CN1834490A - 固定等速万向节 - Google Patents

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Abstract

一种使用八个扭矩传送球的固定等速万向节，具有被设置为0.30≤C/S≤0.75的比率，非硬化层在保持架40的梁48中采用所述比率，其中S表示梁48的横截面积，C表示非硬化层的面积。

Description

固定等速万向节
技术领域
本发明涉及一种用于汽车和各种工业机器的固定等速万向节，具体而言，涉及使用八个球作为扭矩传送部件的固定等速万向节。
背景技术
等速万向节(constant velocity universal joints)被分为不能滑动的固定接头和可以在其轴向方向上滑动或者可轴向移动(plunging)的接头。图14和15示出了作为典型固定等速万向节的Rzeppa等速万向节(此后称为BJ-类型)。该固定等速万向节包括：外圈1，作为外接头部件，具有形成于其球形内表面1a中的六个轴向延伸的弓形球槽1b；内圈2，作为内接头部件，具有形成于其球形外表面2a中的六个轴向延伸的弓形球槽2b；六个球3，作为安置于外圈1的球槽1b和内圈2的球槽2b之间的扭矩传送部件；以及保持所述球3的保持架4。
球槽1b和2b的中心P和Q分别从接头中心O在中心O的任一侧面上被轴向偏移相同距离(PO＝QO)。即，外圈1的球槽1b的中心P通过距离PO从球形内表面1a的中心O在外圈1的开口侧偏移。内圈2的球槽2b的中心Q从球形外表面2a的中心O在外圈1的内侧面上偏移距离QO。外圈1的内表面1a和内圈2的外表面2a的中心与接头中心O匹配。
将被连接的一个轴(未示出)被连接至外圈1，并且另一个轴5连接至内圈2。因此，内圈2具有用于与轴5的锯齿状或花键部分配合的锯齿状或花键孔2c。当外圈1和内圈2的轴线形成一个角度(接头的操作角度)，在垂直于操作角度的二等分线的平面中通过保持架4保持球3，从而保证内圈和外圈角速度恒定。
在使用八个球的固定等速万向节中，最优化内部设计，以保证耐久性和强度与使用六个球的固定等速万向节相同。见日本未审查专利文献H9-177814、2003-4062和2003-307235。
发明内容
在固定等速万向节中，当在操作角度上传送扭矩时，球沿着保持架的圆周方向以及径向方向在保持架兜孔(cage pocket)中移动。在使用六个球的固定等速万向节中，当接头形成最大操作角度时，保持架的厚度满足球的径向移动。换句话说，只要球接触点落入保持架兜孔中，就设置最小厚度。这是因为这样的事实：保持架厚度的增加使外圈和内圈的球槽变浅，因此减小了在高角度和高载荷上接头的疲劳寿命。
在能够实现尺寸和重量进一步减小的使用八个球的固定等速万向节中，保证在高操作角度上的强度与在使用六个球的固定等速万向节相同是重要的。为了改进保持架的强度，保持架的厚度必须增加。然而，当保持架的厚度增加时，外圈和内圈的球槽的深度变浅。当外圈和内圈的球槽的深度变浅时，在高角度和高扭矩载荷上，球的接触椭圆运转到球槽的肩部上，导致疲劳寿命的减小。
此外，在使用八个球的固定等速万向节中，保证在高操作角度上的保持架强度与使用六个球的固定等速万向节相同是重要的。在使用八个球的固定等速万向节中，通过如上面所述的内部设计的最优化保证在高操作角度上的保持架强度与使用六个球的固定等速万向节相同。尽管如此，所述保持架厚度薄于使用六个球的固定等速万向节中的保持架厚度。
本发明的主要目的是在使用八个球的固定等速万向节中保证高角度上的保持架强度以及在高角度和高扭矩载荷上的疲劳寿命。
为了在使用八个扭矩的更稳定地传送球的固定等速万向节中保证保持架在高角度上的强度，热处理变得重要。因此，本发明集中于非硬化层在保持架的梁中占据的比率，所述比率作为能够让保持架强度在使用八个扭矩传送球的固定等速万向节中达到最大的热处理规范。
即，当它是BJ类型时，本发明的固定等速万向节具有：外接头部件，具有形成于所述外接头部件的球形内表面中的八个轴向延伸弓形球槽；内接头部件，具有形成于所述内接头部件的球形外表面中的八个轴向延伸弓形球槽；八个球，所述八个球的每个设置在外接头部件和内接头部件的一对球槽之间，用于传送扭矩；以及保持架，所述保持架设置在外接头部件和内接头部件之间用于保持所述球，
外接头部件的球槽的中心和内接头部件的球槽的中心的每个分别相对球形内表面的中心和球形外表面的中心沿轴向方向在彼此相对侧上偏移相同距离(F)，
非硬化层的面积对保持架的梁的横截面积S的比率C/S被设置为0.30≤C/S≤0.75。
当它是UJ类型时，本发明的固定等速万向节具有：外接头部件，所述外接头部件具有形成于所述外接头部件的球形内表面中的八个轴向延伸弓形球槽；内接头部件，具有形成于所述内接头部件的球形外表面中的八个轴向延伸弓形球槽；八个球，所述八个球的每个设置在外接头部件和内接头部件的一对球槽之间，用于传送扭矩；以及保持架，所述保持架设置在外接头部件和内接头部件之间用于保持所述球，
所述外接头部件的球槽的中心和所述内接头部件的球槽的中心的每个分别相对内球的中心和外球的中心沿轴向方向在彼此相对侧上偏移相同的距离(F)，所述保持架的球形内表面和球形外表面的中心沿着轴向方向在彼此相对侧上偏移相同的距离(f)，以及在外接头部件和内接头部件的每个球槽上设置具有直底部的直部分，以及
非硬化层的面积C对保持架的梁的横截面积S的比率C/S被设置为0.30≤C/S≤0.75。
根据本发明，可以获得具有优秀耐久性和稳定高强度的保持架，从而可以更稳定地保证使用八个扭矩传送球的固定等速万向节中在高角度上的保持架强度。
当结合附图阅读时，本发明的这些和其它目的和特征将从下面的描述变得更明显。
附图说明
图1是依据本发明的实施例的保持架的截面图；
图2是在图1中示出的保持架的梁的示意截面图；
图3是在图1中示出的保持架的纵向截面图；
图4是示出了非硬化层在保持架的梁中占据的比率(C/S)和保持架强度之间的关系的视图；
图5是固定等速万向节的纵向截面图；
图6是在图5中示出的接头的截面图；
图7是图5的部分放大视图；
图8是图6的部分放大视图；
图9是图7的部分放大视图；
图10是依据本发明的另一实施例的固定等速万向节的纵向截面图；
图11是在最大操作角度上、图5中示出的接头的纵向截面图；
图12是在图11中示出的接头中保持架的纵向截面图；
图13是示出了保持架强度和可允许的扭矩载荷相对保持架厚度之间的关系的视图；
图14是现有的固定等速万向节的纵向截面图；
图15是图14中示出的接头的截面图。
具体实施方式
首先，将描述依据在图5-7中示出的实施例的BJ类型。如图中所示，固定等速万向节包括外圈10、内圈20、球30和保持架40。
作为外接头部件的外圈10是杯或钟的形状，并在其闭合端侧上包括轴部分18，用于连接到将被连接的两个轴之一。外圈10具有球形内周表面，即，轴向方向上延伸的内球12和八个弓形的球槽14以规则间距在周向方向上形成在内球12内。
作为内接头部件的内圈20具有用于与将被连接的两个轴的另外一个(此处为轴5)连接的锯齿形(serrated)或花键(splined)孔28。内圈20具有球形外周表面，即，在轴向方向上延伸的外球22和八个弓形的球槽24以规则间距形成在周向方向上的外球22中。
外圈10的球槽14和内圈20的球槽24成对形成，作为扭矩传送元件的球30被安装在球槽14和球槽24作为一对形成的轨道中。通过保持架40保持总共八个球30。保持架40具有球形外周表面或外球42以及球形内周表面或内球44所述外球42和内球44具有相同中心。外球42与外圈10的内球12接触，并且内球44与内圈20的外球22接触。
在此实施例中，球槽14和24的中心P和Q分别在轴向方向上通过接头中心O的任一侧面上以相同距离(PO＝QO＝F)偏移。即，通过距离PO从内球12的中心O在外圈10的开口侧上偏移外圈10的球槽14的中心P(外部轨道中心)。内圈20的球槽24的中心Q(内部轨道中心)从外球22的中心O在外圈10的内侧面上偏移距离QO。
保持架40的外球42的中心和作为用于保持架40的外球42的导引表面的外圈10的内球12的中心与接头中心O重合。保持架40的内球44的中心和作为用于保持架40的内球44的导引表面的内圈20的外球22的中心也与接头中心O重合。因此，外圈10的偏移(PO＝F)等于球槽14的中心P和轴向方向上的接头中心O之间的距离，并且内圈20的偏移(QO＝F)等于球槽24的中心Q和在轴向方向上的接头中心O之间的距离，这意味着(PO，QO)都是相等的。
连接外圈10的球槽14的中心P和球30的中心O3的线的长度PO3等于连接内圈20的球槽24的中心Q和球30的中心O3的线的长度QO3。在图5中通过符号PCR表示该长度。此外，如图7中所示，假设通过连接外圈10的球槽14的中心P和球30的中心O3的线与连接接头中心O和球30的中心O3的线限定的角度被称作外圈轨道偏移角度βo，以及通过连接内圈20的球槽24的中心Q和球30的中心O3的线与连接接头中心O和球30的中心O3的线限定的角度被称作内圈轨道偏移角度βi，外圈轨道偏移角度βo等于内圈轨道偏移角度βi。
用此结构，将被连接(coupled)的两个轴之一连接至外圈10，另一个连接至内圈20。当外圈10和内圈20形成操作角度，通过保持架40保持的球30被保持在垂直于操作角度的二等分线(bisector)的平面之内。因此，球的中心O3和球槽的中心P和Q之间的距离PO3和QO3彼此相等(PO3＝QO3＝PCR)，保证接头的角速度是恒定的。
如上面所述，就可靠地获得可容许的扭矩载荷、保持架强度、耐久性和性能，优选设置球槽14和24的偏移(F＝PO＝QO)，这样比率R1＝F/PCR落入0.069≤R1≤0.121的范围中。在该实施例中，R1被设置为0.104(或0.1038)。比较产品(如图14和15所示的使用六个球的固定等速万向节)中的R1的通常的值是0.14，在该实施例中的R1更小于比较产品的R1。
图8是图6的部分放大视图，并示出了外圈10、内圈20和球30的相互关系。形成在外圈10的内球12中的球槽14的每个具有尖端拱门(Gothic arch)截面，形成在内圈20的外球22中的球槽24的每个具有尖端拱门(Gothic arch)截面。因此，球30在两个点C11和C12处与外圈10的球槽14接触，并在两点C21和C22处与内圈20的球槽24接触。由通过球30的中心O3和接触点C11、C12、C21和C22的线和通过球30的中心O3和接头部分O的线限定的角度α被称作接触角。在接触点C11、C12、C21和C22处的接触角α是全部相等的，并被设置为29°至40°。29°至40°的接触角α小于使用六个球的常规的底切万向节(undercut free joints；UJ)和使用六个球的固定等速万向节中的37°至45°的接触角度。通过设置接触角α为29度或更大，限制了球槽和球之间的接触压力，并因此可以保持等于或高于常规产品中的耐久性。
图9是用于解释楔角(wedge angle)的反向开始角的图7的部分放大视图。如上面所述，通过球30和外圈10的球槽14之间的接触点C1的公法线(common normal)H1和通过球30和内圈20的球槽24之间的接触点C2的公法线H2的角度被称作楔角2τ。类似地，公法线H2是连接内圈20和球30之间的接触点和球30的中心O3的三维直线。如图9中所示，由于弓形球槽14的缘故，外圈10的球槽14和球30之间接触点C1相对通过球30的中心O3的接头中心面倾斜角度τ。由于弯曲球槽24的缘故，内圈20的球槽24与球30的接触点C2相对通过球30的中心O3的接头中心面倾斜角度τ。楔角对应于这些角度τ之和，即2τ。楔角2τ在接头的操作角度增大时的阶段变小，然后反向。楔角2τ开始反向的操作角度被设置为9°或更大。
图10示出了UJ类型的实施例。该实施例和在图5中示出的上述实施例相同，除了直部分16和26分别形成在外圈10的球槽14和内圈20的球槽24中，以及保持架40的内球44的外球42的中心p和q在轴向彼此相反方向上偏移相同的距离f。
接着，如图11中所示，与使用六个球的常规固定等速万向节相比较，在使用八个球的固定等速万向节中，将说明用于在高角度上保证相等或更高的保持架强度和在高角度和高载荷上保证疲劳寿命的最佳保持架厚度。图11示出了图5中示出的接头形成最大操作角度θmax的状态。出现在附图的上部中的球用参考数字30a指示，球30a处于其中所述球30a被安置在保持架的最径向向内的阶段中。出现在附图的下部中的球用参考数字30b指示，球30b处于其中所述球30b被安置在保持架最径向向外定位的阶段中。图12是保持架40的纵向截面图，其中通过双点链线示出球30a和30b，球30a和30b的中心之间的距离B被限定为保持架40的兜孔46中球的径向运动。保持架40的厚度是兜孔46的周向延伸壁的径向尺寸，并通过图12中的参考符 A表示。
假设保持架40的厚度是A，用于接头旋转一周、在最大操作角度θmax上的球30的径向移动是B，保持架40的厚度被设置，从而在BJ类型中满足0.45≤B/A≤0.65的范围，并在UJ类型中满足0.65≤B/A≤0.85的范围。用于UJ类型的最佳值的范围与用于BJ类型的不同的原因是：如上参照图10所述，外圈和内圈的球槽14和24在UJ类型中分别具有直部分16和26，并因此与BJ类型相比，在接头的内侧上球槽变浅。
图13描述了上述的数值范围的意义。尽管图13中的数值涉及BJ类型，但是在UJ类型中也可以发现类似的趋势。在该图中，基于外和内圈的球槽与球之间的接触应力(Hertzian应力)，T100扭矩是用于计算等速万向节的寿命的基本扭矩，并指的是在100rpm上可以获得1500小时的寿命的扭矩。
如图13中所示，换言之，在B/A＜0.45的情况下，当保持架40厚度A大于在保持架40的兜孔46内球30的径向运动B所必须的厚度时，可以保证保持架的充分强度。但是，外圈和内圈(在内侧上)的球槽的深度变得太浅，从而球30的接触椭圆在最大操作角度上离开球槽，并且极端地降低了扭矩载荷，导致对接头的功能可能的损伤。另一方面，换言之，在B/A＞0.65的情况下，当保持架厚度A的公差(allowance)相对保持架40的兜孔46内的球30的径向运动B较小时，可以保证外圈和内圈(在内侧上)的球槽的充分深度，从而使球30的接触椭圆即使在最大操作角度上也不会离开球槽。尽管如此，保持架40的厚度A变得太薄，这样不能保证在高角度上保持架的强度。在使用八个球的UJ类型中也可以发现BJ类型中的趋势。然而，由于如上述的结构的差别，数值范围彼此不同。
如上面所述，保持架的最佳厚度需要被设置以满足在高角度上的保持架强度和高角度上接头的耐久性。最佳厚度落入上述的范围(在BJ类型中0.45≤B/A≤0.65，在UJ类型中0.65≤B/A≤0.85)。
顺便提及的是，固定等速万向节的保持架通常由用于机器结构用途的保持架淬硬钢(hardening steel)制成，所述保持架要进行渗碳和淬火。保持架需要高强度(静力强度和疲劳强度)，以承受高扭矩和循环载荷。此外，由于固定等速万向节的部件之间金属与金属的接触，需要耐磨性。出于此原因，保持架需要进行热处理，从而满足用于固定等速万向节所必须的功能。特别是在使用八个球的固定等速万向节中，与使用六个球的固定等速万向节相比较，保持架更薄，并且兜孔46之间的梁(bar)48的横截面积更小。因此，保持架强度趋于受到热处理规范较大的影响。
因此，在使用八个扭矩传送球的固定等速万向节中，非硬化层在保持架40的梁48中占据的比率作为让保持架40的强度达到最大的热处理规范而公知。此处，如通过图2中的梨表皮装饰(pearskin finish)所示，非硬化层指的是具有小于Hv513的维氏(Vickers)硬度值的芯部部分。如图1至3所示，假设保持架40的兜孔46之间的梁48的横截面积是S，并且梁48的非硬化层的面积是C，非硬化层的面积C与梁48的横截面积S的比率C/S被设置落入0.30≤C/S≤0.75的范围中。
当保持架40的碳渗透深度被设置满足上述的范围，可以实现保持架40的最大强度。当C/S小于下限0.30，梁48的芯部(非硬化层部分)变得太小，并且保持架40丧失了所述保持架40的韧性，导致强度减小。另一方面，即使当C/S的上限大于0.75时，也满足强度，但是，考虑到疲劳寿命(磨损)，上限需要被设置为0.75或更小。
图4示出了使用了在使用八个扭矩传送球的固定等速万向节中具有保持架40的碳渗透深度的试样执行的强度测试的结果。在图4中，水平轴表示C/S，垂直轴表示保持架强度。从该图，很明显，通过设置C/S为最佳值可以使保持架强度达到最大。

Claims (6)

1.一种固定等速万向节，包括：外接头部件，具有形成于所述外接头部件的球形内表面中的八个轴向延伸弓形球槽；内接头部件，具有形成于所述内接头部件的球形外表面中的八个轴向延伸弓形球槽；八个球，所述八个球设置在外接头部件和内接头部件的球槽之间，用于传送扭矩；以及保持架，所述保持架设置在外接头部件和内接头部件之间用于保持所述球，其中
所述外接头部件和所述内接头部件的球槽的中心的每个分别相对所述内球形表面和所述外球形表面的中心沿沿轴向方向在彼此相对侧上偏移相同距离(F)，以及
非硬化层的面积对保持架的梁的横截面积S的比率C/S被设置为0.30≤C/S≤0.75。
2.一种固定等速万向节，包括：外接头部件，具有形成于所述外接头部件的球形内表面中的八个轴向延伸弓形球槽；内接头部件，具有形成于所述内接头部件的球形外表面中的八个轴向延伸弓形球槽；八个球，所述八个球设置在外接头部件和内接头部件的球槽之间，用于传送扭矩；以及保持架，所述保持架设置在外接头部件和内接头部件之间用于保持所述球，其中
所述外接头部件的球槽的中心和所述内接头部件的球槽的中心的每个分别相对所述内球形表面和所述外球所述表面的中心沿轴向方向在彼此相对侧上偏移相同距离(F)，保持架的外和内球表面的中心沿着轴向方向在彼此相对侧上偏移相同的距离(f)，以及在所述外接头部件和所述内接头部件的每个球槽上设置具有直底部的直部分，以及
非硬化层的面积C对保持架的梁的横截面积S的比率C/S被设置为0.30≤C/S≤0.75。
3.依据权利要求1所述的固定等速万向节，其中假设保持架的厚度是A，最大操作角度上所述球的径向运动是B，满足0.45≤B/A≤0.65的关系。
4.依据权利要求2所述的固定等速万向节，其中假设保持架的厚度是A，最大操作角度上所述球的径向运动是B，满足0.45≤B/A≤0.65的关系。
5.依据权利要求1所述的固定等速万向节，其中所述保持架的表面硬度范围在HRC58和HRC63之间，并且芯部硬度范围在HRC25和HRC45之间。
6.依据权利要求2所述的固定等速万向节，其中所述保持架的表面硬度范围在HRC58和HRC63之间，并且芯部硬度范围在HRC25和HRC45之间。
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