探究球笼式等速万向节的球面配合

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　　【摘 要】汽車用球笼式等速万向节是属于汽车零部件中的一部分，主要是用于汽车速度控制系统中不可缺少的传动部件，在汽车的速度控制系统的运行过程中具有重要的作用。目前的球笼式等速万向节的机构设计存在着不合理。本文对汽车等速万向节的结构性能进行了比较，分析了汽车等速万向节噪音、振动产生的原因同时论述了汽车等速万向节的发展方向，为等速万向节开发设计提供了一定的参考。
　　【关键词】汽车；等速万向节；发展
　　汽车工业的发展，及用户对汽车使用、转向的更高追求，要求汽车有更好的动力性、操纵性及舒适性，促使了FF及4WD型车的出现。当今市场上使用的等速万向节有4种结构：只有轴间角运动而没有轴向移动的中心固定型等速万向节；既有轴间角运动又可轴向移动的球笼等速万向节；交叉滚道式中心固定型等速万向节；三球销式等速万向节。按接触应力来划分，前三种为点接触型，后一种为线接触型。
　　1、等速万向节的结构与性能
　　汽车用等速万向节按其性能可分为定心型和轴向滑移型两大类。
　　根据使用部位，等速万向节还可分如下两类：
　　（A）外置式等速万向节：车轮一边用即定心型，O/B节F。
　　（B）内置式等速万向节：差速器一侧用即轴向滑动型，I/B节F等速万向传动轴，一般采用定心型等速万向节O轴O轴向滑动型等速万向节的组合形成，这样即可解决运动学上的问题，同时也可用来降低噪音、振动和减少滑动阻力。
　　不同类型的等速万向节其工作原理大致相同，但其性能却有较大的区别。
　　2、等速万向节的振动、噪音
　　汽车发动机、轮胎、变速箱、差速器等是噪音和振动的整体。4W的驱动系比2W多，属于大噪音车。另一方面，由于要满足低油耗、低成本的要求，汽车必须轻量化，汽车变得更易产生振动。因此，对驱动系主要部位之一的等速万向节的振动特性必须进一步进行改善。目前国内外都面临以NVH（噪音、振动、啸声）为中心的许多急待解决的问题，等速万向节的噪音、振动特性，大致可以分为由其内部产生的，发动机产生的和路面传递而来的三大部分。
　　2.1回转方向间隙
　　2.2诱发轴向力
　　由于诱发轴向方随活动角及传递力矩等的增大而增大，解决这个问题的最好办法是减小活动角，但随之要改变汽车的基本设计，所以这种想法几乎是不能成立的，那么就迫切要求对等速万向节本身进行改进。实现这以目标的最佳方案是减少等速万向节内部摩擦力，主要途径有两条，一是改善润滑方式，二是减少滑动，增设滚动零件之类的措施进行结构的改进。
　　2.3滑动阻力
　　滑动式等速万向节在一边传递力矩一边产生滑动时，基于摩擦产生了滑动阻力。若滑动阻力过大，由于滑动不能吸收从发动机、路面等传来的振动，这些振动传至车体，常使车身手柄等部位产生振动。如A/T车在开动发动机、脚踏刹车停止行车时产生的空转振动就是典型的事例。GI型等速万向节滑动阻力较小，几乎不发生此类问题，而滑动阻力较大的DOJ型及VL型则频频发生。减少滑移阻力仅靠低摩擦润滑脂效果不大，必须对等速万向节结构进行改进。
　　2.4折弯阻力
　　当传经等速万向节的振动方向与现成活动角方向相对时，折弯阻力会引起等速万向节振动，因此固定式等速万向节与振动也有关系。
　　BJ型是固定式等速万向节的典型，将其传力钢球与保持架窗口之间设定一个小间隙，虽然能大大地改善折弯阻力，但在转向行车时，这种配合间隙会产生拍音，设计时必须慎重考虑。
　　DOJ型当钢球与保持加窗口之间常常有间隙，故折弯阻力较少。对于零回转间隙的VL型等速万向节，即使采用窗口间隙，由于钢球与滚道间的过盈，表现新的折弯阻力乃较大。
　　3、中心固定型等速万向节的摩擦与润滑
　　3.1钢球与沟道间的摩擦
　　钢球与沟道之间的摩擦，是中心固定型等速万向节摩擦中的重要组成部分，直接影响中心固定型等速万向节的使用寿命，因此要解决沟道间摩擦，需获得较为理想的接触椭圆形状。
　　在外沟道中，即使钢球和沟道表面发生局部粘着，但由于磨削纹理的作用，粘着作用出现增大的机会很小，因此摩擦是由滑动作用来决定的。由于钢球在外环沟道中运动的速度较快，在这种状态下工作，润滑脂很容易被钢球带到外环沟道中，从而实现理想的润滑。
　　3.2钢球与保持架窗口以及保持架内外球面副间的摩擦
　　在正常的工作条件下，为了达到较高的接触能力，在安装时，钢球和保持架窗口应有一定的过盈量。在动态状态下，钢球受到的压力远高于窗口过盈配合所产生的压力，这时钢球沿着窗口的一个侧面产生滑动，这个滑动对钢球是有益的，它可以促进钢球实现合成运动。保持架内、外球面间需要很小的配合间隙，以保证万向节具有高精度的等角接触，以利于减小振动，降低噪声。但过小的间隙又使这些球面的接触运动为100%的滑动，表现为润滑脂被挤出接触区，造成干摩擦，因此需要把MoS2、石墨以及其他表面防化剂加到润滑脂中，以提高吸附性。
　　3.3中心固定型等速万向节的润滑
　　应根据现有工作条件合理选用润滑脂，以满足万向节的使用要求。润滑脂的主要性能依据于基础油，由于润滑脂主体部分为基础油，例如使用中等系列万向节的轿车，在高速公路上正常行驶，万向节沟道表面粗糙度为0.6-0.8μm，钢球表面粗糙度为0.025μm，那么运动副合成粗糙度为0.6μm，计算油膜厚度为70nm，膜厚比为0.11，这说明中心固定型等速万向节是在极度边界润滑条件下工作。这充分说明中心固定型等速万向节和轴承的润滑并不相同，用经典EHD理论是难以解释的，但在等速万向节中确实存在如此薄的油膜。可见用现有的理论计算非稳态接触，其适用性是有限的，需要不断发展新的理论来解决中心固定型等速万向节的纳米级润滑问题。
　　虽然EHD薄膜在理论上接近于0，但总是能够维持一定的薄膜厚度，使润滑脂残留在接触表面，其关键在于使用一种剪切稳定的稠化剂，以确保润滑脂具有固体状态，同时可以防止润滑脂脱离接触表面飞溅到密封罩上。万向节零件在加工后需要进行清洗，这就需要润滑脂具有吸收少量水分的能力以防止内部金属发生腐蚀。
　　随着前置前驱轿车数量的增加，大功率发动机的应用及要求车辆低振动、低噪声，需要驱动半轴总成具有更小的体积，更轻的重量，这就对润滑脂提出了更高要求特别是耐高温性方面。
　　4、结束语
　　等速万向节的摩擦极其复杂，在任意时刻都不可能很清楚地分析出润滑状态。由于接触应力很高，其润滑油膜厚度属于纳米级，因此需要使用特殊的润滑脂，需要发展新的理论来解释。不同种类的万向节具有不同摩擦特点，因此对润滑脂有着不同的要求，对于中心固定型等速万向节，需要开发高性能的润滑脂，对于三球销式万向节需要提高润滑脂的性能以改善噪声和振动。近年来由于汽车追求大功率化、轻量化、低噪音等原因，对汽车的要求不只局限于降低噪音、振动水平，对与汽车车型概念和谐的音色、感觉等的追求也变得不可缺少，为了满足这类要求，汽车制造厂对等速万向节的技术要求越来越严，新型的等速万向节会不断的被开发出来。
　　参考文献：
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　　[2]邹得和.GKN推出等速万向节的创新设计[J].汽车与配件，2016（44）
　　[3]王登峰，靳春宁.基于CATIA软件的汽车等速万向节关键零件形面分析与逆向重构[J].汽车技术，2015（02）
　　作者简介：
　　冯卫国；性别 男；出生年月 197907；民族 汉；籍贯 湖北襄阳；学历 本科；职称 助理工程师；单位 襄阳宇清传动科技有限公司；研究方向 轴承、球笼万向节开发
　　（作者单位：襄阳宇清传动科技有限公司）
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