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CN1228145A - 具有最优化滚动误差的恒速球窝节 - Google Patents

具有最优化滚动误差的恒速球窝节 Download PDF

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CN1228145A
CN1228145A CN97197350A CN97197350A CN1228145A CN 1228145 A CN1228145 A CN 1228145A CN 97197350 A CN97197350 A CN 97197350A CN 97197350 A CN97197350 A CN 97197350A CN 1228145 A CN1228145 A CN 1228145A
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Abstract

一种固定节型恒速球窝节具有有着在其内部纵向延伸的弧形外部滚珠轨道的一外部、有着在其外部纵向延伸的弧形内部滚珠轨道的一内部、许多被各自引导在相应的外部及内部滚珠轨道内的转矩传递滚珠、以及有着许多容纳滚珠的窗孔的一滚珠隔离圈。处于所需用以确保转矩传动的诸滚珠与外部及内部滚珠轨道相接触的诸接触点上的诸切向平面与外部及内部滚珠轨道在空间内构成一控制角2K。在介于外部及内部滚珠轨道与诸滚珠之间的诸接触点上的瞬时、局部相对速度的叠加形成了滚动误差△V。诸轨道被设计成当节头被弯曲时，最小控制角K与最小滚动误差△V的区域相一致。

Description

具有最优化滚动误差的恒速球窝节
描述
本发明涉及一种固定节(fixed joint)型恒速滚珠(ball)万向节，它具有有着在内部纵向延伸的弧形外部滚珠轨道(track)的一外节部分，具有有着在外部纵向延伸的弧形内部滚珠轨道的一内节部分，具有许多转矩传递滚珠，该滚珠被各自引导在相互关联的外部及内部滚珠轨道内，具有有着许多分别容纳滚珠的隔离圈(cage)窗孔的一滚珠隔离圈，其中诸接触点为转矩传递(transmitting)目的所需，接触点处滚珠的诸切面构成一空间控制角2K，并且在介于诸滚珠与外部及内部滚珠轨道之间的诸接触点中的瞬时局部(local)相对速度的叠加构成了滚动误差ΔV。
先前所知并制造的恒速滚珠万向节的负载支承能力在较大的联接(articulation)角上会大大减小。在某些情况下，此类节头在较大的联接角上会发出一种划擦(scratching)噪声。该噪声起因于介于诸滚珠与诸滚珠轨道之间的滑动，这种滑动是由存在于各个恒速滚珠节内的滚动误差所引起的。不得不考虑的是，各个滚珠上的负载以及诸滚珠的滚动误差在节头的一次转动中变化相当大，而且用作为法向(normal)力的最高滚珠负载大致发生在同时发生较大滚动误差的最小控制角的诸点上。因此，在高法向力的情况下的诸接触点内发生高滑动百分率，由此发生高摩擦能量损失。高度磨损、高温以及划擦噪声倾向的发生构成了进一步的缺点。
滚动误差ΔV可被认为是一滚珠中心的移动的瞬时速度分量，倘若该滚珠不被隔离圈所抑制(hold back)，并且倘若在该滚珠分别与外节部分及内节部分的滚珠轨道接触的接触点上不发生滑动的情况下，则该滚珠将以该速度分量离开隔离圈平面。
当CV(恒速)节处于联接状态中时，由于该滚动误差ΔV，诸滚珠常常会有离开隔离圈平面的倾向。这种倾向不得不由隔离圈来加以抵消，即该隔离圈克服诸滚珠相对于滚珠轨道的滚动倾向来移动它们。
在不具备隔离圈功能的情况下，诸滚珠仅仅在滚动误差ΔV等于0的情况下才保留在等分角(angle-bisecting)平面内。在后一种状态下，滚珠将在其两个接触点内滚动，并将保留在其位于隔离圈平面内的诸位置上。
该滚动误差ΔV取决于参照通过节头部件的诸轴线的节联接平面的一滚珠的相应的相位角θ。
在一次节转动期间，各滚珠仅在两个相位上满足ΔV等于0的滚动状态，在此状态中，诸滚珠保留在它们自己的隔离圈平面内。
在所有其它的相位角上，隔离圈不得不将诸滚珠保持在隔离圈平面内，此时诸滚珠在与滚珠轨道的诸接触点上有所滑动。
由作用在诸滚珠上的支撑力所采取的行动方向(course)也随着相位角θ的变化而变化。所述支撑力是以接触角δ作用在诸滚珠上的法向力。
已有技术中的节头的不足之处在于，在具有较大支撑力的区域中存在着一相当大的滚动误差。高滚动误差、即与较大支撑力相结合的高滑动百分率引起高摩擦，并由此引起高度磨损，而且引起较大的内节力，它会减小节头、尤其隔离圈的最大负载支承能力。
鉴于上述缺点，本发明的目的在于提供固定节型的恒速滚珠万向节，它的特点在于，在联接状态下减小摩擦力，并由此减小磨损，并具有较高的转矩传递能力。
根据本发明，轨道被设计成当节头被联接时，最小控制角与最小滚动误差的区域相一致(coincide)。有利的设计以及进一步的实施例在子权项中有所描述，这里援引其内容。
通过将较小的空间控制角的区域安排在较小的滚动误差区域中，在诸滚珠作几乎纯滚动移动期间，在较小的空间控制角上产生较大的支撑力。
下面通过参考现有技术状况及附图将描述本发明解决方案的较佳实施例，其中：
图1示出了一种已有技术的固定节型恒速滚珠万向节
a)在一轴向视图中
b)以纵剖切形式。
图2示出了位于不同相位上的与图1相对应的所述种类的一种节头的诸滚珠
a)在该节头的一轴向视图中
b)以通过该节头的纵剖切形式。
图3示出了本发明的一种具有不对称延伸的轨道的节头的第一轨道实施例
a)在该节头的一轴向视图中
b)以通过该节头的纵剖面形式。
图4以纵剖面形式示出了由与图3相对应的轨道所采用的行动方向的一种变化形式。
图5示出了本发明的一种节头的第二轨道实施例，它具有有着一紧靠的(close)曲率的轨道
a)在该节头的一轴线视图中
b)以通过该节头的纵剖面形式
图6以纵剖面形式示出了由与图5相对应的轨道所采用的行动方向的一种变化形式。
图7示出了具有如图3和图5所示的那样延伸的轨道的一种节头的一实施例。
图8给出了与现有技术状况相对应的所述种类的一种节头在联接状态下、作为相位角的函数的诸特征值，即
a)空间控制角K
b)传递力Fn
c)滚动误差ΔV
在各种情况下作为相位角θ的函数。
图9给出了与图3相对应的一种发明的节头的一滚珠的特征值，即
a)空间控制角K
b)滚动误差ΔV
在各种情况下作为相位角θ的函数。
图10给出了与图4相对应的一种发明的节头的一滚珠的特征值，即
a)空间控制角K
b)滚动误差ΔV
在各种情况下作为相位角θ的函数。
图11给出了与图5相对应的一种发明的节头的一滚珠的特征值，即
a)空间控制角K
b)滚动误差ΔV
在各种情况下作为相位角θ的函数。
图12给出了与图6相对应的一种发明的节头的一滚珠的特征值，即
a)空间控制角K
b)滚动误差ΔV
在各种情况下作为相位角θ的函数。
下面将联合描述图1中的两幅图。该恒速滚珠万向节包括一外节部分11、一内节部分12、也称之为滚珠毂盘(hub)、具有诸隔离圈窗孔14的一滚珠隔离圈13、以及保持在诸隔离圈窗孔中的诸滚珠15。这些滚珠接合外节部分中的外部滚珠轨道21与内节部分中的内部滚珠轨道22。在图A中，这些滚珠的底部不切口(undercut-free)，因此该节头被称之为一UF节。隔离圈的外球面23被引导在外节部分11的内球面24中，以便该节头构成一绕一固定节中心M枢转的固定节。类似地，内节部分的外球面25被引导在滚珠隔离圈的内球面26中。一齿式轴颈27连接至外节部分11。内节部分12具有用于插入一轴的一齿式内孔28。
图2示出了位于不同相位上的滚珠(未更详细地参考表示)，这些相位是由相位角θ来表示的、以一假想的节联接平面XZ为基准。这些滚珠没有按其互相相联系的特定方式来表示，即诸滚珠并不体现节头中各滚珠按其功能及由隔离圈决定的实际位置，而如图所示，表示位于不同相位上的某一个滚珠处于近似于圆形轨道，此时节在联接状态中转动。在左侧图中，由滚珠隔离圈的中心平面所确定的滚珠共平面XZ体现绘制平面，在右侧图中，它(XZ平面)相对于绘制平面垂直延伸。相对于该平面XZ，两个其它的节头部分、即外节部分和内节部分通过大小相等并在相对方向上延伸的角度联接，这些角的大小为联接角的一半。
下面通过参阅图2将描述恒速万向节的滚动误差，其中术语节段(piece)也用于外节部分，其中术语滚珠毂盘也用于内节部分，此外，所使用的符号如下所示：
ΔV-滚动误差
Vkn-滚珠毂盘与一滚珠之间的接触点上的瞬时速度分量
Vgs-外节部分与一滚珠之间的接触点上的瞬时速度分量
R0-滚珠的滚动圆的半径
Rkn-从节联接平面到一滚珠与滚珠毂盘之间的接触点的半径
Rgs-从节联接平面到一滚珠与外节部分之间的接触点的半径
ωkn-滚珠毂盘的角速度
ωgs-外节部分的角速度
ωzgs-外节部分的角速度的垂直分量
ωzkn-滚珠彀盘的角速度的垂直分量
θ-参照联接平面的一滚珠的相位角
δ-作用在一滚珠上的支撑力的压力角。
在图2中，参考系统XYZ由隔离圈平面XZ与隔离圈轴线Y所确定。该平面XZ是介于外节部分与滚珠毂盘的轴线之间的等分角平面，一恒速万向节的诸滚珠将被保持在该平面中。平面YZ是节联接平面，即在外节部分与滚珠毂盘的轴线之间延伸的平面。所示的处于角δ上的诸滚珠上的诸对矢量为接触点上的支撑力或者法向力Fn。矢量简图示出了旋转与相应的瞬时转动的轴线。滚动误差ΔV可被认为是一滚珠中心的移动的瞬时速度分量，倘若假设在一滚珠分别与外节部分及滚珠毂盘的滚珠轨道接触的接触点上不发生滑动的情况下，则该滚珠将以该速度分量离开隔离圈平面：ΔV=(1/2)(Vkn+Vgs)。
该滚动误差ΔV取决于参照一滚珠相对于由节组件所确定的节联接平面YZ的该滚珠的位置上的相应的相位角θ。在诸滚珠保留在它们自己一致的隔离圈平面内的条件下，该滚动误差ΔV=0。
倘若符合下列条件：
ΔV=0=Vkn+Vgs
Vkn是滚珠毂盘与一滚珠之间的接触点上的瞬时速度分量，垂直于隔离圈平面延伸；Vgs是外节部分与一滚珠之间的接触点上的瞬时速度分量，垂直于隔离圈平面延伸。仅仅当这些速度在相对方向上的大小与操作相一致的情况下(使滚动误差ΔV为零)才成立。
因此，不得不提供下式：
0=Rkn×ωzkn+Rgs×ωzgs.
该条件由Rkn=Rgs来得以满足。在节头的一次转动期间，该条件仅仅在两个相位上可得到满足。
在图3的左侧图中示出了在本发明的节头的一横截面图中的滚珠的位置，在右侧图中示出了在一相应发明的节头根据平面BB的一纵截面图中的滚珠的位置，该平面BB还如图2中所示平行于节联接平面YZ。可看到一通过节中心的径向轴线(axis)YZ，下面，它起到一参考平面的作用。在轴线Z中，设置着第一滚珠，它由支撑力支撑在一接触角δ上。在与该接触角δ相对应的一角θ上引入一条辐射状直线(ray)。倘若一滚珠位于该位置上，在滚珠接触点上的法向力Fn平行于平面YZ作用，其中滚珠中心位于所述辐射状直线与直径R0的滚动圆之间的交点上。平面BB由所述滚珠中心所确定，并平行于参考平面YZ。
如在右侧剖视图上可以看到的那样，所述平面BB构成并包含位于外节部分与内节部分中的滚珠轨道的圆周中心线，它们具有围绕一位于滚动圆的轴线X上并位于平面BB中的共有中心M1的曲率半径RⅠ。所示的位于剖视图BB中的轨道是真实的，即相对于通过节轴线的一纵截面图，位于内节部分与外节部分中的轨道延伸在一偏移的平面内。
由于所述轨道行动方向的原因，因此这些区域中的法向力既发生在平面BB内(滚动误差ΔV=0)，又发生在平面XY内(控制角K=0)，即滚动误差ΔV=0和控制角K=0的条件相一致，本发明利用这点以确保在发生较高的法向力(较小的控制角)的那些区域内也存在着较小的滚动误差。
由于当节头处于对齐(aligned)状态下时，曲率半径的中心的相一致的位置的原因，因此所示的位于剖视图BB中的轨道不会产生任何控制力，由此在隔离圈上不具有定中心(centring)的作用，故在该方面有可能改善。
图4示出了一轨道行动方向，它是相对于图3所示轨道行动方向的变化形式，并可移到图3的平面BB中去。图中示出了四个不同的弧形部分，这四个部分具有两个不同的中心，这四部分如下所示：
Ⅰ-围绕M1的一段圆弧
Ⅲ-其角度相对于Y方向大约为6至8度的一条切向邻接直线
Ⅳ-围绕M2、切向邻接Ⅲ的一段圆弧
Ⅱ-围绕M1、切向邻接Ⅳ的一段圆弧。
这种安排确保了至少在较大的联接角上满足本发明的条件、即较高的法向力上的较小的滚动误差。重要的是，联接角增加，则法向力的最大值也增加。
在图5的左侧图中示出了具有两个滚珠位置的一种发明的节头的滚珠组件的局部剖视图，在右侧图中示出了在通过平面AA的纵截面图中的相应的发明的节头。图中示出了第一径向平面Z，一滚珠首先设置在该平面上。如图所示，诸滚珠上的支撑力处于一接触角δ上。如图所示，确定第二滚珠位置的一条辐射状直线处于一相位角θ=δ上。还是如图2所示，处于相同时刻上的平面YZ构成右侧图中所示的剖切平面AA。在所述平面中，正确地示出了轨道的中心线位于外节部分与内节部分中，它们包括围绕位于平面AA中、但距离节头的纵向中心轴线Y有一定距离的一共有中心M2的曲率半径RⅠ。从轴线到中心M2的距离计为(sin2δ)R0，其中R0为滚动圆的直径；因此，半径RⅠ自身计为R0cos2δ。通过减小半径的大小，在较高的作用力的区域内减小了介于滚珠毂盘与滚珠以及外节部分与滚珠的接触点之间的速度差异，而在较低的作用力的区域内，可能发生更大的滚动误差。
由于处于较小的节联接角上的曲率半径的中心的相一致的位置的原因，因此位于平面AA中的滚珠轨道不会产生任何作用在滚珠上的控制力，由此不会向隔离圈施加任何返回力。因此，可以改善对隔离圈的控制。
图6示出了一轨道行动方向，它不同于图5中所示的轨道行动方向，并可移到图5的平面AA中去。该轨道行动方向覆盖四个区域，这四个区域如下所述：
Ⅰ-围绕M2Ⅰ的一段圆弧
Ⅲ-其角度相对于Y轴线大约为6至8度的一条切向邻接Ⅰ的直线
Ⅳ-围绕M3、切向邻接Ⅲ的一段圆弧
Ⅱ-围绕M2Ⅱ、切向邻接Ⅳ的一段圆弧。
从纵向节轴线到节中心M2Ⅰ的距离计为RⅡsin2δ，并且从该纵向节轴线到中心M2Ⅱ的距离计为RⅢsin2δ。
图7示出了一种节头控制系统的一实施例，它可被移至与图3和图5相对应的节头实施例，并且该例已被了解。参考数字仅仅给出了隔离圈13、滚珠毂盘12和外节部分11，以及具有位于滚珠毂盘12中的一滚珠节形联接点32和位于外节部分11中的一滚珠节形联接点31的一控制柄29，两处都位于轴向位置上，该控制柄29还具有一控制头30，该控制头与隔离圈13相协作，并且处于较小的节联接角上，相同可靠地引导至介于滚珠毂盘12与外节部分11相应的轴线A1、A2之间的等分角位置上。
图8示出了用于与现有技术状况相对应的所述种类的一种节头的一滚珠上的各种特征值，例如如图1中所示，其中作为节转动角θ进行描述的角与图2中的相位角θ相对应。所示的位于上方的空间控制角K具有当节头被联接时在滚珠360度转动中有两点为零。在控制角的图解中以及在两幅进一步的图解中给出了以这种方式所形成相交θ01、θ02。在中部内，示出了滚珠上的支撑力，在这种情况下，该支撑力可被称之为传递力，并包括两个最大值和两个最小值。可看到，最大传递力Fn位于相位角θ01和θ02附近。这意味着所述相位角、传递力Fn1和Fn2很高。
在下方的图示中，示出了作为相位角的函数的滚动误差ΔV，它具有在滚珠转动中相交的两个零。处于相位角θ01、θ02上的滚动误差Δv1、Δv2清楚地自零偏离或者接近一最大值。当看着两个其它的图示时，可以看到，尤其在较大的支撑力Fn上，滚动误差ΔV自零有相当大的偏离。
图9至12示出了两种滚珠参数，从图8中所知，各参数用于本发明的一种节头。图9示出了盛行在与图3相对应的一种节头上的状态，图10示出了盛行在与图4相对应的一种节头上的状态，图11示出了盛行在与图5相对应的一种节头上的状态，以及图12示出了盛行在与图6相对应的一种节头上的状态。形成空间控制角K的零交点，以使其与滚动误差ΔV的零交点相近似一致。鉴于这样一个事实、即空间控制角K=0，传递力Fn已近似达到它们的最大值，最大的传递力较有利地与最小的滚动误差ΔV相一致。与图10和12相对应的节头的空间控制角中的不规则点如与图4和6相对应的节头中的那样是由轨道的组合曲线所引起的。通过近似拟合所述曲线行动方向，例如借助于多项式逼近法，可消除所述不规则点。

Claims (15)

1．一种固定节型恒速滚珠万向节，具有有着在内部纵向延伸的弧形外部滚珠轨道(21)的一外节部分(11)，具有有着在外部纵向延伸的弧形内部滚珠轨道(22)的一内节部分(12)，具有许多转矩传递滚珠(15)，所述滚珠被各自引导在相互关联的所述外部及内部滚珠轨道内，具有有着许多分别容纳滚珠(15)的隔离圈窗孔(14)的一滚珠隔离圈(13)，其中处于诸滚珠与外部及内部滚珠轨道相接触的诸接触点上的诸切向平面、其中所述诸接触点为转矩传递目的所需-构成一空间控制角2K，并且在介于诸滚珠(15)与外部及内部滚珠轨道(21,22)之间的所述诸接触点中的瞬时局部相对速度的叠加构成了滚动误差ΔV，其特征在于，以这样一种方式来设计所述轨道，即当所述节头处于一种联接状态下时，最小控制角K与最小滚动误差ΔV的区域相一致。
2．如权利要求1所述的节头，其特征在于，当所述节头处于一种对齐状态下时，所述相互关联的外部及内部滚珠轨道的中心线各自定位在平面BB中，在一对应的圆周方向(sense)中，所述平面BB偏移平行于通过所述内节部分与所述外节部分的相一致的中心轴线的径向参考平面YZ(图3、4)。
3．如权利要求2所述的节头，其特征在于，当所述节头处于所述对齐状态下时，一平面BB与诸滚珠的滚动圆R0近似相交在与远离一参考平面YZ接触角δ的一辐射状直线的同一点上，其中所述接触角δ被定义为位于通过所述对齐的节头的横截面内的、介于滚珠上的支撑力的作用线与通过所述滚珠的一径向辐射状直线之间的角(图3)。
4．如权利要求2或者3中的任一权利要求所述的节头，其特征在于，当所述节头处于所述对齐状态下时，所述相互关联的外部及内部滚珠轨道的中心线与具有一共有中心M1的诸圆弧一致(图3)。
5．如权利要求2或者3中的任一权利要求所述的节头，其特征在于，当所述节头处于所述对齐状态下时，所述相互关联的、位于一中心区域内的外部及内部滚珠轨道的中心线各自构成诸圆弧，所述圆弧的中心M3相对于所述对齐的节头的中心平面(滚动圆平面)在相对方向上轴向偏移，并相对于所述内节部分与所述外节部分的相一致的中心轴线径向偏移(图4)。
6．如权利要求5所述的节头，其特征在于，所述位于一区域Ⅳ中的圆弧覆盖一大约10至15度的角，在其一端处邻接着位于一区域Ⅲ内、处于一相对于相一致的中心线大约6至8度角上、接着邻接着位于一区域Ⅰ内的具有较大半径RⅡ的一圆弧的一条直线，在其另一端处直接邻接着位于一区域Ⅱ内、具有较大半径RⅢ的一圆弧(图4)。
7．如权利要求6所述的节头，其特征在于，具有较大半径RⅡ、RⅢ的两条圆弧具有位于对齐的节头的中心平面内(滚动圆平面)的一共有中心M1(图4)。
8．如权利要求1所述的节头，其特征在于，当所述节头处于对齐状态下时，所述相互关联的外部及内部滚珠轨道的中心线定位在一通过所述内节部分与所述外节部分的相一致的中心轴线的一径向平面BB内，并包括其曲率半径RⅠ小于滚动圆半径R0的圆弧(图5、6)。
9．如权利要求8所述的节头，其特征在于，所述曲率半径RⅠ大致计为R0cos2δ，其中接触角δ为位于通过所述对齐的节头的横截面内的、介于滚珠上的支撑力的作用线与通过所述滚珠的一径向辐射状直线之间的角(图5)。
10．如权利要求8所述的节头，其特征在于，所述相互关联的外部及内部滚珠轨道的中心线体现了围绕着定位在所述对齐的节头的中心平面内(滚动圆平面)的一共有中心M2的相同的圆弧(R1)(图5)。
11．如权利要求8所述的节头，其特征在于，所述相互关联的外部及内部滚珠轨道的中心线在一中心区域Ⅳ内各自包括其中心M3相对于所述对齐的节头的中心平面(滚动圆平面)在相对方向上轴向偏移，并相对于所述相一致的中心轴线径向偏移的圆弧(图6)。
12．如权利要求11所述的节头，其特征在于，所述位于一区域Ⅳ中的圆弧覆盖一大约10至15度的角，在其一端处邻接着位于一区域Ⅲ内、处于一相对于相一致的中心线大约6至8度角上、接着邻接着位于一区域Ⅰ内的一圆弧(RⅡ)的一条直线，在其另一端处直接邻接着位于一区域Ⅱ内的一圆弧(RⅢ)(图6)。
13．如权利要求12所述的节头，其特征在于，所述最终的圆弧(RⅡ,RⅢ)包括定位在所述对齐的节头的中心平面(滚动圆平面)内的诸中心，所述各中心具有所述相一致的中心轴线有一段距离，所述距离大致分别计为sin2δ×RⅡ和sin2δ×RⅢ，其中所述接触角δ被定义为位于通过所述对齐的节头的横截面内的、介于滚珠上的力的作用线与通过所述滚珠的一径向线之间的角(图6)。
14．如权利要求5至13中的任一权利要求所述的节头，其特征在于，由诸直线和圆弧组成的所述中心线由例如多项式逼近法近似地表示。
15．如权利要求1至13中的任一权利要求所述的节头，其特征在于，用于强制控制的所述滚珠隔离圈与一控制柄相协作，所述控制柄包括位于所述外节部分的中心轴线上以及位于所述内节部分的中心轴线上的诸联接点，并借助于位于其间的一控制点作用在滚珠隔离圈上(图7)。
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