探究球籠式等速萬向節(jié)的球面配合

【摘 要】汽車用球籠式等速萬向節(jié)是屬于汽車零部件中的一部分，主要是用于汽車速度控制系統(tǒng)中不可缺少的傳動部件，在汽車的速度控制系統(tǒng)的運行過程中具有重要的作用。目前的球籠式等速萬向節(jié)的機構(gòu)設(shè)計存在著不合理。本文對汽車等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)性能進行了比較，分析了汽車等速萬向節(jié)噪音、振動產(chǎn)生的原因同時論述了汽車等速萬向節(jié)的發(fā)展方向，為等速萬向節(jié)開發(fā)設(shè)計提供了一定的參考。

【關(guān)鍵詞】汽車；等速萬向節(jié)；發(fā)展

汽車工業(yè)的發(fā)展，及用戶對汽車使用、轉(zhuǎn)向的更高追求，要求汽車有更好的動力性、操縱性及舒適性，促使了FF及4WD型車的出現(xiàn)。當今市場上使用的等速萬向節(jié)有4種結(jié)構(gòu)：只有軸間角運動而沒有軸向移動的中心固定型等速萬向節(jié)；既有軸間角運動又可軸向移動的球籠等速萬向節(jié)；交叉滾道式中心固定型等速萬向節(jié)；三球銷式等速萬向節(jié)。按接觸應(yīng)力來劃分，前三種為點接觸型，后一種為線接觸型。

1、等速萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)與性能

汽車用等速萬向節(jié)按其性能可分為定心型和軸向滑移型兩大類。

根據(jù)使用部位，等速萬向節(jié)還可分如下兩類：

（A）外置式等速萬向節(jié)：車輪一邊用即定心型，O/B節(jié)F。

（B）內(nèi)置式等速萬向節(jié)：差速器一側(cè)用即軸向滑動型，I/B節(jié)F等速萬向傳動軸，一般采用定心型等速萬向節(jié)O軸O軸向滑動型等速萬向節(jié)的組合形成，這樣即可解決運動學(xué)上的問題，同時也可用來降低噪音、振動和減少滑動阻力。

不同類型的等速萬向節(jié)其工作原理大致相同，但其性能卻有較大的區(qū)別。

2、等速萬向節(jié)的振動、噪音

汽車發(fā)動機、輪胎、變速箱、差速器等是噪音和振動的整體。4W的驅(qū)動系比2W多，屬于大噪音車。另一方面，由于要滿足低油耗、低成本的要求，汽車必須輕量化，汽車變得更易產(chǎn)生振動。因此，對驅(qū)動系主要部位之一的等速萬向節(jié)的振動特性必須進一步進行改善。目前國內(nèi)外都面臨以NVH（噪音、振動、嘯聲）為中心的許多急待解決的問題，等速萬向節(jié)的噪音、振動特性，大致可以分為由其內(nèi)部產(chǎn)生的，發(fā)動機產(chǎn)生的和路面?zhèn)鬟f而來的三大部分。

2.1回轉(zhuǎn)方向間隙

2.2誘發(fā)軸向力

由于誘發(fā)軸向方隨活動角及傳遞力矩等的增大而增大，解決這個問題的最好辦法是減小活動角，但隨之要改變汽車的基本設(shè)計，所以這種想法幾乎是不能成立的，那么就迫切要求對等速萬向節(jié)本身進行改進。實現(xiàn)這以目標的最佳方案是減少等速萬向節(jié)內(nèi)部摩擦力，主要途徑有兩條，一是改善潤滑方式，二是減少滑動，增設(shè)滾動零件之類的措施進行結(jié)構(gòu)的改進。

2.3滑動阻力

滑動式等速萬向節(jié)在一邊傳遞力矩一邊產(chǎn)生滑動時，基于摩擦產(chǎn)生了滑動阻力。若滑動阻力過大，由于滑動不能吸收從發(fā)動機、路面等傳來的振動，這些振動傳至車體，常使車身手柄等部位產(chǎn)生振動。如A/T車在開動發(fā)動機、腳踏剎車停止行車時產(chǎn)生的空轉(zhuǎn)振動就是典型的事例。GI型等速萬向節(jié)滑動阻力較小，幾乎不發(fā)生此類問題，而滑動阻力較大的DOJ型及VL型則頻頻發(fā)生。減少滑移阻力僅靠低摩擦潤滑脂效果不大，必須對等速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)進行改進。

2.4折彎阻力

當傳經(jīng)等速萬向節(jié)的振動方向與現(xiàn)成活動角方向相對時，折彎阻力會引起等速萬向節(jié)振動，因此固定式等速萬向節(jié)與振動也有關(guān)系。

BJ型是固定式等速萬向節(jié)的典型，將其傳力鋼球與保持架窗口之間設(shè)定一個小間隙，雖然能大大地改善折彎阻力，但在轉(zhuǎn)向行車時，這種配合間隙會產(chǎn)生拍音，設(shè)計時必須慎重考慮。

DOJ型當鋼球與保持加窗口之間常常有間隙，故折彎阻力較少。對于零回轉(zhuǎn)間隙的VL型等速萬向節(jié)，即使采用窗口間隙，由于鋼球與滾道間的過盈，表現(xiàn)新的折彎阻力乃較大。

3、中心固定型等速萬向節(jié)的摩擦與潤滑

3.1鋼球與溝道間的摩擦

鋼球與溝道之間的摩擦，是中心固定型等速萬向節(jié)摩擦中的重要組成部分，直接影響中心固定型等速萬向節(jié)的使用壽命，因此要解決溝道間摩擦，需獲得較為理想的接觸橢圓形狀。

在外溝道中，即使鋼球和溝道表面發(fā)生局部粘著，但由于磨削紋理的作用，粘著作用出現(xiàn)增大的機會很小，因此摩擦是由滑動作用來決定的。由于鋼球在外環(huán)溝道中運動的速度較快，在這種狀態(tài)下工作，潤滑脂很容易被鋼球帶到外環(huán)溝道中，從而實現(xiàn)理想的潤滑。

3.2鋼球與保持架窗口以及保持架內(nèi)外球面副間的摩擦

在正常的工作條件下，為了達到較高的接觸能力，在安裝時，鋼球和保持架窗口應(yīng)有一定的過盈量。在動態(tài)狀態(tài)下，鋼球受到的壓力遠高于窗口過盈配合所產(chǎn)生的壓力，這時鋼球沿著窗口的一個側(cè)面產(chǎn)生滑動，這個滑動對鋼球是有益的，它可以促進鋼球?qū)崿F(xiàn)合成運動。保持架內(nèi)、外球面間需要很小的配合間隙，以保證萬向節(jié)具有高精度的等角接觸，以利于減小振動，降低噪聲。但過小的間隙又使這些球面的接觸運動為100%的滑動，表現(xiàn)為潤滑脂被擠出接觸區(qū)，造成干摩擦，因此需要把MoS2、石墨以及其他表面防化劑加到潤滑脂中，以提高吸附性。

3.3中心固定型等速萬向節(jié)的潤滑

應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有工作條件合理選用潤滑脂，以滿足萬向節(jié)的使用要求。潤滑脂的主要性能依據(jù)于基礎(chǔ)油，由于潤滑脂主體部分為基礎(chǔ)油，例如使用中等系列萬向節(jié)的轎車，在高速公路上正常行駛，萬向節(jié)溝道表面粗糙度為0.6-0.8μm，鋼球表面粗糙度為0.025μm，那么運動副合成粗糙度為0.6μm，計算油膜厚度為70nm，膜厚比為0.11，這說明中心固定型等速萬向節(jié)是在極度邊界潤滑條件下工作。這充分說明中心固定型等速萬向節(jié)和軸承的潤滑并不相同，用經(jīng)典EHD理論是難以解釋的，但在等速萬向節(jié)中確實存在如此薄的油膜。可見用現(xiàn)有的理論計算非穩(wěn)態(tài)接觸，其適用性是有限的，需要不斷發(fā)展新的理論來解決中心固定型等速萬向節(jié)的納米級潤滑問題。

雖然EHD薄膜在理論上接近于0，但總是能夠維持一定的薄膜厚度，使?jié)櫥瑲埩粼诮佑|表面，其關(guān)鍵在于使用一種剪切穩(wěn)定的稠化劑，以確保潤滑脂具有固體狀態(tài)，同時可以防止?jié)櫥撾x接觸表面飛濺到密封罩上。萬向節(jié)零件在加工后需要進行清洗，這就需要潤滑脂具有吸收少量水分的能力以防止內(nèi)部金屬發(fā)生腐蝕。

隨著前置前驅(qū)轎車數(shù)量的增加，大功率發(fā)動機的應(yīng)用及要求車輛低振動、低噪聲，需要驅(qū)動半軸總成具有更小的體積，更輕的重量，這就對潤滑脂提出了更高要求特別是耐高溫性方面。

4、結(jié)束語

等速萬向節(jié)的摩擦極其復(fù)雜，在任意時刻都不可能很清楚地分析出潤滑狀態(tài)。由于接觸應(yīng)力很高，其潤滑油膜厚度屬于納米級，因此需要使用特殊的潤滑脂，需要發(fā)展新的理論來解釋。不同種類的萬向節(jié)具有不同摩擦特點，因此對潤滑脂有著不同的要求，對于中心固定型等速萬向節(jié)，需要開發(fā)高性能的潤滑脂，對于三球銷式萬向節(jié)需要提高潤滑脂的性能以改善噪聲和振動。近年來由于汽車追求大功率化、輕量化、低噪音等原因，對汽車的要求不只局限于降低噪音、振動水平，對與汽車車型概念和諧的音色、感覺等的追求也變得不可缺少，為了滿足這類要求，汽車制造廠對等速萬向節(jié)的技術(shù)要求越來越嚴，新型的等速萬向節(jié)會不斷的被開發(fā)出來。

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作者簡介：

馮衛(wèi)國；性別 男；出生年月 197907；民族 漢；籍貫 湖北襄陽；學(xué)歷 本科；職稱 助理工程師；單位 襄陽宇清傳動科技有限公司；研究方向 軸承、球籠萬向節(jié)開發(fā)

（作者單位：襄陽宇清傳動科技有限公司）