一种在大角度常用工况下传动机构用万向节及其结构设计方法
阅读说明：本技术 一种在大角度常用工况下传动机构用万向节及其结构设计方法 (Universal joint for transmission mechanism under large-angle common working condition and structural design method thereof ) 是由 傅小青 卢小明 李伟 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种万向节,尤其涉及一种在大角度常用工况下传动机构用万向节及其结构设计方法。包括轴杆,所述的轴杆的一端伸入至保持架中,所述的轴杆的外壁与保持架间设有内星轮,所述的保持架中设有与内星轮呈滚动连接的钢球,所述的保持架的外壁为外星轮。在相同工作扭矩下,当工作摆角越大时,保持架破裂的风险会相对很低,适用于大角度常用工况下传动机构用。(The invention relates to a universal joint, in particular to a universal joint for a transmission mechanism under a large-angle common working condition and a structural design method thereof. The novel bearing retainer comprises a shaft rod, wherein one end of the shaft rod extends into the retainer, an inner star wheel is arranged between the outer wall of the shaft rod and the retainer, a steel ball in rolling connection with the inner star wheel is arranged in the retainer, and the outer wall of the retainer is an outer star wheel. Under the same working torque, when the working swing angle is larger, the risk of the fracture of the retainer is relatively low, and the retainer is suitable for a transmission mechanism under the common working condition with large angle.)
技术领域
本发明涉及一种万向节，尤其涉及一种在大角度常用工况下传动机构用万向节及其结构设计方法。
背景技术
球笼式等速万向节，为了保证钢球在球道中滚动，为了保证钢球在球道里是滚动运动，在设计时，球道偏置角ε>摩擦角φm，即ε>φm，根据物理知识可知φm＝arctan f(f为钢球和球道的摩擦系数,通常取0.1～0.12)。故得出ε >5.706，即球笼式等速节的偏置角ε一般设计为8°左右。
普通的AC型球笼式万向节,在工作摆角β为0°时，其外星轮球道和内星轮球道是由在同一水平轴上的两个相同偏置角ε为曲率中心的曲线，通过受力分析可知，保持架A点的受力P3＝P1+P2，P1、P2所受的力与钢球的张开角δ有关，此时，它的张开角δ等于2倍的偏置角ε，即δ＝2ε，张开角δ越大，P1、 P2所受力也越大。当工作摆角β为24°时，根据几何知识，可知，它的张开角δ会稍微减小，即δ＝15.6°，同样道理，当工作摆角β为45°时，它的张开角δ＝14.8°。这说明AC型万向节随着工作摆角的增大，钢球的张开角δ只会稍微减小，所以AC型的保持架在大摆角工况下工作时，A点的受力是交变且连续的，通常它的常用工况工作摆角在16°以内，工作摆角越大时，保持架破裂而产生的万向节失效风险越高。
发明内容
本发明主要是解决现有技术中存在的不足，提供一种结构紧凑，适用于大角度常用工况下传动机构用的一种在大角度常用工况下传动机构用万向节及其结构设计方法。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种在大角度常用工况下传动机构用万向节，包括轴杆，所述的轴杆的一端伸入至保持架中，所述的轴杆的外壁与保持架间设有内星轮，所述的保持架中设有与内星轮呈滚动连接的钢球，所述的保持架的外壁为外星轮。
所述的轴杆的另一端套有护尘罩，所述的护尘罩通过护圈与外星轮外壁固定，所述的防尘罩通过卡箍与轴杆固定。
一种在大角度常用工况下传动机构用万向节的结构设计方法，按以下步骤进行：
(一)、总设计框架：
在工作摆角β为0°时，其一副外星轮球道和内星轮球道是由不在同一水平轴上的两个相同偏置角ε，4个不相同的曲率中心的4条曲线，相邻的一副外星轮球道和内星轮球道的曲率中心与之相反；
通过受力分析可知，保持架A点的受力P3＝P1+P2，相对面的球道保持架A’点的受力P3’＝P1’+P2’，A’与A点的受力相反，即P3＝-P3’；
与AC型万向节的受力情况相似，P1、P2、P1’、P2’所受的力与钢球的张开角δ有关，此时，它的张开角δ也等于2倍的偏置角ε，即δ＝2ε，同样的道理，张开角δ越大，P1、P2所受力也越大；但是新型球笼式万向节，当工作摆角β为24°时，根据几何知识，可知，它的张开角δ会显著减小，即δ＝12.3 °，同样道理，当工作摆角β为45°时，张开角急剧减小，即δ＝6.8°；万向节随着工作摆角的增大，钢球的张开角δ会越来减小，新型球笼式万向节的保持架在大摆角工况下工作时，A点与A’的受力是对称的，新型万向节相比AC 型万向节，在相同工作扭矩下，当工作摆角越大时，保持架破裂的风险会相对很低；所以这种新型球笼式万向节适用于大角度常用工况下传动机构用。
(二)、部件设计：
(1)外星轮的设计：
六个球道均布等分，第一个球道采用“双曲率子午线”结构设计，一个子午线的中心在通过钢球的中心与右侧法平面的夹角9度，交于通过万向节回转中心与右侧法平面的夹角35度的延长线，另一个子午线的中心在通过钢球的中心与右侧法平面的夹角9度，交于通过万向节回转中心与左侧法平面的夹角 35度的延长线，球道截面圆狐压力角α＝39±3°，球道截面的相似度ψ＝1.02～1.06；相邻的另第二个球道与第一个球道方向相反，以此类推；外星轮圆周方向有六个插销孔，便与其它零件装配连接；
(2)保持架(3)的设计：
外球面直径在中心24°以外两端采用+0.003～+0.012mm的曲率设计，减小与外星轮的内球面配合间隙，内球面直径在中心24°以外两端采用 -0.003～-0.012mm的曲率设计，减小与内星轮的外球面配合间隙，降低轴向配合间隙，提高保持架对6颗钢球(2)的运动轨迹控制；
窗孔宽采用与钢球过盈配合，过盈量为-0.006～-0.026，窗孔的边缘进行仔细的研磨去除尖角毛刺，确保摆动时不致于破坏外星轮和内星轮零件表面的润滑脂油膜；
保持架能够保持6颗钢球在外星轮和内星轮的球道内，并控制6颗钢球跟随固定端万向节的摆动始终保持在外星轮和内星轮球道中心的对称平面；
(3)、内星轮的设计：
六个球道均布等分，第一个球道采用“双曲率子午线”结构设计，一个子午线的中心在通过钢球的中心与左侧法平面的夹角9度，交于通过万向节回转中心与左侧法平面的夹角35度的延长线，另一个子午线的中心在通过钢球的中心与左侧法平面的夹角9度，交于通过万向节回转中心与右侧法平面的夹角 35度的延长线，球道截面圆狐压力角α＝39±3°，球道截面的相似度ψ＝1.02～1.06；相邻的另第二个球道与第一个球道方向相反，以此类推；
(4)、轴杆的设计：
轴杆头部设计卡簧槽和外花键，外花键采用ANSI B92.1b 1996圆柱直齿渐开线花键，与内星轮通过花键和卡簧连接，确保轴杆不会从内星轮中脱出；等速万向节小装配：
(三)、装配工序：
(1)、领料：对照总成BOM表确认附件型号准确；清点数量准确；确认零件、附件是否有批量明显缺陷。
(2)、装配护圈和防尘罩：装防尘罩大口套入护圈小口部位，用夹具挤压护圈小口，压紧防尘罩；100％目测确认防尘罩方向正确、入槽、无折叠或凹陷变形；
(3)、轴杆装防尘罩和卡簧：将防尘罩小口部分沿轴杆花键方向套入轴杆卡簧槽中；100％目测确认防尘罩方向正确、入槽、无折叠或凹陷变形；装卡簧沿开口方向装入轴杆外花键部位卡簧槽中，并手感确认灵活、活动自如；
(4)、装配轴杆及防尘罩内注脂：将轴杆与内星轮内花键对正装入或拍入； 100％拉拔确认轴杆台阶与内星轮端面无脱落；100％摇摆和对打确认顺畅无卡滞，然后在防尘罩内注脂；
(5)、装配万向节与护圈：把护圈大口套入万向节台阶处，用夹具在设备上滚压护圈大口部，压紧护圈；100％目测确认确认护圈无脱落；
(6)、锁卡箍：确认卡箍表面有打批次号；防尘罩正确入槽；卡箍锁紧可靠、无歪斜、未扣牢等不良；100％目测；
(7)、总装配：
首先，把内星轮与保持架成90°装入保持架窗口中，然后将内星轮顺时针方向旋转90°使内星轮与保持架平齐并且内星轮球道与保持架窗口对齐；
将外星轮内腔朝向夹持在工作台上，然后将上一步完成的内星轮与保持架组合体与外星轮成90°装入外星轮中，顺时针方向旋转90°，确保内星轮(4) 球道、保持架窗口、外星轮球道对齐；
最后，在内星轮内花键孔中***摇摆芯棒向上摆到最大角度装入第1颗钢球后回正摇摆芯棒并向左下角摆到最大角度装入第2颗钢球后回正摇棒并向右下角摆到最大角度装入第3颗钢球，最后依次向下、向左上角、右上角将摇摆芯棒摆至最大摆角完成剩余3颗钢球的装配，确保每个固定端万向节内均有 6颗钢球。
(四)、检测操作：
首先进行表面清洁，然后使用油漆笔100％点检以下项目：
(1)、100％总高遏制
(2)、100％称重遏制；
(3)、100％摇摆和对打顺畅；
(4)、卡箍锁紧可靠、无歪斜、未扣牢相关不良；
(5)、表面无生锈、尖角毛刺相关不良
(6)、轴杆：内花键无漏加工、无漏铣槽、焊接档表面无磕碰伤相关不良；
(7)、产品标识完整正确、清晰易见；
(8)、防尘罩安装到位，无凹陷、变形、表面无破损、划伤相关不良。
本发明是一种在大角度常用工况下传动机构用万向节及其结构设计方法，在相同工作扭矩下，当工作摆角越大时，保持架破裂的风险会相对很低，适用于大角度常用工况下传动机构用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的万向节工作摆角β与钢球受力张开角δ对应变化图；
图3是本发明的偏置角ε与工作摆角β的曲率中心变化图；
图4是本发明的受力分析变化图；
图5是本发明的张开角δ为12.3°时的对应示意图；
图6是本发明的张开角δ为6.8°时的对应示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1：一种在大角度常用工况下传动机构用万向节，包括轴杆1，所述的轴杆1的一端伸入至保持架2中，所述的轴杆1的外壁与保持架2间设有内星轮3，所述的保持架2中设有与内星轮3呈滚动连接的钢球4，所述的保持架2的外壁为外星轮5。
所述的轴杆1的另一端套有护尘罩6，所述的护尘罩6通过护圈7与外星轮5外壁固定，所述的防尘罩6通过卡箍8与轴杆1固定。
一种在大角度常用工况下传动机构用万向节的结构设计方法，按以下步骤进行：
(一)、总设计框架：
在工作摆角β为0°时，其一副外星轮球道和内星轮球道是由不在同一水平轴上的两个相同偏置角ε，4个不相同的曲率中心的4条曲线，相邻的一副外星轮球道和内星轮球道的曲率中心与之相反；
通过受力分析可知，保持架A点的受力P3＝P1+P2，相对面的球道保持架A’点的受力P3’＝P1’+P2’，A’与A点的受力相反，即P3＝-P3’；
与AC型万向节的受力情况相似，P1、P2、P1’、P2’所受的力与钢球的张开角δ有关，此时，它的张开角δ也等于2倍的偏置角ε，即δ＝2ε，同样的道理，张开角δ越大，P1、P2所受力也越大；但是新型球笼式万向节，当工作摆角β为24°时，根据几何知识，可知，它的张开角δ会显著减小，即δ＝12.3 °，同样道理，当工作摆角β为45°时，张开角急剧减小，即δ＝6.8°；万向节随着工作摆角的增大，钢球的张开角δ会越来减小，新型球笼式万向节的保持架在大摆角工况下工作时，A点与A’的受力是对称的，新型万向节相比AC 型万向节，在相同工作扭矩下，当工作摆角越大时，保持架破裂的风险会相对很低；所以这种新型球笼式万向节适用于大角度常用工况下传动机构用。
(二)、部件设计：
(1)外星轮的设计：
六个球道均布等分，第一个球道采用“双曲率子午线”结构设计，一个子午线的中心在通过钢球的中心与右侧法平面的夹角9度，交于通过万向节回转中心与右侧法平面的夹角35度的延长线，另一个子午线的中心在通过钢球的中心与右侧法平面的夹角9度，交于通过万向节回转中心与左侧法平面的夹角 35度的延长线，球道截面圆狐压力角α＝39±3°，球道截面的相似度ψ＝1.02～1.06；相邻的另第二个球道与第一个球道方向相反，以此类推；外星轮圆周方向有六个插销孔，便与其它零件装配连接；
(2)保持架的设计：
外球面直径在中心24°以外两端采用+0.003～+0.012mm的曲率设计，减小与外星轮的内球面配合间隙，内球面直径在中心24°以外两端采用 -0.003～-0.012mm的曲率设计，减小与内星轮的外球面配合间隙，降低轴向配合间隙，提高保持架对6颗钢球的运动轨迹控制；
窗孔宽采用与钢球过盈配合，过盈量为-0.006～-0.026，窗孔的边缘进行仔细的研磨去除尖角毛刺，确保摆动时不致于破坏外星轮和内星轮零件表面的润滑脂油膜；
保持架能够保持6颗钢球在外星轮和内星轮的球道内，并控制6颗钢球跟随固定端万向节的摆动始终保持在外星轮和内星轮球道中心的对称平面；
(3)、内星轮的设计：
六个球道均布等分，第一个球道采用“双曲率子午线”结构设计，一个子午线的中心在通过钢球的中心与左侧法平面的夹角9度，交于通过万向节回转中心与左侧法平面的夹角35度的延长线，另一个子午线的中心在通过钢球的中心与左侧法平面的夹角9度，交于通过万向节回转中心与右侧法平面的夹角35度的延长线，球道截面圆狐压力角α＝39±3°，球道截面的相似度ψ＝1.02～1.06；相邻的另第二个球道与第一个球道方向相反，以此类推；
(4)、轴杆的设计：
轴杆头部设计卡簧槽和外花键，外花键采用ANSI B92.1b 1996圆柱直齿渐开线花键，与内星轮通过花键和卡簧连接，确保轴杆不会从内星轮中脱出；等速万向节小装配：
(四)、装配工序：
(1)、领料：对照总成BOM表确认附件型号准确；清点数量准确；确认零件、附件是否有批量明显缺陷。
(2)、装配护圈和防尘罩：装防尘罩大口套入护圈小口部位，用夹具挤压护圈小口，压紧防尘罩；100％目测确认防尘罩方向正确、入槽、无折叠或凹陷变形；
(3)、轴杆装防尘罩和卡簧：将防尘罩小口部分沿轴杆花键方向套入轴杆卡簧槽中；100％目测确认防尘罩方向正确、入槽、无折叠或凹陷变形；装卡簧沿开口方向装入轴杆外花键部位卡簧槽中，并手感确认灵活、活动自如；
(4)、装配轴杆及防尘罩内注脂：将轴杆与内星轮内花键对正装入或拍入； 100％拉拔确认轴杆台阶与内星轮端面无脱落；100％摇摆和对打确认顺畅无卡滞，然后在防尘罩内注脂；
(5)、装配万向节与护圈：把护圈大口套入万向节台阶处，用夹具在设备上滚压护圈大口部，压紧护圈；100％目测确认确认护圈无脱落；
(6)、锁卡箍：确认卡箍表面有打批次号；防尘罩正确入槽；卡箍锁紧可靠、无歪斜、未扣牢等不良；100％目测；
(7)、总装配：
首先，把内星轮与保持架成90°装入保持架窗口中，然后将内星轮顺时针方向旋转90°使内星轮与保持架平齐并且内星轮球道与保持架窗口对齐；
将外星轮内腔朝向夹持在工作台上，然后将上一步完成的内星轮与保持架组合体与外星轮成90°装入外星轮中，顺时针方向旋转90°，确保内星轮(4) 球道、保持架窗口、外星轮球道对齐；
最后，在内星轮内花键孔中***摇摆芯棒向上摆到最大角度装入第1颗钢球后回正摇摆芯棒并向左下角摆到最大角度装入第2颗钢球后回正摇棒并向右下角摆到最大角度装入第3颗钢球，最后依次向下、向左上角、右上角将摇摆芯棒摆至最大摆角完成剩余3颗钢球的装配，确保每个固定端万向节内均有 6颗钢球。
(四)、检测操作：
首先进行表面清洁，然后使用油漆笔100％点检以下项目：
(1)、100％总高遏制
(2)、100％称重遏制；
(3)、100％摇摆和对打顺畅；
(4)、卡箍锁紧可靠、无歪斜、未扣牢相关不良；
(5)、表面无生锈、尖角毛刺相关不良
(6)、轴杆：内花键无漏加工、无漏铣槽、焊接档表面无磕碰伤相关不良；
(7)、产品标识完整正确、清晰易见；
(8)、防尘罩安装到位，无凹陷、变形、表面无破损、划伤相关不良。