CN103982560B - 定向式等速球笼万向节 - Google Patents

Abstract

新型球笼，以钢球固定在输入端的直径上，以周期时间定制空间轨道作输出端。应用时间与空间互换的原理，将定向轨道叠加在钢球上。得到与输入全等的速度。几何原理中：三维球体呈稳定性，不能产生三维运动，三维运动产生在四维空间中～第四维是时间，以周期时间定制钢球走向的空间。他的全程路径是一个莫比乌斯怪圈，途中四次转向，两次逆行将转向夹角转移到球面完成。定向式球笼是立体运转，球笼显著变化的特征表现在体积，重量最大可降低40％。定向式球笼万向节出力方式为正，反两面对偶作用，触点效应与承载能力都有成倍增加，定向式球笼万向节具有完整的三个自由度，转向夹角无论如何变化，定向式球笼万向节都能视同不变。星形轮工作时处于悬浮状态，能够基本消除自耗。

Description

定向式等速球笼万向节

技术领域

本发明涉及一种通用机械传动用零部件，球笼式等速万向节，它的作用在各种不在一条轴线上的两轴间动力与负载之中起连接作用，主要用在乘用汽车与各动态变向传动装置中。

技术背景

Birfield等速球笼万向节，依据其理论，主动轴，从动轴之间夹角α发生变化时，传力钢球中心始终位于两轴交角的平分面上，并且到两轴线的距离相等，△COA≌△COB，从而保证了主、从动轴以相等的角速度旋转。

依据仅从一个平面得出的，等速球笼万向节的运动副组成构件为四件。钢球是传力介质，保持架是换向器(夹持钢球强制换向)。在转向夹角下钢球在内，外偏心的夹持下沿滚道的长度运动，转向夹角在零度时各组件同心，有转向夹角时钢球组的中心(星形轮偏心指向圆内，球壳指向圆外)将偏离球笼部件中心。钢球组作为运动结构的核心处于离心状态。四个零件将成为互为依靠的动态结构，运动周期的每一个瞬间四个零件都有相互变化的关联关系。球笼受动态变化的影响，使其必须依靠高精度的结构才能成立。将具有一定的动能的损耗。平分面很象三节棍的使用原理，功力不够时可能反伤自已。

等速球笼原理中，没有说明在有转向夹角时，钢球组在保持架的夹持下，一个周期沿滚道长度走一个来回，滚道的两端是运动的静止点，是典型的二维平面运动特征，周期性两次180度直线回返，是Birfield等速球笼的最大的弱点，对连续的运动物体会阻止其运动势能的建立。使其长期工作在起始状态。他的存在条件是转角越大，转速越高动能损耗就越大。

依照其原理，在仿真的条件下，一幅祥细的有关中心的位置图见图2，在所标示出的几个中心里，设定坐标：轴向为Z，纵向为Y，图中可见钢球C与钢球C1，在内，外滚道的偏心方向作用下中心是随转向角向上移动的。这种方式的作用，是用机械性能去交换等速性能。

图3是在45度角时，两只轴以中心为基点旋转45度时，夹角平面以中心为界形成上，下两个V形交叉区域，上面的被拉长会产生减速度，下面的被压缩，压缩的区间会产生加速度。在这里能够清楚地看到，如果在1～2之间的弧线上有钢球的话----也就是平分面，他就会形成第三Y轴。在二维平面的运动中看不到它的踪迹，但是在三维模型中它在与轴1轴2同步旋转的过程中，在零到180度之间Y轴3绕Y轴1转一圈，然后在180到360度之间绕Y轴2转一圈，至少不能认为他是有益的。这应该是输入点在主动轴，输出点在从动轴，而中间过渡点在平分面带来的三节棍性质的后果。平分面问题的本身在几何定义中应该不能成立，两个以夹角相切的圆，在其空间中能够成立的只有平分点，有人用角齿轮来比喻球笼，但角齿轮就是空间平分点。

请叁考：“轿车等速驱动轴传动效率的试验研究”马天飞₁ 王登峰₁ 郝春光₁ 王岩₂

(1.吉林大学；2.中国人民解放军驻第一汽车集团公司军事代表室)

这个报告中所测试的是能耗的量，这个报告充分说明了球笼的能耗是与转向角的大小和速度的快慢成比例的。

发明内容

本发明排除在固有模式下取巧的习惯，利用计算机辅助，在完整的三维运动模型里，重新确定转向的内在关系。根据万向节存在的弊端，提出一种全新的，在运动形态中增加了一维空间到四维空间，在四维空间里转向球笼进入三维立体工作状态，使机械运动完成质的改变，在转向过程中直接翻越镜向空间(以前的产品是不可能的)不再有附加损耗与反向动力。定向式全等速球笼万向节。

一种定向式等速球笼万向节，以定位钢球为输入端至星形轮的滚道为输出端，包括保持架、钢球、星形轮、球壳，保持架是钢球的固定架，是装入球壳内圆的直筒体，星形轮上形成∞形滚道，在保持架的内圆安装星形轮，保持架上形成有安装钢球的孔，孔在定位钢球的基础上将钢球的输入输出运动定位于同一点上，钢球的三维球体的旋转运动是一种三维立体机械运动，钢球的运动曲线在空间中形成一条以球体为基础的唯一数值曲线，它相当于钢球球体在转向过程中与星形轮中心连线形成的转向夹角半径端点轨迹的总和，一个运动周期完成时，钢球沿∞形滚道完成一个∞形曲线，期间在∞字形的两端各进行一次180°的全方位翻转，即在起点钢球从背面翻到正面，在另一端点从正面翻到背面，以完成环形封闭，并随转向夹角零到最大值之间全程自动跟随旋转，从而使得转向运动在共同点上被转移到球面上换向，实现输入输出速度全等。

进一步地，定位在输入端上的钢球与星形轮∞形滚道的方向是达成输入输出共同点的必需条件，转向运动在同一点上，才能够利用三维球体表面上的象限点，实现两轴间的转向运动被传递到球面进行。

进一步地，在星形轮上的∞形滚道，其曲线整体呈偏椭圆，根据滚道的数量占圆周的占空比，滚道至少为6个，滚道的数量越多，曲线形状偏椭圆越偏直到趋近直线，钢球数量设置的增加将直接分散材料的接触应力。

进一步地，保持架上定位钢球的孔为径向等分孔，其内圆是一条偏心圆弧，偏心量由孔径大端决定，大端孔径大于星形轮直径减去一个沟道深度的尺寸，用以装入球体。

具体实施方式

图1；定向式球笼的主要特点在固定的钢球，与曲线空间滚道，装配后主，从动轴的同心度依靠保持架的内圆及钢球孔保证。成品在国家重型汽车质量监督检验中心做过静扭在1960mn时将与扭力机的连接法兰扭坏，那支产品是一只微型球笼球壳的最大直径50mm，钢球8mm报告编号；07-WT-DBJ-N059。另外在惯性测试台上在任意转向夹角下，能够拉动一下后在惯性下慢慢的停下来，其他的万向节，球笼都不能。

参照图3，主视图中1～2之间的两个对顶的V形区间，钢球在此区间的开口内就会有两边轴的半径不等，不等的区域在轴向上看是以圆内接四方的形式，上下不等，左右等。在俯视图中这个不等速的区间只占中心线上的一部份，俯视图中轴1与轴2同在一条直线没有转向夹角，轴的两边R点为半径不变的区域，不会发生不等速现象。侧视图中两个R所在的一条直线是轴1与轴2两个坐标X与两个R的重合线，R是虚拟的一根轴，位置在垂直于夹角平面过中心的象限点，针对旋转运动R是不变的，X轴运动时与y轴轮流通过R。以两个坐标RZ轴平面以R点为转向节点的铰接平面，两个坐标系中y轴随z转向。定向式等速球笼的实际含义就是通过重合座标定置运动方向，不是旋转方向，是钢球走出的路径方向。钢球的运动路径是一条定值随转向夹角变化的莫比乌斯环线，在一个周期中，4次转向2次逆行路径都在∞自然曲线上，其中的2次逆行是越过半球线时在镜向空间中倒转所形成，假设在直径上把球体分为两半，它的两个半球是同时分别独立工作，钢球在左半球(轴1)的第一象限作功后过中点进入右半球(轴2)的第二象限放空(不作功)反向倒退并转向到第三R点，在右半球的三象限作功，最后经过左半球四象限放空反向回退并转向回零点，完成一个周期。钢球路径是从球壳端Y1轴(图3)的顶点0度(第1象限点)旋转90度到R点(第2象限点)，钢球组保持垂直方向，滚道以水平方向从右向左，星形轮(左半球)从V字区域的另一条边y2轴的0度点同步到达90度R点，此时两y轴与R同位，y1上的钢球在y2的滚道中点横向经过R点，钢球转向右(不向下行)进入右半球的镜像空间，由于过中点后钢球与滚道变成小夹角相向而行，钢球相对整体速度偏低，反旋向沿V字y2轴的曲线向上倒退50度跟上速度后再转向到下一个{第3象限点}-----8个象限我们只是从轴向分成了4个，就是8字只分了4段，所以每段都是U形都有两个动作，一个经过的区域还隐含另一个区域。他的反转现象只是发生在星形轮上，全程路径反复4次形成一个封闭的横∞(无穷空间)。R轴与中心始终是重合的，在R轴的固定铰链作用下，两个R，Z平面在有转向夹角时，球笼的转向夹角因钢球在R点(铰链的中心)时变向，两个平面针对钢球已成为一个平面，从根本上消除了转向夹角带来的不利因素，钢球在作功的区域压力角为90度，过象限后在转向区域压力角变小且相向而行，转向夹角被转移到星形轮的球体表面上运行，直接达到三个自由度，在R点所连接的就是莫比乌斯圈中正，反向空间对接点。因此定向式球笼的工作方式已超出二维运动范围，真实的三维立体运动得以实现并附有完美的效果，在转向角被转移到球体表面自然流过时，主，从动轴能够完全同步工作，且没有镜像问题。为此去掉Birfield球笼的保持架与钢球一同转向带来的中心流动问题。将保持架改为定位保持圈{见图5}，其作用只为将钢球在球壳上定位，控制钢球以90度垂线的出力方向。

定向式全等速球笼万向节，在原球笼组成构件的四个零件中，数目没变，作用有了实质上的改变。钢球与保持架不再有互动，保持架用来辅助球壳固定钢球，成为球壳上的定位零件，保持架外圆改直在新球笼中用来分解球壳的(内圆)加工难度。所以定向球笼的运动构成事实上为两个零件，一个是包括保持架与钢球的球壳组件，另一个是星形轮。球壳组件可以在一定条件下，制作加工时就与球壳做为一体化，只是在球壳上钻孔装入钢球。

关键是滚道问题，在球笼三维模型中，主动轴在有转向角时定速输入，二维运动作用在三维球体上，输入输出之间不在球体的同一点时从动轴的速度一定不等速，0转向角时有共同点所以等速。要实现自由旋转，应该让输入(原点)输出在一个点上，然后球面才能帮助其变换方向。在几何原理中有：三维球体本身呈稳定状态，三维运动必需增加1维时间轴，在四维空间里才能容纳三维运动。由此可引伸出两条基本规则；输入，输出之间有共同的作用点，与连续变换空间的时间轴。在新球笼中固定的钢球就是形成输入输出共同的点。下面的曲线图是在转向角为45度时的时间轴。这根线是莫比乌期环∞的一条边。

曲线的长度，就是星形轮的厚度，用它附着在星形轮球体表面上对滚道修形，见图4。工作时从左端开始与钢球接触并沿线滑行，保持共点关系，从起动点可以看出第一段曲率最大，因为起点处是星形轮节圆半径最小处线速度有最大的增加值，输入，输出两边速度差出来的值就是这段曲线的曲率值。所以钢球沿线滑动正好起到实时补偿，后面的线在逐步接近中心的过程中，半径逐步加大，速度的增量逐步减小，曲线也逐渐拉直升高接近中心等速点。曲线的转向量是180度，中点是90度，0～90度之间压力角是90度，中点以后，速度的增量又开始增加，钢球与滚道变成以很小的夹角相向而行，钢球尽管在加速还是远小于整个部件的同步速度，因此钢球的运动方向是反旋转方向逆行越过镜像空间，就是莫比乌期的反转空间，然后在下一个象限进行同样的工作。球笼的工作方式在有转向角的情况下，是正，反两面对偶做功的，因此取得了两个决定性的优势，1，接触应力被完全分担，2，运动的稳定性得到改善。

曲线是在整个运动周期中的时间轴，它在球笼的三维球体空间旋转的全过程中，实时逐点穿过钢球输入点，定值的时间在空间中互换出定值的速度，在输出端取得了完全等速的结果。曲线从零转向夹角时他是一个点，随夹角的增加，同时在两个半球上成比例地展开为两个互为镜向的曲面。曲面的面积与转向夹角成正比。曲线的∞是在滚道内的图像，但在球体上形成的两个圆不在一个方向。第一个是从-270度开始到90度结束，第二个从90度开始到-270度结束，由此可推算出跨180度的线是球体直径上圆周的一半，因6倍(6滚道)同步转速可将曲线压缩成偏锥圆。如果滚道数目增加曲线的曲率变直，偏锥圆向偏偏锥圆过渡。曲率越小运行效率越高，触点数多承载能力越大。

有益效果；

新球笼最大限度地接近了自然运动的原理，已经突破各类万向节之间的界限，万向节有转向灵活的如球笼，有承载能力大的如十字节，有制造方便的，定向球笼都行。以三个自由度立体运转，自重，体积可减轻3～5成，自耗可减低至接近零，安装到汽车上油耗可降低2～5％。承载能力视钢球安装数目变化数量越多能力越大，新球笼因压力角在90度正切向，加上转动的灵活性，使其自带消震功能，如用在汽车上，路震将不能向发动机回传。新球笼与其余的各类万向节已经没有可比性。这应该归结于运动的性质，大家知道，凡是机械运动都是二维的，比如Birfield等速球笼滚道两端的静止点，那种问题就不是提高精度能够解决的，一但走进能够流利运转的三维机械，此问题在自由公差下都不会有问题，三维机械如果能够得到广泛应用，这个应该是一个良好的开端。

附图说明

图1；定向式外球笼的装配图，1钢球，2轴卡，3输出轴，4星形轮，5保持架，6球壳，图中钢球通过保持架固定在球壳上。

图2；Birfield球笼仿真图，夹角下的中心位置不在中心上。

其2；Birfield球笼的平分面，在图中1～2之间弧线的任一点上，都必将有第3y轴的后果。

图3；定向式等速球笼路径方向图，从y轴1点到R，从R指向y轴2点，在到达y轴2点之前转向到象限点3，向后两个像限重复。

图4；星形轮，主视图滚道中的4个环线∞分别是10，20，30，40度的莫比乌斯曲线环，环线都是在6等分滚道下生成，滚道开口端，制作时将曲率最大部份去掉以便于加工，让中心向外成渐开形状，他不会影响整体性能，钢球之间是60度去掉的部份在80度左右，前面的工作区间上已有两颗。

图5；保持架，主要用途是固定钢球，外圆为直筒状，可减少部分加工难度。整个球笼加工要求高的位置在其内圆弧的球面度上。

图6；球壳，这是一个外球笼的壳体，内圆配合保持架，等量的直槽配合钢球，孔口用轴卡锁定，如采用无保持架，可在球壳内加工内圆弧。

图7；转向夹角为45度时，90度长的一段曲线，主视图中可见起点因半径最小，而曲率最大，侧视图中的半圆是90度，如果180度就正好是不等半径的一个圆。

图8；30度转向夹角下，将三维曲线投影到一个平面的莫比乌斯环线图。

Claims (4)

1.一种定向式等速球笼万向节，以定位钢球为输入端至星形轮的滚道为输出端，包括保持架、钢球、星形轮、球壳，保持架是钢球的固定架，是装入球壳内圆的直筒体，星形轮上形成∞形滚道，在保持架的内圆安装星形轮，保持架上形成有安装钢球的孔，孔在定位钢球的基础上将钢球的输入输出运动定位于同一点上，钢球的三维球体的旋转运动是一种三维立体机械运动，钢球的运动曲线在空间中形成一条以球体为基础的唯一数值曲线，它相当于钢球球体在转向过程中与星形轮中心连线形成的转向夹角半径端点轨迹的总和，一个运动周期完成时，钢球沿∞形滚道完成一个∞形曲线，期间在∞字形的两端各进行一次180°的全方位翻转，即在起点钢球从背面翻到正面，在另一端点从正面翻到背面，以完成环形封闭，并随转向夹角零到最大值之间全程自动跟随旋转，从而使得转向运动在共同点上被转移到球面上换向，实现输入输出速度全等。

2.根据权利要求1所述的定向式等速球笼万向节，其特征是：定位在输入端上的钢球与星形轮∞形滚道的方向是达成输入输出共同点的必需条件，转向运动在同一点上，才能够利用三维球体表面上的象限点，实现两轴间的转向运动被传递到球面进行。

3.根据权利要求1所述的定向式等速球笼万向节，其特征是：在星形轮上的∞形滚道，其曲线整体呈偏椭圆，根据滚道的数量占圆周的占空比，滚道至少为6个，滚道的数量越多，曲线形状偏椭圆越偏直到趋近直线，钢球数量设置的增加将直接分散材料的接触应力。

4.根据权利要求1所述的定向式等速球笼万向节，其特征是：保持架上定位钢球的孔为径向等分孔，其内圆是一条偏心圆弧，偏心量由孔径大端决定，大端孔径大于星形轮直径减去一个沟道深度的尺寸，用以装入球体。