速萬向節的鋼球個數Zw可取6或7，但若鋼球直徑Dw＝Dk／5不變，7個鋼球及7組溝道是該類產品創新和優化設計唯一的、最佳的選擇［5］。

2.2.8 靜態失效轉矩

球籠式等速萬向節的靜態失效轉矩標志著該產品承載能力的大小，其是指當與球籠式等速萬向節聯結的兩軸（星形套與傳動軸聯結、鐘形殼與從動軸聯結）夾角為0°時，對其進行靜扭破壞性試驗，逐步施加轉矩，直至失效（斷裂）時的轉矩值，根據經驗可表示為

2.3 橫向拓展（基本參數的系列化設計）

根據基型產品設計的方法，對所有的20檔全系列球籠式等速萬向節產品進行系列化設計，其基本參數系列化設計結果見表1。

表1 汽車球籠式等速萬向節基本參數的系列化設計結果Tab.1 Results of serialization design for essential parameters of automobile ball rzeppa constant velocity joints

2.4 縱向拓展

為滿足各種汽車對球籠式等速萬向節產品多樣化的需求，例如：聯結方式、接口結構、尺寸和精度等不同要求，需要設計球籠式等速萬向節的各種變型產品，除外部和接口的結構及尺寸外，每檔產品的基本參數、內部結構和尺寸等均通用。

3 產品系列化設計的作用

通過對汽車球籠式等速萬向節系列化設計的理論分析并進行設計實踐，特別是企業生產及應用效果的驗證，充分表明產品的系列化設計有以下重要作用：

1）產品的系列化設計是最有效的統一化，也是最廣泛的選擇及定型工作，能有效地防止同類產品型式、規格、結構主參數、基本參數、尺寸等的雜亂。

2）產品的系列化設計可以最大限度地發揮設計優勢，節約設計力量，提高產品開發和設計的速度和效率，降低設計和制造成本，還可防止盲目設計落后產品。

3）系列化設計的產品圖樣統一發放、統一管理、集中修改，可以保證高度的統一與互換性，便于組織專業化協作生產、配套及維修。

4）系列化產品的基礎件通用性好，其能根據市場的動向和消費者的特殊要求，采用變型產品的經濟合理辦法，可機動靈活地發展新產品，既能滿足市場的需求，又可保持企業生產組織的穩定性、連續性。

5）產品系列化設計不是簡單的選型、定型，而是選中有創，選創結合。經過系列化設計定型的產品，一般都有顯著的改進。故是提升技術、促進產品更新換代的一種非常重要的標準化方法和技術手段。

4 結束語

通過對汽車球籠式等速萬向節基本參數的系列化設計和多年的應用實踐表明，產品的系列化設計使產品的使用性能和質量明顯提升，提高了生產效率，從而提高經濟效益。