汽车球笼式等速万向节基本参数的系列化设计

石宝枢，邱胤原，许承龙

（1.浙江向隆机械有限公司，浙江 宁波 315311；2.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510640）

符号说明

Bx—— 星形套的宽度，mm

Bj—— 保持架的宽度，mm

d—— 传动轴的公称直径，mm

D——钟形壳、星形套通过各自沟道中心的球组节圆直径，mm

De—— 保持架外球面（钟形壳的内球面）直径，mm

Di—— 保持架内球面（星形套的外球面）直径，mm

Dk—— 钟形壳的最大外径，mm

Dw—— 钢球直径，mm

e—— 钟形壳、星形套的偏心距（沟道中心至其球面中心的距离），mm

i0——汽车变速箱的主减速比

i1—— 汽车变速箱的1档速比

K——球组节圆直径系数

M0—— 球笼式等速万向节的静态失效转矩，

N·m

Mmax—— 汽车发动机输出最大转矩，N·m

Memax—— 传动轴输入最大转矩，N·m

SF—— 传动轴的安全系数

Zw——每个球笼式等速万向节的钢球个数

αmax——球笼式等速万向节沿某个方向的最大转角，（°）

θ——球笼式等速万向节的偏心角，（°）

ε—— 保持架径向厚度加强值，mm

为适应现代汽车能源多元化的发展趋势和各种新需求，与其配套的等速万向节及传动轴总成的种类急剧增多。若不加控制地任其发展，就会出现多余的、无用的、低功能的产品。这些产品的大量存在既违背了生产的批量规则，造成了极大的浪费，也为其制造、检验、物流、使用、维修、管理等增加了无谓的难度。故需对其进行简化，即产品的系列化设计［1］。在此仅以球笼式等速万向节为例对其进行系列化设计。

1 结构主参数

1.1 结构主参数的确定

确定最能代表球笼式等速万向节结构和规格等特征的钟形壳最大外径Dk作为结构主参数。

综合考虑各种汽车发动机的排量、输出转矩的范围、前（或后）桥的几何空间布置，球笼式等速万向节的结构、尺寸等指标，将该球笼式等速万向节结构主参数范围确定为60 mm＜Dk≤140 mm。

1.2 结构主参数间隔的设计

1.2.1 间隔的计算

根据球笼式等速万向节的几何关系，钟形壳的最大外径Dk可表示为［2］7

参照GB／T 308.1—2013《滚动轴承 球 第1部分：钢球》可得到每相邻两标准钢球的直径差为0.793 75 mm，再由（1）式可得钟形壳最大外径尺寸间隔ΔDk＝5×0.793 75≈4 mm。该尺寸间隔符合实际。

1.2.2 每档的具体值

由上述结构主参数的范围及间隔可得到汽车球笼式等速万向节钟形壳最大外径Dk每档的具体值（单位为mm）分别为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 基本参数的系列化设计

选取能够反映球笼式等速万向节主要性能的基本参数为：1）传动轴的公称直径d；2）钢球直径Dw；3）每个球笼式等速万向节的钢球个数Zw；4）钟形壳、星形套通过各自沟道中心的球组节圆直径D；5）钟形壳、星形套的偏心距e；6）星形套的宽度Bx；7）保持架的外球面（钟形壳的内球面）直径De；8）保持架的内球面（星形套的外球面）直径Di；9）保持架的宽度Bj；10）最大转角αmax；11）静态失效转矩M0。

2.1 基型的选择

在上述已知的汽车球笼式等速万向节系列内选择产品的基型，基型应该是系列内最有代表性、规格适中、用量较大、生产较普遍、经过长期生产和使用考验结构性能较可靠又很有发展前途的型号。最常见的某款车和传动轴有关的若干性能参数分别为Mmax＝140 N·m＝1.4×105N·mm，i1＝3.55，i0＝3.45，SF＝2.0，则传动轴输入的最大转矩为

由（5）式得该系列球笼式等速万向节钢球直径Dw为18 mm。参考GB／T 308.1—2013中最接近的标准钢球直径值，该系列球笼式等速万向节的钢球直径为Dw＝18.256 mm。

将Dw＝18 mm（计算值）代入（1）式得该系列球笼式等速万向节钟形壳的最大外径Dk为90 mm。通常该球笼式等速万向节的代号为BJ，故将该系列的产品命名为BJ95系列。由此可得汽车球笼式等速万向节系列产品的基型为BJ95系列，其结构主参数（钟形壳的最大外径）Dk为90 mm，该值位于上述尺寸系列的第8档内。

2.2 基型产品的基本参数设计

现对BJ95系列这一汽车球笼式等速万向节基型产品的主要基本参数进行设计计算。

2.2.1 球组节圆直径

对球笼式等速万向节优化设计，钟形壳、星形套通过其沟道中心的球组节圆直径为［3］3

2.2.2 偏心距

由球笼式等速万向节的几何关系可得钟形壳、星形套沟道中心至其球面中心的距离（偏心距）为［2］7

将Dw＝18.256 mm代入（10）式并圆整得该系列保持架宽度Bj＝33.8 mm。

2.2.7 钢球数量

根据球笼式等速万向节的结构设计、几何空间布置、尺寸分配及计算结果，每个球笼式等速万向节的钢球个数Zw可取6或7，但若钢球直径Dw＝Dk／5不变，7个钢球及7组沟道是该类产品创新和优化设计唯一的、最佳的选择［5］。

2.2.8 静态失效转矩

球笼式等速万向节的静态失效转矩标志着该产品承载能力的大小，其是指当与球笼式等速万向节联结的两轴（星形套与传动轴联结、钟形壳与从动轴联结）夹角为0°时，对其进行静扭破坏性试验，逐步施加转矩，直至失效（断裂）时的转矩值，根据经验可表示为

2.3 横向拓展（基本参数的系列化设计）

根据基型产品设计的方法，对所有的20档全系列球笼式等速万向节产品进行系列化设计，其基本参数系列化设计结果见表1。

表1 汽车球笼式等速万向节基本参数的系列化设计结果Tab.1 Results of serialization design for essential parameters of automobile ball rzeppa constant velocity joints

2.4 纵向拓展

为满足各种汽车对球笼式等速万向节产品多样化的需求，例如：联结方式、接口结构、尺寸和精度等不同要求，需要设计球笼式等速万向节的各种变型产品，除外部和接口的结构及尺寸外，每档产品的基本参数、内部结构和尺寸等均通用。

3 产品系列化设计的作用

通过对汽车球笼式等速万向节系列化设计的理论分析并进行设计实践，特别是企业生产及应用效果的验证，充分表明产品的系列化设计有以下重要作用：

1）产品的系列化设计是最有效的统一化，也是最广泛的选择及定型工作，能有效地防止同类产品型式、规格、结构主参数、基本参数、尺寸等的杂乱。

2）产品的系列化设计可以最大限度地发挥设计优势，节约设计力量，提高产品开发和设计的速度和效率，降低设计和制造成本，还可防止盲目设计落后产品。

3）系列化设计的产品图样统一发放、统一管理、集中修改，可以保证高度的统一与互换性，便于组织专业化协作生产、配套及维修。

4）系列化产品的基础件通用性好，其能根据市场的动向和消费者的特殊要求，采用变型产品的经济合理办法，可机动灵活地发展新产品，既能满足市场的需求，又可保持企业生产组织的稳定性、连续性。

5）产品系列化设计不是简单的选型、定型，而是选中有创，选创结合。经过系列化设计定型的产品，一般都有显著的改进。故是提升技术、促进产品更新换代的一种非常重要的标准化方法和技术手段。

4 结束语

通过对汽车球笼式等速万向节基本参数的系列化设计和多年的应用实践表明，产品的系列化设计使产品的使用性能和质量明显提升，提高了生产效率，从而提高经济效益。