1 前言
轉(zhuǎn)向萬向節(jié)主要是連接轉(zhuǎn)向軸和轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸或連接轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸和轉(zhuǎn)向器，用來傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩的零件。其傳遞的力矩一般較小，但其精度，特別是在加載過程中使轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸產(chǎn)生的角間隙會(huì)直接影響轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈敏度。在QC/T649-2000汽車轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸總成性能要求及試驗(yàn)方法中，要求裝一個(gè)萬向節(jié)的無滑動(dòng)花鍵轉(zhuǎn)向軸在正負(fù)加載3N.m情況下角間隙≤0.25度。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，對(duì)汽車各性能要求日益提高，如國(guó)際轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸知名企業(yè)DOUGLIAC公司，要求裝一個(gè)萬向節(jié)的無滑動(dòng)花鍵轉(zhuǎn)向軸在正負(fù)加載10N.m情況下角間隙≤0.15度。
一般的裝熱鍛軸承萬向節(jié)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸無法達(dá)到該要求，而采用裝鐵皮沖壓軸承萬向節(jié)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸卻能達(dá)到對(duì)角間隙的苛刻要求。
2 轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的角間隙及其產(chǎn)生
兩根無滑動(dòng)花鍵轉(zhuǎn)向軸傳動(dòng)叉之間連接一只十字軸萬向節(jié)，兩傳動(dòng)叉保持在一條直線上，對(duì)其中一根傳動(dòng)叉作剛性固定，對(duì)另一根傳動(dòng)叉施加一定量正負(fù)扭矩，其正向扭轉(zhuǎn)極限位置到負(fù)向扭轉(zhuǎn)極限位置的夾角即為轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸的角間隙。角間隙的產(chǎn)生一方面是由于接叉和萬向節(jié)在外力作用下產(chǎn)生剛性變形，另一方面是由于熱鍛軸承萬向節(jié)其十字軸軸頸與軸承內(nèi)復(fù)圓之間存在徑向間隙。轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸受力矩較小，節(jié)叉和萬向節(jié)不會(huì)變形，角間隙主要由十字軸軸頸與軸承內(nèi)復(fù)圓之間存在的徑向間隙產(chǎn)生。角間隙測(cè)試示意如圖1所示。
3 熱鍛軸承萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)及軸承加工工藝
熱鍛軸承萬向節(jié)的外圈材料一般為20Gr，為達(dá)到其性能要求，采用如下加工工藝：熱鍛-車加工-熱處理（滲碳淬火）-磨加工。外圈壁厚一般大于2.5mm，故外圈剛性較好，不宜變形。熱鍛軸承萬向節(jié)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，熱鍛軸承結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。
4 熱鍛軸承萬向節(jié)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸角間隙分析
設(shè)連接轉(zhuǎn)向軸的萬向節(jié)十字軸長(zhǎng)度為!，十字軸軸頸和軸承內(nèi)復(fù)圓的徑向間隙為"。將一節(jié)叉剛性固定，另一個(gè)轉(zhuǎn)向節(jié)叉加正向力矩，即加載+10N.m的力矩，則萬向節(jié)十字軸一軸頭與軸承內(nèi)復(fù)圓的接觸如圖4所示。
再在同一節(jié)叉加一反向力矩，即加載-10N.m力矩，則此萬向節(jié)十字軸上的同一軸頭與軸承內(nèi)復(fù)圓接觸如圖5所示。
加正負(fù)載荷時(shí)萬向節(jié)十字軸一個(gè)方向的軸頭與內(nèi)復(fù)圓徑向間隙引起的轉(zhuǎn)向軸角間隙α如圖6所示。
萬向節(jié)一軸頭與內(nèi)復(fù)圓徑向間隙引起的轉(zhuǎn)向軸角間隙計(jì)算如下：α=2arctg(T/L)。轉(zhuǎn)向軸的角間隙由萬向節(jié)兩個(gè)方向的軸頭引起，故轉(zhuǎn)向軸總的角間隙β=2α。轉(zhuǎn)向萬向節(jié)一般尺寸較小，其十字軸長(zhǎng)度不超過40mm。當(dāng)一轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸角間隙要求≤0.15度時(shí)，即β=0.15度，α=0.075度。根據(jù)以上公式α=2arctg(T/L)計(jì)算得T=0.026mm，即十字軸軸頸與軸承內(nèi)復(fù)圓之間的最大徑向間隙為0.026mm。為使萬向節(jié)裝叉后不產(chǎn)生發(fā)卡現(xiàn)象，十字軸軸頸與軸承內(nèi)復(fù)圓最小徑向間隙應(yīng)保證為0.004mm，故萬向節(jié)軸頸和軸承內(nèi)復(fù)圓的累積誤差為0.026-0.004=0.022mm。由于十字軸四個(gè)軸頭公差無法分檔，一般十字軸磨削加工后軸頸最小公差為0.008mm，內(nèi)復(fù)圓直徑的公差只有0.014mm，即滾針和外圈內(nèi)徑的累積公差為0.014mm，滾針最小公差為0.003mm，在直徑方向的累積公差為0.006mm，因而最終留給外圈內(nèi)徑的公差只有0.008mm。一般的內(nèi)圓磨削加工工藝不能達(dá)到此公差要求。
5 鐵皮軸承萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)及軸承加工工藝
鐵皮軸承萬向節(jié)的外圈采用易拉伸鋼板沖壓拉伸而成，鋼板厚度一般為1mm。軸承外圈加工工藝為：下料-沖壓成形-熱處理（碳氮共滲）-竄光。且經(jīng)沖壓拉伸成形后的壁厚一般為("5$$左右，在外力作用下易變形。鐵皮軸承萬向節(jié)結(jié)構(gòu)示意如圖7所示，鐵皮軸承結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。
6 鐵皮軸承萬向節(jié)的轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸角間隙分析
轉(zhuǎn)向傳動(dòng)軸采用鐵皮軸承萬向節(jié)，可通過軸承外徑與節(jié)叉內(nèi)孔過盈配合、十字軸軸頸與軸承內(nèi)復(fù)圓過渡配合來達(dá)到較小的角間隙。具體原理如下：轉(zhuǎn)向萬向節(jié)的尺寸較小，軸承外徑為14~20mm左右，外圈用厚度為1mm的鋼板沖壓而成，沖壓成形后外圈壁厚一般為0.8mm左右，在較小外力作用下易變形。軸承外徑與節(jié)叉內(nèi)孔之間采用過盈配合，當(dāng)鐵皮軸承壓入節(jié)叉時(shí)隨節(jié)叉內(nèi)孔的形狀得到整形。軸承內(nèi)復(fù)圓與十字軸軸頸之間采用過渡配合，當(dāng)十字軸壓入軸承時(shí)軸承內(nèi)復(fù)圓隨十字軸的軸頸得到脹大，進(jìn)一步進(jìn)行一定程度整形，使十字軸軸頸和軸承內(nèi)復(fù)圓之間能在保持較小的徑向間隙的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。
7鐵皮軸承萬向節(jié)的轉(zhuǎn)向軸角間隙試驗(yàn)證
對(duì)要求萬向節(jié)軸承外徑為15mm的轉(zhuǎn)向軸采用鐵皮軸承萬向節(jié)進(jìn)行角間隙試驗(yàn)驗(yàn)證。選用節(jié)叉孔尺寸為
，根據(jù)以上分析合理設(shè)計(jì)十字軸軸頸、軸承內(nèi)復(fù)圓、軸承外徑和標(biāo)準(zhǔn)圈的尺寸，以達(dá)到角間隙≤0.15度的要求。
7.1 軸承外徑、內(nèi)徑尺寸為使軸承壓入節(jié)叉后達(dá)到較好的整形效果，使兩者有0.05mm左右的過盈量，同時(shí)由于鐵皮軸承熱處理后不進(jìn)行機(jī)加工，軸承外徑公差較大，故將軸承外徑尺寸定為
。內(nèi)復(fù)圓尺寸根據(jù)外圈壁厚0.8mm、滾針直徑 1.5mm計(jì)算出，可定壓入標(biāo)準(zhǔn)圈時(shí)內(nèi)復(fù)圓尺寸為 
。
7.2 標(biāo)準(zhǔn)圈尺寸
標(biāo)準(zhǔn)圈起標(biāo)準(zhǔn)節(jié)叉的作用，其尺寸與節(jié)叉孔尺寸在理論上應(yīng)一致，可定為
。
7.3 十字軸軸頸尺寸
為滿足其苛刻的角間隙要求，十字軸軸頸應(yīng)與軸承內(nèi)復(fù)圓過渡配合，軸頸尺寸定為
。
對(duì)按以上尺寸生產(chǎn)的 * 個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行角間隙試驗(yàn)驗(yàn)證，具體結(jié)果如表1所示。
根據(jù)試驗(yàn)可知，通過合理設(shè)計(jì)鐵皮軸承轉(zhuǎn)向萬向節(jié)的各配合尺寸，裝一個(gè)萬向節(jié)的無滑動(dòng)花鍵轉(zhuǎn)向軸在正負(fù)加載10N.m情況下可以達(dá)到角間隙≤0.15度的苛刻要求。
8 結(jié)束語
根據(jù)以上分析和測(cè)試可知，裝一個(gè)轉(zhuǎn)向萬向節(jié)的無滑動(dòng)花鍵轉(zhuǎn)向軸角間隙要達(dá)到≤0.15度-的要求，應(yīng)該改變傳統(tǒng)的采用熱鍛軸承萬向節(jié)的方法，而采用鐵皮軸承萬向節(jié)代替。即通過合理設(shè)計(jì)十字軸軸頸、內(nèi)復(fù)圓直徑、叉子孔直徑尺寸，達(dá)到軸承外徑與節(jié)叉內(nèi)孔過盈配合、十字軸與壓入后的軸承過渡配合狀態(tài)，使十字軸和軸承內(nèi)復(fù)圓之間能在保持較小的徑向間隙的同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，可滿足角間隙≤0.15度的要求。同時(shí)由于轉(zhuǎn)向萬向節(jié)在使用中承受力矩較小，故使用鐵皮軸承萬向節(jié)也能滿足產(chǎn)品使用中的其它性能要求。另外，鐵皮軸承節(jié)省材料，加工工藝簡(jiǎn)單，具有較好的實(shí)用推廣性。
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