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摘要：基于Matlab软件研究了三球销式等速万向节与四球销式等速万向节的圆周间隙变化规律，分析结果表明：在相同的尺寸规格和加工精度条件下，两者波动幅度相当，并且在任意摆角下转动一周，四球销式等速万向节圆周间隙角度值存在四次波动，而传统的三球销式等速万向节存在六次波动；四球销式等速万向节波动性要比三球销式等速万向节小，其对汽车行驶过程中振动和噪声的影响也较小，分析结果为开发和应用该新结构形式的球销式等速万向节提供理论依据。
关键词：三球销式等速万向节；四球销式等速万向节；圆周间隙
引言
汽车传动轴能够实现输入轴和输出轴存在夹角情况下的等角速度传动[1]，是汽车传动系统中的重要部件之一。等速万向节总成通常装在末端减速齿轮与车轮或差速器之间的机械部件。等速万向节总成大多数可以由一套等速万向节、中间轴及其它零件或两套等速万向节共同组成，以实现传递运动和扭矩。最常见的等速万向节驱动轴总成采用中间轴和伸缩滑移型等速万向节、中心固定型等速万向节的组合形式。此种组合形式不仅可以解决运行过程中出现的运动学问题，还有着降低振动和噪音，同时减少滑动阻力的优点。
目前等速驱动轴滑移端通常采用三球销式等速万向节，由于经济性能优良，使用性能可靠，在前轮驱动为布局的经济型轿车中得到非常广泛的应用。但是三球销式等速万向节也有自身的缺陷，是因为没有充分利用万向节内部已有的空间，球环数只有三个，所以不可避免的的出现承载能力低和额定载荷小的短处。为了使三球销式等速万向节能够达到额定载荷，就必须使其外形尺寸增大。三球销式等速万向节的三销架的三个销轴、三柱槽壳三个沟道均为三等分，从而造成了非对称的奇数结构，不仅简单的增加了检测和加工的难度，并且加工后尺寸精度也不易保证，大大提高加工成本，以致降低了生产效率。
由于三球销式等速万向节存在着上述的种种不足之处，创新设计出了一种结构新颖的四球销式等速万向节。四球销式等速万向节由四柱槽壳、传动轴、四销架、四个球环组成。
四销架结构特点可以归纳如下：借助花键的结构并将其安装在传动轴上，同时转动轴由开口的弹性挡圈锁紧；四个球环分别于四柱槽壳的四等分沟道配合，同时通过滚针安装在四等分的四销架上。当主、从动轴有角位移和轴向位移同时发生的情况，四销架结构便可传递转矩和运动。通过研究证明：在相同规格下，四球销式等速万向节与三球销式等速万向节相比较，前者的承载能力提高了33.3%。并且由于四球销式等速万向节是四等分结构，加工制造及检测难度降低，在相同的承载要求下，四球销式等速万向节可以减小槽壳尺寸，节省一定的几何空间。
1运动模型建立
由于设计时预留的间隙和制造时产生的加工误差等因素，使万向节在装配后，零件间存在着间隙。当万向节回转方向间隙过大时，万向节的内部零件间会产生冲击、噪声，同时亦严重影响着产品的可靠性和寿命。此外，过大的回转间隙还会受其他驱动系的影响产生振动。万向节性能的好坏直接影响汽车行驶的平稳与乘坐的舒适性。通过等速万向节圆周间隙分析，根据其内部结构，得出引起圆周间隙的原因。针对原因，可以对现有的产品设计和制造工艺进行改进，最终达到提高产品的综合性能的目的。
建立四球销式等速万向节的空间坐标系如图2， 对圆周间隙进行分析和计算，图中设定X轴与槽壳轴线同轴，设定Y轴垂直向上，设定Z轴与XOY面垂直，设定原点O位于槽壳轴线与球环球心所在平面的交点，设最上方球环的中心为O1，当四销架相对于槽壳存在角位移β时，球环中心由O1移动至O3，当万向节再转动α角时，球环球心由O3移动到O4，所以O4为球环球心在任意摆角和转角下的位置。
陈翔等利用空间立体几何学中的原理与零件组之间相互关联的尺寸，最终推导得到三球销式等速万向节圆周方向的间隙计算公式[2]，其公式如下
上式中，E1代表滚针与球环之间的双边余量间隙，E2代表球环与滚道之间的双边余量间隙，那么E1+E2表示实际安装间隙值的制造公差；当摆角为零时，α表示三球销转动角度，β表示轴线相对于三柱槽壳轴线摆动角度，R是常量，表示球环中心到回转中心的距离，ε是单个球环在任意摆角和转角下的圆周间隙角度值。
由式（1）可知，球销式等速万向节的圆周间隙与制造公差、转角、摆角、球环的回转半径相关，与球环的半径无关，并且圆周间隙角度值随转角和摆角的变化而改变。
2圆周间隙分析与比较
滑移端球销式等速万向节的实际使用摆角范围一般在±23°之间，根据某型三球销式等速万向节的具体结构参数可知：E1 =0.01mm， E2=0.01mm，R=24.7mm，当三球销摆角为23°时，作出滑移端的圆周间隙角度值的变化规律如下：
分析三球销式等速万向节极限夹角下的圆周间隙规律，波动情况 次数 ，幅度等1
在最大工作夹角时，三球销万向节每转动一周，圆周间隙值出现六次周期性波动，其中最大值分别出现在转角为30°，90°，150°，210°，270°和330°（以球环①为起始角度为0°计）的位置，最大值达2.68′，最小值分别出现在转角为0°，60°，120°，180°，240°，300°位置，最小值为2.545′.
同理，由式（1）可得四球销式等速万向节在极限工作夹角下的圆周间隙变化规律如下：
最大工作夹角下时，四球销式等速万向节每转动一周，圆周间隙值则出现四次周期性的波动，最大值分别出现在转角为45°，135°，225°和315°（以球环①为起始角度为0°计）的位置，最大值达2.82′，最小值分别出现在转角为0°，90°，180°，270°位置，最小值为2.54′。
由图3和图4对比分析可得，在相同尺寸规格及加工精度下，四球销式等速万向节转动一周有四次圆周间隙波动，而传统的三球销式等速万向节在转动一周的情况下，圆周间隙出现六次周期性的波动，而四球销式等速万向节的圆周间隙值的波动幅度比三球销式等速万向节稍大，总体来看，四球销式等速万向节可以减小传动过程中的圆周间隙波动。
将该型号的四球销式等速万向节的各参数值代入公式（1）后，可以得到四球销式等速万向节在任意转角下转动一周的圆周间隙变化规律如下所示。
3结论
由四球销式等速万向节圆周间隙随摆角和转角的变化规律可以得到以下结论：
3.1当四球销式等速万向节输入端轴线（四柱槽壳）与输出端轴线（四销轴）夹角为0时（β=0°），其圆周间隙角度值不变，即不随转角的变化而变化，此时，四球销式等速万向节圆周间隙角度值为常量，不呈现出波动性。
3.2随着夹角β的增大，四球销式等速万向节的间隙角度值波动性逐渐增大，在最大工作夹角下，波动性达到最大值。当万向节在任意夹角下转动一周，四球销式等速万向节圆周间隙值有四次波动，传统的三球销式等速万向节圆周间隙值有六次波动。此波动是引起汽车行驶过程中的震动、噪声根源之一。
3.3在相同工况下，四球销式等速万向节圆周间隙角度值波动性，比传统的三球销式等速万向节圆周间隙角度值总的波动性要小。因此，四球销式等速万向节有利于减小汽车行驶过程中的振动和噪声。
综上所述，创新设计所得到的四球销式等速万向节与原有的三球销式等速万向节进行比较后，发现：四球销式等速万向节改善了万向节的应力状况，提高万向节的承载能力。四球销式等速万向节圆周间隙角度值波动性，与相同工况条件下的三球销式等速万向节相比：波动性明显减小，从而汽车行驶过程中的振动和噪声的影响同时小。在承载能力和圆周间隙方面，创新设计所得到四球销式等速万向节表现出良好的特性。通过研究和分析结果，这也为开发和应用新结构形式的球销式等速万向节提供系统、科学、精确的理论依据。
参考文献：
[1]邹阳. 汽车等速万向节摆角和滑移量检测的分析和研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.
[2]陈翔，郭常宁，陆勤.等. 三球销式等速万向节圆周间隙分析[J].轴承.2009，7：7-11.
[3]黄钟灵，郭常宁，石宝枢.球笼式等速万向节圆周间隙分析[J].上海交通大学学报2011年09期.
关键词：三球销式等速万向节；四球销式等速万向节；圆周间隙
引言
汽车传动轴能够实现输入轴和输出轴存在夹角情况下的等角速度传动[1]，是汽车传动系统中的重要部件之一。等速万向节总成通常装在末端减速齿轮与车轮或差速器之间的机械部件。等速万向节总成大多数可以由一套等速万向节、中间轴及其它零件或两套等速万向节共同组成，以实现传递运动和扭矩。最常见的等速万向节驱动轴总成采用中间轴和伸缩滑移型等速万向节、中心固定型等速万向节的组合形式。此种组合形式不仅可以解决运行过程中出现的运动学问题，还有着降低振动和噪音，同时减少滑动阻力的优点。
目前等速驱动轴滑移端通常采用三球销式等速万向节，由于经济性能优良，使用性能可靠，在前轮驱动为布局的经济型轿车中得到非常广泛的应用。但是三球销式等速万向节也有自身的缺陷，是因为没有充分利用万向节内部已有的空间，球环数只有三个，所以不可避免的的出现承载能力低和额定载荷小的短处。为了使三球销式等速万向节能够达到额定载荷，就必须使其外形尺寸增大。三球销式等速万向节的三销架的三个销轴、三柱槽壳三个沟道均为三等分，从而造成了非对称的奇数结构，不仅简单的增加了检测和加工的难度，并且加工后尺寸精度也不易保证，大大提高加工成本，以致降低了生产效率。
由于三球销式等速万向节存在着上述的种种不足之处，创新设计出了一种结构新颖的四球销式等速万向节。四球销式等速万向节由四柱槽壳、传动轴、四销架、四个球环组成。
四销架结构特点可以归纳如下：借助花键的结构并将其安装在传动轴上，同时转动轴由开口的弹性挡圈锁紧；四个球环分别于四柱槽壳的四等分沟道配合，同时通过滚针安装在四等分的四销架上。当主、从动轴有角位移和轴向位移同时发生的情况，四销架结构便可传递转矩和运动。通过研究证明：在相同规格下，四球销式等速万向节与三球销式等速万向节相比较，前者的承载能力提高了33.3%。并且由于四球销式等速万向节是四等分结构，加工制造及检测难度降低，在相同的承载要求下，四球销式等速万向节可以减小槽壳尺寸，节省一定的几何空间。
1运动模型建立
由于设计时预留的间隙和制造时产生的加工误差等因素，使万向节在装配后，零件间存在着间隙。当万向节回转方向间隙过大时，万向节的内部零件间会产生冲击、噪声，同时亦严重影响着产品的可靠性和寿命。此外，过大的回转间隙还会受其他驱动系的影响产生振动。万向节性能的好坏直接影响汽车行驶的平稳与乘坐的舒适性。通过等速万向节圆周间隙分析，根据其内部结构，得出引起圆周间隙的原因。针对原因，可以对现有的产品设计和制造工艺进行改进，最终达到提高产品的综合性能的目的。
建立四球销式等速万向节的空间坐标系如图2， 对圆周间隙进行分析和计算，图中设定X轴与槽壳轴线同轴，设定Y轴垂直向上，设定Z轴与XOY面垂直，设定原点O位于槽壳轴线与球环球心所在平面的交点，设最上方球环的中心为O1，当四销架相对于槽壳存在角位移β时，球环中心由O1移动至O3，当万向节再转动α角时，球环球心由O3移动到O4，所以O4为球环球心在任意摆角和转角下的位置。
陈翔等利用空间立体几何学中的原理与零件组之间相互关联的尺寸，最终推导得到三球销式等速万向节圆周方向的间隙计算公式[2]，其公式如下
上式中，E1代表滚针与球环之间的双边余量间隙，E2代表球环与滚道之间的双边余量间隙，那么E1+E2表示实际安装间隙值的制造公差；当摆角为零时，α表示三球销转动角度，β表示轴线相对于三柱槽壳轴线摆动角度，R是常量，表示球环中心到回转中心的距离，ε是单个球环在任意摆角和转角下的圆周间隙角度值。
由式（1）可知，球销式等速万向节的圆周间隙与制造公差、转角、摆角、球环的回转半径相关，与球环的半径无关，并且圆周间隙角度值随转角和摆角的变化而改变。
2圆周间隙分析与比较
滑移端球销式等速万向节的实际使用摆角范围一般在±23°之间，根据某型三球销式等速万向节的具体结构参数可知：E1 =0.01mm， E2=0.01mm，R=24.7mm，当三球销摆角为23°时，作出滑移端的圆周间隙角度值的变化规律如下：
分析三球销式等速万向节极限夹角下的圆周间隙规律，波动情况 次数 ，幅度等1
在最大工作夹角时，三球销万向节每转动一周，圆周间隙值出现六次周期性波动，其中最大值分别出现在转角为30°，90°，150°，210°，270°和330°（以球环①为起始角度为0°计）的位置，最大值达2.68′，最小值分别出现在转角为0°，60°，120°，180°，240°，300°位置，最小值为2.545′.
同理，由式（1）可得四球销式等速万向节在极限工作夹角下的圆周间隙变化规律如下：
最大工作夹角下时，四球销式等速万向节每转动一周，圆周间隙值则出现四次周期性的波动，最大值分别出现在转角为45°，135°，225°和315°（以球环①为起始角度为0°计）的位置，最大值达2.82′，最小值分别出现在转角为0°，90°，180°，270°位置，最小值为2.54′。
由图3和图4对比分析可得，在相同尺寸规格及加工精度下，四球销式等速万向节转动一周有四次圆周间隙波动，而传统的三球销式等速万向节在转动一周的情况下，圆周间隙出现六次周期性的波动，而四球销式等速万向节的圆周间隙值的波动幅度比三球销式等速万向节稍大，总体来看，四球销式等速万向节可以减小传动过程中的圆周间隙波动。
将该型号的四球销式等速万向节的各参数值代入公式（1）后，可以得到四球销式等速万向节在任意转角下转动一周的圆周间隙变化规律如下所示。
3结论
由四球销式等速万向节圆周间隙随摆角和转角的变化规律可以得到以下结论：
3.1当四球销式等速万向节输入端轴线（四柱槽壳）与输出端轴线（四销轴）夹角为0时（β=0°），其圆周间隙角度值不变，即不随转角的变化而变化，此时，四球销式等速万向节圆周间隙角度值为常量，不呈现出波动性。
3.2随着夹角β的增大，四球销式等速万向节的间隙角度值波动性逐渐增大，在最大工作夹角下，波动性达到最大值。当万向节在任意夹角下转动一周，四球销式等速万向节圆周间隙值有四次波动，传统的三球销式等速万向节圆周间隙值有六次波动。此波动是引起汽车行驶过程中的震动、噪声根源之一。
3.3在相同工况下，四球销式等速万向节圆周间隙角度值波动性，比传统的三球销式等速万向节圆周间隙角度值总的波动性要小。因此，四球销式等速万向节有利于减小汽车行驶过程中的振动和噪声。
综上所述，创新设计所得到的四球销式等速万向节与原有的三球销式等速万向节进行比较后，发现：四球销式等速万向节改善了万向节的应力状况，提高万向节的承载能力。四球销式等速万向节圆周间隙角度值波动性，与相同工况条件下的三球销式等速万向节相比：波动性明显减小，从而汽车行驶过程中的振动和噪声的影响同时小。在承载能力和圆周间隙方面，创新设计所得到四球销式等速万向节表现出良好的特性。通过研究和分析结果，这也为开发和应用新结构形式的球销式等速万向节提供系统、科学、精确的理论依据。
参考文献：
[1]邹阳. 汽车等速万向节摆角和滑移量检测的分析和研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.
[2]陈翔，郭常宁，陆勤.等. 三球销式等速万向节圆周间隙分析[J].轴承.2009，7：7-11.
[3]黄钟灵，郭常宁，石宝枢.球笼式等速万向节圆周间隙分析[J].上海交通大学学报2011年09期.