汽車球籠式等速萬向節(jié)基本參數(shù)的系列化設(shè)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(xué) 機械與汽車工程學(xué)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(jié)圓直徑，mm

De—— 保持架外球面（鐘形殼的內(nèi)球面）直徑，mm

Di—— 保持架內(nèi)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(jié)圓直徑系數(shù)

M0—— 球籠式等速萬向節(jié)的靜態(tài)失效轉(zhuǎn)矩，

N·m

Mmax—— 汽車發(fā)動機輸出最大轉(zhuǎn)矩，N·m

Memax—— 傳動軸輸入最大轉(zhuǎn)矩，N·m

SF—— 傳動軸的安全系數(shù)

Zw——每個球籠式等速萬向節(jié)的鋼球個數(shù)

αmax——球籠式等速萬向節(jié)沿某個方向的最大轉(zhuǎn)角，（°）

θ——球籠式等速萬向節(jié)的偏心角，（°）

ε—— 保持架徑向厚度加強值，mm

為適應(yīng)現(xiàn)代汽車能源多元化的發(fā)展趨勢和各種新需求，與其配套的等速萬向節(jié)及傳動軸總成的種類急劇增多。若不加控制地任其發(fā)展，就會出現(xiàn)多余的、無用的、低功能的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的大量存在既違背了生產(chǎn)的批量規(guī)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(jìn)行簡化，即產(chǎn)品的系列化設(shè)計［1］。在此僅以球籠式等速萬向節(jié)為例對其進(jìn)行系列化設(shè)計。

1 結(jié)構(gòu)主參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)主參數(shù)的確定

確定最能代表球籠式等速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)和規(guī)格等特征的鐘形殼最大外徑Dk作為結(jié)構(gòu)主參數(shù)。

綜合考慮各種汽車發(fā)動機的排量、輸出轉(zhuǎn)矩的范圍、前（或后）橋的幾何空間布置，球籠式等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)、尺寸等指標(biāo)，將該球籠式等速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)主參數(shù)范圍確定為60 mm＜Dk≤140 mm。

1.2 結(jié)構(gòu)主參數(shù)間隔的設(shè)計

1.2.1 間隔的計算

根據(jù)球籠式等速萬向節(jié)的幾何關(guān)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)主參數(shù)的范圍及間隔可得到汽車球籠式等速萬向節(jié)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(shù)的系列化設(shè)計

選取能夠反映球籠式等速萬向節(jié)主要性能的基本參數(shù)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(jié)的鋼球個數(shù)Zw；4）鐘形殼、星形套通過各自溝道中心的球組節(jié)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(nèi)球面）直徑De；8）保持架的內(nèi)球面（星形套的外球面）直徑Di；9）保持架的寬度Bj；10）最大轉(zhuǎn)角αmax；11）靜態(tài)失效轉(zhuǎn)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(jié)系列內(nèi)選擇產(chǎn)品的基型，基型應(yīng)該是系列內(nèi)最有代表性、規(guī)格適中、用量較大、生產(chǎn)較普遍、經(jīng)過長期生產(chǎn)和使用考驗結(jié)構(gòu)性能較可靠又很有發(fā)展前途的型號。最常見的某款車和傳動軸有關(guān)的若干性能參數(shù)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(zhuǎn)矩為

由（5）式得該系列球籠式等速萬向節(jié)鋼球直徑Dw為18 mm。參考GB／T 308.1—2013中最接近的標(biāo)準(zhǔn)鋼球直徑值，該系列球籠式等速萬向節(jié)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(jié)鐘形殼的最大外徑Dk為90 mm。通常該球籠式等速萬向節(jié)的代號為BJ，故將該系列的產(chǎn)品命名為BJ95系列。由此可得汽車球籠式等速萬向節(jié)系列產(chǎn)品的基型為BJ95系列，其結(jié)構(gòu)主參數(shù)（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(nèi)。

2.2 基型產(chǎn)品的基本參數(shù)設(shè)計

現(xiàn)對BJ95系列這一汽車球籠式等速萬向節(jié)基型產(chǎn)品的主要基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算。

2.2.1 球組節(jié)圓直徑

對球籠式等速萬向節(jié)優(yōu)化設(shè)計，鐘形殼、星形套通過其溝道中心的球組節(jié)圓直徑為［3］3

2.2.2 偏心距

由球籠式等速萬向節(jié)的幾何關(guān)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(shù)量

根據(jù)球籠式等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、幾何空間布置、尺寸分配及計算結(jié)果，每個球籠式等速萬向節(jié)的鋼球個數(shù)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(chǎn)品創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計唯一的、最佳的選擇［5］。

2.2.8 靜態(tài)失效轉(zhuǎn)矩

球籠式等速萬向節(jié)的靜態(tài)失效轉(zhuǎn)矩標(biāo)志著該產(chǎn)品承載能力的大小，其是指當(dāng)與球籠式等速萬向節(jié)聯(lián)結(jié)的兩軸（星形套與傳動軸聯(lián)結(jié)、鐘形殼與從動軸聯(lián)結(jié)）夾角為0°時，對其進(jìn)行靜扭破壞性試驗，逐步施加轉(zhuǎn)矩，直至失效（斷裂）時的轉(zhuǎn)矩值，根據(jù)經(jīng)驗可表示為

2.3 橫向拓展（基本參數(shù)的系列化設(shè)計）

根據(jù)基型產(chǎn)品設(shè)計的方法，對所有的20檔全系列球籠式等速萬向節(jié)產(chǎn)品進(jìn)行系列化設(shè)計，其基本參數(shù)系列化設(shè)計結(jié)果見表1。

表1 汽車球籠式等速萬向節(jié)基本參數(shù)的系列化設(shè)計結(jié)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(jié)產(chǎn)品多樣化的需求，例如：聯(lián)結(jié)方式、接口結(jié)構(gòu)、尺寸和精度等不同要求，需要設(shè)計球籠式等速萬向節(jié)的各種變型產(chǎn)品，除外部和接口的結(jié)構(gòu)及尺寸外，每檔產(chǎn)品的基本參數(shù)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和尺寸等均通用。

3 產(chǎn)品系列化設(shè)計的作用

通過對汽車球籠式等速萬向節(jié)系列化設(shè)計的理論分析并進(jìn)行設(shè)計實踐，特別是企業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用效果的驗證，充分表明產(chǎn)品的系列化設(shè)計有以下重要作用：

1）產(chǎn)品的系列化設(shè)計是最有效的統(tǒng)一化，也是最廣泛的選擇及定型工作，能有效地防止同類產(chǎn)品型式、規(guī)格、結(jié)構(gòu)主參數(shù)、基本參數(shù)、尺寸等的雜亂。

2）產(chǎn)品的系列化設(shè)計可以最大限度地發(fā)揮設(shè)計優(yōu)勢，節(jié)約設(shè)計力量，提高產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計的速度和效率，降低設(shè)計和制造成本，還可防止盲目設(shè)計落后產(chǎn)品。

3）系列化設(shè)計的產(chǎn)品圖樣統(tǒng)一發(fā)放、統(tǒng)一管理、集中修改，可以保證高度的統(tǒng)一與互換性，便于組織專業(yè)化協(xié)作生產(chǎn)、配套及維修。

4）系列化產(chǎn)品的基礎(chǔ)件通用性好，其能根據(jù)市場的動向和消費者的特殊要求，采用變型產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)合理辦法，可機動靈活地發(fā)展新產(chǎn)品，既能滿足市場的需求，又可保持企業(yè)生產(chǎn)組織的穩(wěn)定性、連續(xù)性。

5）產(chǎn)品系列化設(shè)計不是簡單的選型、定型，而是選中有創(chuàng)，選創(chuàng)結(jié)合。經(jīng)過系列化設(shè)計定型的產(chǎn)品，一般都有顯著的改進(jìn)。故是提升技術(shù)、促進(jìn)產(chǎn)品更新?lián)Q代的一種非常重要的標(biāo)準(zhǔn)化方法和技術(shù)手段。

4 結(jié)束語

通過對汽車球籠式等速萬向節(jié)基本參數(shù)的系列化設(shè)計和多年的應(yīng)用實踐表明，產(chǎn)品的系列化設(shè)計使產(chǎn)品的使用性能和質(zhì)量明顯提升，提高了生產(chǎn)效率，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。