毕业设计（论文）-等速万向节结构原理分析及应用.doc

毕业设计等速万向节结构原理分析及应用112011201王震学生姓名： 学号： 机械工程系系 部： 机械设计制造及其自动化专 业： 雷占元指导教师： 二零一五年 六 月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 等速万向节结构原理分析及应用 系部： 机械工程系 专业：机械设计制造及其自动化 学号： 112011201 学生： 王震 指导教师（含职称）： 雷占元（高工） 1课题意义及目标通过调研和查阅相关资料文献，掌握等速万向节的结构和原理，了解其在汽车上的主要用途。应用所学相关基础知识和专业知识进行结构与原理分析。应用CAD三维技术动态模拟等速万向节工作原理与运动轨迹，编写计算说明书，编写毕业设计论文。2主要任务1）掌握汽车等速万向节的结构及工作原理。绘制结构简图和原理简图；2）绘制等速万向节总图；3）了解等速万向节失效模式并分析原因；4）了解等速万向节常用材料及制造、热处理工艺要求；5）动态模拟等速万向节工作原理与运动轨迹，编写计算说明书；6）编写毕业设计论文，总结设计取到的效果与体会，提出自己的论点和改进建议等3主要参考资料1 刘惟信. 汽车设计. 清华大学出版社. 20012 余志生. 汽车理论. 机械工业出版社. 20003 陈家瑞. 汽车构造. 人民交通出版社. 20064 成大先. 机械设计手册. 化学工业出版社. 2008.4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1调研、查阅参考文献，收集资料，理解课题目标，确定设计思路，完成开题报告3月03日至3月23日2毕业设计开题报告检查，毕业设计开题辅导3月24日至4月13日3结构原理分析计算，设计毕业，准备中期检查4月14日至5月04日4编写毕业设计论文，准备中期检查5月05日至6月01日5毕业设计论文整理，完成毕业论文答辩6月02日至6月22日审核人： 年 月 日等速万向节结构原理分析及应用摘 要:本课题来源于学校的合作伙伴江铃重型汽车有限公司。传动系统作为保证车辆正常行驶运行的一个重要组成部分，该系统中最重要的构件是万向节，而等速万向节又是万向节中的一种特殊形式。本课题即以Birfield球笼式等速万向节为研究对象，并在理论分析的基础上，建立了三维模型。首次全面深入的对其结构原理、等速性、受力情况、效率、使用寿命、NVH现象以及热处理工艺进行了全面分析。并有针对的对其存在的NVH问题提出一定的解决对策和改进意见。关键词： 等速万向节，效率，使用寿命，NVH现象，热处理工艺Constant-velocity joint structure principle analysis and application Abstract: This topic is derived from Jiangling heavy automobile co. LTD, the partner of our school. Transmission system is an important part guaranteeing the formal operation of vehicles. The most important component in the system is universal joint, while the constant speed universal joint is a special form of universal joint.Regarding Birfield ball cage pattemed constant speed universal joint as the research object, on the basis of theoretical analysis, this topic set up the three-dimensional model. It is the first time to have a comprehensive analysis for its structure principle, constant speed, force efficiency, service life, NVH phenomenon and the heat treatment process. It also has carried on some methods and improvements for specific NVH problems in it. Keywords: Constant-velocity joint, efficiency, service life, NVH phenomenon, heat treatment目 录1 绪论11.1 引言11.2 万向节简介11.2.1 十字轴式万向节31.2.2 挠性万向节41.2.3 准等速万向节41.2.3 等速万向节51.3 万向节国内外发展现状71.4 本课题研究的内容91.5 本课题研究的目的和意义92 等速万向节等速性研究103 等速万向节几何尺寸设计113.1 CAD参数化设计113.2 参数化建模技术123.3 等速万向节三维参数化模型的建立133.3.1 建立参数化图元133.3.2 球笼式等速万向节三维实体模型装配134 等速万向节的受力、效率和寿命154.1 万向节受力分析154.1.1 接触应力154.1.2 折弯阻力154.2 万向节的效率154.3 万向节的寿命165 等速万向节的失效形式及NVH现象175.1 等速万向节失效形式175.2 NVH现象及产生原因175.2.1 产品设计175.2.2 制造工艺175.2.3 质检误差175.2.4 使用环境185.3 解决对策186 等速万向节常用材料及热处理加工工艺197 等速万向节的其它问题237.1 产品的密封和润滑237.2 产品的松紧度标准237.3 左右轴的等长化237.4 产品的小型化238 等速万向节改进意见249 结 论25参考文献26致 谢2829 太原工业学院毕业设计 1 绪论1.1 引言 我国轿车行业虽然比国外起步晚一些，但是发展潜力和空间却很大。伴随着汽车工业的发展和居民生活水平的不断提高，人们对汽车的动力性、操纵性和舒适性提出了更高的要求，传统的FR型车已经不足以满足人们的需求，进而促进了FF及4WD型车的出现。它们的前轮必须同时具备转向和驱动两种功能，由于转向驱动桥半轴不能制做成整体而要分段的原因，因而在车轮和半轴间必须用等速万向节将两者联接起来，即便是采用后轮驱动，由于居住性的要求，常常使用独立悬挂，使得车轮和半轴轴线不能保证重合，此时也需要等速万向节来实现传动1。图1.1向我们展示了汽车转向驱动桥的结构。图1.1汽车前转向驱动桥结构图1.2 万向节简介万向节（universal joint）属于联轴器的一种特殊形式，等速万向节（Constant Velocity universal Joint），简写为CVJ，属于万向节的一种特殊形式。可根据其性能分为定心型（固定端等速万向节）和轴向滑移型（滑移端等速万向节）两大类，表1.1列举了现在市场中常用的几种等速万向节1。表1.1等速万向节的分类分类定心型轴向滑移型性能要求等等活动角大4050能够形成活动角2030寿命长能轴向作足够的移动寿命长强度高种类RF（Rzeppa等速万向节）DOJ（双偏移距式等速万向节）BJ（伯菲尔德式等速万向节）GI（三销轴式等速万向节）GE（三柱轴式等速万向节）VL（交叉槽式等速万向节）UF（球叉式等速万向节）表1.2向我们横向对比了不同等速万向节的特性差异8。表1.2等速万向节特性横向比较项目定心型轴向滑移式BJGEVFDOJVLGI外径/扭矩容量 0重量/扭矩容量 最大允许角0 常与允许角0 0温升 0 耐久性 NVH 0 滑动量0滑动阻力0 转动引起的轴向力00注：0 可以使用 好 最好万向节分类刚性万向节挠性万向节不等速等速准等速等速双联式凸块式三销轴式球叉式球笼式三枢轴式十字轴1.2.1 十字轴式万向节十字轴式万向节是日常生活中最常用的万向节。（如图1.2）该万向节结构简单、强度高和耐久性好，且生产性高、生产成本低，传动效率高、性能稳定可靠，在各类汽车的传动系中都有它的身影。图1.2 十字轴式万向节1.2.2 挠性万向节挠性万向节结构简单，使用过程中无需润滑，受弹性元件变形有限限制，通常用于两轴之间夹角不超过5的微小轴向位移的万向传动场合。图1.3 挠性万向节1.2.3 准等速万向节1. 双联式万向节双联式万向节制造方便、效率高、工作可靠，且允许较大的轴间夹角。其缺点是较多的零部件数量、复杂的结构形式以及较大的外形尺寸。图1.4 双联式万向节2.凸块式万向节凸块式万向节主要是由两个万向节叉及两个形状特殊的凸块组成。这种结构工作可靠，加工简单，允许的万向节夹角大（一般可达50）。但是由于工作面全部为滑动摩擦，容易引发诱发轴向力，引起噪声并加快摩擦表面的磨损。同时其传动效率不高，且对密封和润滑要求比较高，并不为人们所喜爱 。3.三销轴式万向节三销轴式万向节由于外形尺寸较大，零件形状复杂，需要精确模锻毛坯。虽然拥有润滑要求低，易于密封，两轴间夹角可高达45等优点，但却并不被人们常用。图1.5三销轴式万向节1.2.3 等速万向节1.球叉式万向节球叉式万向节（如图1.6所示）按其钢球滚道形状的不同可分为圆弧槽和直槽两种。圆弧槽滚道型的球叉式万向节可以在轴间夹角不大于3233的条件下正常工作。直槽滚道型的球叉式万向节允许的轴间夹角不大于20，在两球叉间允许有一定量的轴间滑动。圆弧槽型万向节主要应用在轻、中型越野车的转向驱动桥中；直槽型等速万向节主要应用在断开式驱动桥中，当半轴摆动时，用它可以补偿半轴的长度变化从而省去滑动花键5。两种滚道形式的球叉式万向节结构都比较简单、易加工。但是只有保证钢球与滚道之间具有一定的预紧力时，才能正常工作。图1.6 球叉式等速万向节2.球笼式万向节球笼式等速万向节是一种容许两根传动轴之间有较大的角位移的万向联轴器，(如图1.7)它是目前应用最为广泛的等速万向节2。球笼式等速万向节是由星形套、钟形壳、保持架和钢球四部分组合而成。钢球通常为六个，相应地，保持架也有六个周向弧形槽，使其在轴向方向约束六个钢球。在星形套的外球面上，等分地开有六个弧形外槽；在钟形壳的内球面上，也等分地开有六个弧形内槽。这些内外槽分别与六个钢球接触，从而传递扭矩和运动。作为关键部件，它的性能直接影响到汽车的操控性和舒适性。但由于球笼式等速万向节加工难度大，在制造上要求很高的加工精度，批量生产中是很难达到其要求导致可靠性低5。图1.7 球笼式等速万向节3.三枢轴式万向节三枢轴式万向节工作时由于会发生轴向伸缩，内部零件发生会相对滑动，由滑动摩擦力此引发的诱发轴向力（即轴向分力）会引起车身振动。其优点也很突出，具有承载能力大、散热快、工作可靠、润滑性好、体积较小、结构简单等优点。图1.8 三枢轴等速万向节1.3 万向节国内外发展现状W.C.Weiss在1923年获得等速万向节的第一个专利。1965年日本东洋轴承制造公司试制成功了双偏移距型等速万向节，1976年Michel . Orain发明了三销轴式等速万向节21。虽然目前等速万向节形式比较多，如球叉式、三销轴式、凸块式、球笼式、双联式等。但球笼式等速万向节凭借其低油耗、高效率、以及大承载能力的优点，,依然是当前应用最为广泛的等速万向节，在国外，美国53%以上的轿车使用的是球笼式等速万向节，欧洲它的使用量占71%，在日本几乎90%以上2。2002年，来自澳大利亚的程序猿Glenn Alexander Thompson 向美国专利局申请注册TCVJ汤普森等速万向节14。该万向节在常规传动过程中，即便超过了其极限夹角依然能保持等速性，且其还具有摩擦小、噪音低等优势。如图1.9所示，可以用来实现两轴角度变化时的等速性的控制节叉为关键部件14。图1.9 TCVJ等速万向节结构图由于球笼式等速万向节拥有良好的性能，各汽车生产厂商都很喜爱使用它，并对其作出了大量的改良工作。由日本本田公司改良的球笼式等速万向节可达到50的极限偏转角度，拥有世界领先的滚道锻造成型技术。英国的GKN公司通过合成技术和对不同材料进行组合创新出新构造的万向节，不需要进行机械加工，只需将坯料进行热压成型就可以完成一个完整组件，其总重量大约为60克，在节省材料方面做出重大的突破3。目前国外与驱动轴及等速万向节相关的研究成果有：球接头内部零件和滚轴间作用力的关系式及考虑内部摩擦的振动分析研究1516；基于动力学分析软件ADAMS的DOJ万向节接触力分析案例17；关于CVJ的轴向力和振动现象的研究18；有关降低等速万向节啸声的驱动轴强度的设计研究19等等。我国等速万向节的发展过程十分坎坷。早在六十年代一些技术专家已经开始翻译国外等速万向节的相关资料，七十年代球笼式等速万向节已经被列入冶金部重点发展项目21。大连轻工业学院李玉璇教授在1984年从理论上推导出了球笼式等速万向节的等速万向节的等速原理9，并利用齿轮啮合原理对钢球的相对滑移率作出了合理的解释与评价，该论文在国际上受到了很高的评价；王良模全面分析了球笼式等速万向节的接触应力，给出了接触应力的粗略计算方法，并以BJ75型球笼式等速万向节为例，进行了验证计算，证明出内滚道的接触应力大于外滚道，内滚道易于磨损10；李科主要对球笼式等速万向节的三种滚道方式设置参数，同时进行了接触应力的横向比较，得出圆弧形滚道的承载能力远超过椭圆形和双心弧形滚道，双心弧形和椭圆形滚道的使用寿命一般大于圆弧形滚道的结论1213。 由于当时的工厂缺乏创新能力，仅通过引进国外的数据或进行测绘、道路试验等得到设计数据，停留在照猫画虎的阶段，随后这些零件被科研人员系统、深入的机理分析，并通过实验和长期的使用反馈证明存在以下不足之处：（1）因为没有做过优化设计，设计寿命和实际使用寿命相差悬殊，可靠性比较低；（2）由于受生产制造水平的限制，零件尺寸整体偏大，难以布置在汽车的前桥传动系上；（3）消耗较多材料，重量比较大，性价比不高，经济性较差；（4）由于没有科学的理论指导，为了达到应力平衡的目的，只能盲目地增加一些零件的尺寸，导致总体外形尺寸不断被增大的不合理现象。无论是从制造技术层面还是创新研发能力层面上来说，我国与国外工业化国家还存在着很大的差距，这就要求我国投入更多的技术人员从事CVJ的研究。本课题围绕伯菲尔德等速万向节对等速万向节作进一步全面的阐述和研究。1.4 本课题研究的内容1. 汽车等速万向节的结构及工作原理。绘制结构简图和原理简图；2. 等速万向节建模与分析以及相应的工程图：3. 等速万向节失效模式并分析原因；4. 等速万向节常用材料及制造、热处理工艺要求；5. 动态模拟等速万向节工作原理与运动轨迹，编写计算说明书；1.5 本课题研究的目的和意义等速万向节自出现到现在已有N多年的时间，从国外引进也已有好几十年的时间，但国内在研究方面的理论支持依然很欠缺。我国传动系（万向节和传动轴）的国产化进程在很大程度上受到限制。本课题的研究就是为汽车等速万向节的设计、制造、使用、维修提供了一定的理论依据，还可对初学者起到一定的引导作用。2 等速万向节等速性研究2.1 等速万向节原理通过分析Birfield等速万向节，发现外滚道轨迹弧中心偏离在外侧，内滚道轨迹弧中心偏离在内测，且偏离的距离相等，方向相反。这三点可形成等腰三角形，钢球恰好处于交角平分面上，此时主动轴到钢球的距离等于从动轴到钢球的距离，证明从动轴与主动轴等旋转。图2.1 原理简图2.2 等速性分析在早期的球笼（Rzeppa）万向节上，设计有分度杆，钟形壳和星形套上的圆弧滚道同心。当万向节两轴间的夹角变化时，靠比例合适的分度杆拨动导向盘，并带动球笼（保持架）使六个钢球处于轴间夹角的平分面上。Birfield万向节是在Rzeppa万向节的基础上进行了较大的改进。取消了分度杆，不再依靠导向装置来控制球笼将钢球锁止在轴交角平分面上，钟形壳和星形套的圆弧滚道圆心对称的偏离万向节中心。钢球的运动轨迹不再以两轴交点为中心，而是运动在偏置的球面弧上。等速性依靠内、外滚道中心相对万向节中心的偏离来实现。实验结果证明无论万向节传动的角度如何，球始终位于分平面上。因此，经改进后的Birfield万向节更简单更有效。在结构上大大得到简化。文献20从空间矢量的角度对等速万向节进行分析，推导出等速万向节等速性的一般公式，并利用Birfield万向节对其正确性进行了验证。3 等速万向节几何尺寸设计设计人员在产品设计的初期必须明确设计过程中所需要涉及的全部参数。需要制定一些基本参数（本文制定的基本参数为Birfield万向节钢球直径Dw），根据所设定参数与未知参数之间的几何关系，推导求解出未知参数，然后利用这些参数的设计值对万向节进行静应力和动应力分析。并利用这些参数从机械设计手册中选择相应的万向节，所以万向节的几何尺寸设计进度在很大程度上影响到万向节设计整体进度。Birfield万向节在确定其钢球直径Dw后，其它的零件及有关结构尺寸可参照表3.1所示的关系确定5。表3.1 球笼式等速万向节的基本尺寸关系项目公式钢球分布半径R=（1.651.71）Dw星形套宽度B=1.8 Dw球笼宽度B1=1.8 Dw星形套外径D1=3.25 Dw万向节外径D=(4.84.9) Dw球笼厚度b=0.185 Dw球笼槽宽度b1= Dw球笼槽长度l1=(1.331.8) Dw中心偏移距h=（0.120.15）Dw轴颈d11.4 Dw形套花键外径d21.55 Dw球笼壳外滚道长度l=2.4 Dw中心偏移角=453.1 CAD参数化设计CAD参数化设计是在保持结构的几何关系不变的前提下，利用一组保存图元几何关系以及约束关系信息的变量约束该几何图形的结构尺寸。当赋予不同的参数值时，就可自动完成对图中相关部分的联动，生成新的大小不同和形状但又具有相同约束关系的几何图形，从而实现对模型的驱动。虽然不同型号的万向节有一定的区别，但其基本结构是触类旁通的，都是在一定的形状基础上对零件局部细节进行修改。对其进行参数化设计不仅可以大大减少三维建模的工作量，而且可以快捷的在已有万向节的基础上进行修改，得出新的万向节。这在很大程度上可以缩短新产品的开发周期，产品的设计时间预计减少70%左右，提高产品的市场竞争力。3.2 参数化建模技术目前的参数化建模按驱动类型可以大致分为以下三种：1）.基于约束驱动的参数化建模顾名思义，该方法主要是通过修改约束值来实现三维实体尺寸的改变，但是必须有一个前提条件：维持模型的约束条件不变。约束驱动的过程其实是一个几何实体自身约束满足的过程。2）.基于尺寸驱动的参数化建模作为目前应用最广泛的的参数化建模方法，它是通过修改模型的几何尺寸来实现对模型的修改。比如在三维建模软件Solidworks中建立一个三维模型，在模型上标明尺寸的过程，就是一个典型的尺寸驱动的例子。3）.基于特征的参数化建模该方法综合利用参数化造型的基于变量几何法和生成历程法这两种造型方法实现对三维实体特征的编辑和构造。可以毫不夸张的说，该建模方法前途不可估量，是未来数字化技术的重点研究方向，必将衍生出一种新的CAD软件建模理论。上面所列的三种方法各有所长：基于尺寸驱动建模方法建模方法简单，容易实现。但是对几何模型各参数之间的约束关系不明确，因而它只能通过修改尺寸参数来修改模型的大小，且不能改变各零件之间的几何约束关系。 基于约束建模方法能彻底克服尺寸驱动建模时的无约束问题，几何形状会以形位约束和尺寸约束的方式被牢牢地控制。但是需要把工程约束问题变为几何约束，这无疑会增加建模过程的难度，加大建模过程中的工作量，消耗大量的时间。 基于特征建模方法可以完整地表达产品的形状信息和工程语义信息，但是复杂程度太高，建模非常耗时，通常被应用于非常复杂的产品，比如航空飞机的涡轮发动机。 根据万向节模型自身的特点本文采用的是基于尺寸驱动的参数化建模方法。3.3 等速万向节三维参数化模型的建立3.3.1 建立参数化图元本节利用内滚道星形套来做说明（如图3.1），表3.2列举了星形套有代表性的部分参数。Dw为钢球直径、D0为形壳和星形套通过各自沟道中心的钢球回转中心距、D1为星形套外球面直径、B0为星形套外球面中心至其基准端面的距离、B为星形套宽度、Rx为星形套沟道截面圆弧半径、d为星形套轴孔直径、为星形套各沟槽之间的夹角、h为中心偏移距。 表3.2星形套有代表性部分参数 （mm）型号DwD0D1B0BRxdh5806-1011860.158.0616.9279.228604.25806-1021760.158.061626.19.128604.5806-1031760581626.19.128604.2图3.1星形套主视图3.3.2 球笼式等速万向节三维实体模型装配在三维建模软件Solidworks中分别建立各零件的参数化模型后，需要根据万向节各零件之间的配合关系进行几何模型的装配。钟形壳的偏心距与星形套的偏心距分别位于球心的两端；钟形壳内球面与保持架外球面以及保持架内球面与星形套外球面均采用球面配合；钢球通过保持架上的卡槽固定，使其6个球心一直保持在同一平面内；钢球在内外滚道中的运动轨迹利用路径配合控制9。各零件结构及装配示意图如图3.2中（1）（5）。（1）钢球 （2）保持架（3）星形套 （内滚道） （4）钟形壳（外滚道）（5）装配模型图3.2 球笼式等速万向节装配模型4 等速万向节的受力、效率和寿命4.1 万向节受力分析万向节作为汽车前桥传动系中的重要部件，我们在对其进行设计之前必须对其进行受力分析与计算。分析可知除接触应力以外，万向节工作中还受到其它力的作用。4.1.1 接触应力目前关于等速万向节接触应力的分析计算都是以 Hertz接触理论作为理论基础。1970年J.W.Maeielirski计算出了球笼式万向节在实际各种工况下所允许接触应力的最大值20，并将其做成了表4.1。我国的王良模、卢强等对Birfield万向节采取解析法，他们假设接触区处于弹性应力状态，且接触面尺寸明显小于物体接触点曲率半径，利用Hertz理论求解出接触应力，证明接触面的最大应力发生在接触椭圆的中心位置11。在对其进行受力分析时发现，滚道的横断面为椭圆形，与保持架的半径并非一致。当受载时，钢球与星形套、钟形壳的接触点实际上为接触椭圆。内滚道受力大，磨损较大，球笼式等速万向节所能传递的扭矩的大小要根据星形套上的接触应力来确定。表4.1 球笼式等速万向节允许极限应力值表条件P0 /（N/mm2）极限转矩3750瞬时工作转矩3250工作转矩21504.1.2 折弯阻力作为等速万向节的典型的BJ型万向节，为了减小折弯阻力，可在装配时将钢球与保持架窗口之间留有一定的间隙，此方法虽然在一定程度上减轻折弯阻力，但在转向过程中，过大的间隙会产生振动和噪音，设计时必须谨慎认真考虑。4.2 万向节的效率万向节自身的内摩擦决定其效率的高低，但内摩擦不仅受到结构形式的影响，还与钢球的速度、角度和负载以及润滑剂的粘黏系数有关。钢球在运动过程中，与滚道之间既有滑动摩擦又有滚动摩擦，但在润滑良好的情况下滚动摩擦阻力明显小于滑动摩擦，可以做到忽略不计。所以可以认定万向节的效率损失主要发生在滑动摩擦。将Birfield万向节上因滑动摩擦损失的扭矩算出来，就可以计算出万向节的效率了。4.3 万向节的寿命在前面我们已经知道，星形套的磨损程度比钟形壳大，寿命短。球道磨损受到淬火硬度、热处理工艺方法、密封润滑、使用温度等多方面因素的影响，但是没有具体的方法评估它们之间的关系。冲击载荷是万向节寿命缩减的第一大杀手，根据相关科研人员的研究结果证明，速度越高，相应的应力循环次数显著提高，此时万向节允许过载的百分数直线下降，但高速往往伴随着过载振动，这样就会缩短万向节寿命。5 等速万向节的失效形式及NVH现象5.1 等速万向节失效形式汽车上的等速万向节在工作时，保持架上的6个窗孔两端由于要和钢球配合，表面经常承受钢球的挤压、磨损和冲击载荷，其失效形式为窗孔表面压陷、磨损、接触疲劳、整体的变形和破碎等22。球道上会因为磨损的问题，在接触面上常常出现点蚀、麻坑，甚至脱落。5.2 NVH现象及产生原因当汽车高速（v80km/h）行驶时，发动机、变速箱、轮胎、差速器等经常有比较明显的抖动现象，会引起整车振动，当零部件之间发生撞击时，会产生响动，这就是汽车的NVH（噪音、振动、啸声）现象。它会加剧零部件的磨损速度，大的冲击载荷容易使零件破碎失效，影响零部件的可靠性，缩短寿命。万向节所引起的噪声和振动是这些问题的根源之一。因此，对驱动系主要部件之一的等速万向节的振动特性必须进行进一步分析。BJ万向节的激励源大致可以分为三大部分：1、路面传递过程中的力；2、传递扭矩过程中发动机产生的；3、自身内部产生的6。下面从万向节完整生产周期各个环节进行分析。5.2.1 产品设计当设计的内部间隙或外部间隙过大时，均会出现啸声。特别是设计后没有进行无干涉设计分析，更容易出现NVH现象。5.2.2 制造工艺零件制造过程中淬火硬度、淬硬层深度达不到设计要求会加快磨损，使得间隙增大；零件的几何尺寸制造误差以及公差达不到设计要求也会使装配配合间隙过大，间隙过大就会产生噪声和振动。5.2.3 质检误差质检人员在质检过程中片面的添加个人因素，仅靠感官来判断产品是否达标合格，缺乏科学依据，这种感官判断是不真实、不可靠的，不可以正确评估产品的真实性能。不达标的产品在工作过程中更加容易产生啸声和振动。5.2.4 使用环境万向节安装在轿车底盘，使用环境比较恶劣，尤其是当润滑、密封条件遭到破坏时，泥沙乱入，会造成其内部磨损加大、间隙变大、内部零件之间发生干涉，导致冲击、噪音的出现。5.3 解决对策根据上面的分析，可根据生产周期的各个环节提出相应的解决措施。对等速万向节进行无干涉设计和计算是解决NVH问题的根本方法。无干涉设计主要涉及万向节的轴向游隙和圆周间隙，在不影响万向节性能的情况下尽可能减小间隙，在极限情况下，可能达到过盈配合。这就对形位公差，几何公差的设计制造精准度提出了更高的要求。有关万向节制造过程中的热处理工艺以及装配工艺下一章有详细介绍。有关质检的误差只能在检测过程中尽量避免，润滑与密封的话题下面也有介绍。6 等速万向节常用材料及热处理加工工艺本章以保持架为例，详细介绍下具体的选材、热处理工艺要求：（1）保持架选材：通常选用的材料牌号为20Cr、20CrMnTi等，下面对20CrMnTi化学成分进行列表分析，详见表6.1。 表6.1 20CrMnTi材料的化学成分质量分数 %CSiMnPSCrTiNiCuMo0.170.230.170.370.81.10.0350.0351.01.30.040.100.300.300.1520CrMnTi钢经过渗碳淬火、回火处理后，表面可获得硬度和耐磨性均较高的硬化层，表面硬度达到5862HRC，淬硬层深度可达到0.71.0mm，而心部保持一定的强度和韧性，硬度达到3545HRC，从而具有良好的、综合的力学性能。热处理技术要求：保持架渗碳热处理技术要求见表6.2.表6.2 保持架渗碳淬火、回火后的技术要求表面硬度/HRC距表面0.25mm处硬度/HRC心部硬度/HRC渗碳层深度（表面至513HV1处的距离）/mm显微组织变形/mm58625834450.71.2碳化物2级，马氏体3级，残余奥氏体3级内、外径，幅高等满足相关图样规定渗碳淬火工艺1） 工艺路线保持架的加工工艺路线一般分为两种：两种路线的区别主要在于毛坯的处理方式不相同，路线one主要是热锻，路线two是冷挤压加工，具体采用哪种工艺路线需要根据实际需要选择。如果采用工艺路线two，需要在冷挤压加工后进行去应力热处理，避免渗碳热处理后产生变形，2） 预备热处理工艺在工艺路线one中，先进行正火预处理。后进行正火处理。保持架正火工艺详见表6.3。表6.3 保持架的正火工艺材料牌号加热温度/保温时间/min冷却方式正火硬度/HBW金相组织备注20CrMnTi920970120空冷或风冷170217均匀分布的铁素体+珠光体根据具体情况选择合适的正火保温温度、时间和冷却方式在工艺路线two中，首先进行球化退火工艺，等温球化退火的工艺如图6.1所示.图6.1 等温球化退火工艺曲线3） 渗碳热处理工艺可选择箱式多用炉或推杆式连续渗碳炉进行渗碳热处理。通过编程自动控制生成工艺顺序、过程参数等，获得稳定且可靠的热处理质量，节约人力、物力、财力资源。图6.2向我们展示了渗碳淬火的工艺曲线，回火工艺曲线详见图6.3。图6.2 渗碳淬火工艺曲线图6.3 回火工艺曲线热处理质量检验渗碳热处理后的保持架，具体的质量检测见表6.4。表6.4 保持架渗碳热处理后的质量检测项目及质量要求项目质量要求检查部位检查方法表面硬度/HRC淬火后62端面硬度计回火后5862横截面或端面硬度计心部硬度/HRC回火后3445横截面硬度计渗碳层深度/mm回火后0.71.2横截面显微硬度计表面至513HV1处距离渗碳层均匀性回火后渗碳层深浅均匀，满足相应的要求横截面硬度或酸腐蚀显微组织渗碳层马氏体针粗细，碳化物，残余奥氏体含量等满足相应的要求横截面金相显微镜心部低碳板条马氏体横截面金相显微镜尺寸变形/mm满足相应的图样要求内、外径，幅高相应的量检具外观表面无裂纹，无明显磕碰伤，无锈蚀，颜色无异常表面磁粉探伤机+目视为了能反映每一批次热处理的整体质量状况，应注意检验频次、数量和取样位置的选择等问题22。（2）星形套材料一般选用20CrMnTi，表面渗碳和淬火处理。 （3）钢球一般选用CCr15制造，整体淬火并作回火处理，硬度可达到为6166HRC。（4）钟形壳常选用55#钢制造，在经过正火处理锻件后，再经过表面中频感应淬火并回火处理，表面硬度达到5862HRC，有效硬化层深度通常可达1.22.0mm。上述零件热处理后不允许出现划痕、锈蚀、脱碳以及裂纹等缺陷。7 等速万向节的其它问题7.1 产品的密封和润滑轿车在行驶过程中，驱动轴总成两端的等速万向节应保持良好的密封和润滑状态。为了减缓等速万向节内部零部件的磨损，并抑制抖动和异响现象。需选用性能达标的密封罩、润滑脂来效提高轿车的可靠性、耐久性。7.2 产品的松紧度标准解决异响现象的根本措施是制定全面、准确、专业、规范的等速万向节的松紧度标准。技术人员经长期使用和实验发现：能有效避免抖动和异响并显著提高BJ万向节的可靠性和寿命的摆角力矩为1020Nm，回转力矩为510Nm23。7.3 左右轴的等长化左右传动轴不等长现象常发生在发动机横置的情况下，常常导致左右万向节的安装角度产生偏差而影响传递扭矩。常用加装中间轴的方法使左右等速万向节的传动轴等长1。7.4 产品的小型化对万向节主体寿命、强度等作进一步提高对汽车本身而言是否必要，目前尚没有明确的定论。但是在保持万向节现有的寿命、强度不缩水的前提下缩小万向节尺寸很有必要1。针对小型化的等速万向节，轻量化、低成本、节省空间算作是其主要目标，应着重考虑开发新结构，对材料、热处理、内部精度和润滑等方面需要进一步深入研究1。8 等速万向节改进意见万向节受力主要在星形套，钟形壳以及保持架上，钢球破损的情况较少。针对这种情况，想要避免NVH现象，提高万向节寿命，对保持架以及内外滚道的改造势在必行。一方面可以从材料方面进行改进。采用性能更好的新材料，例如CF53，20Cr等，可以在一定程度上提高强度，同时配合合理的热处理工艺，譬如感应热处理工艺，增加硬度。另一方面可以考虑在结构上进行改善。对内外滚道进行优化设计，设计出一种新型的三点接触滚道，减少内外滚道上的冲击载荷，降低磨损速度，提高承载能力并延长其使用寿命。9 结 论本课题以Birfield等速万向节为研究对象，对其结构原理、等速性、受力情况、效率、使用寿命、NVH现象以及热处理工艺做出了分析，并提出了一定的改进意见。为汽车等速万向节的设计、制造、使用、维修提供了一定的理论依据。由于时间有限、相关知识的欠缺，对万向节的研究还有很多的不足之处，运动学特性、动力学特性还需要进一步的细分完善。尤其是综合运用ADAMS、ANSYS等软件分析万向节运动以及受力情况，有待今后的进一步研究分析。参考文献1卢曦. 叶宗才等 汽车等速万向节的现状与发展J.机械设计与制造，2002.3.2 刘惟信. 驱动桥M.人民交通出版社，1987.06. 3 Stefan Magirius and Dan Booker. 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