球籠式萬向聯(lián)軸器試驗設(shè)計與性能分析

黃燦超 吳 剛 趙 陽 陳雙坤

（三峽大學機械與材料學院，湖北宜昌 443002）

籠式同步萬向聯(lián)軸器是目前應(yīng)用最為廣泛的等速萬向節(jié)，它的球籠本體由鐘形殼、保持架、星套、鋼球等組成.目前，國內(nèi)很多學者對籠式同步萬向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)形式、幾何參數(shù)、加工工藝等進行了深入細致的研究，但關(guān)于籠式同步萬向聯(lián)軸器在使用過程中的性能和壽命研究資料相對較少.

在球籠式同步萬向聯(lián)軸器的實際使用過程中發(fā)現(xiàn)：由于摩擦發(fā)熱導致球籠本體內(nèi)部潤滑脂變稀，甚至超過燃點而自燃，導致潤滑脂失去了對籠式同步萬向聯(lián)軸器的潤滑作用，大大降低了球籠式同步萬向聯(lián)軸器的性能與壽命［1］.然而，轉(zhuǎn)速、擺角、扭矩等因素對聯(lián)軸器的摩擦發(fā)熱現(xiàn)象影響很大.因此，在籠式同步萬向聯(lián)軸器在制造完成后，必須在專用試驗臺架上做性能試驗，以測試籠式同步萬向聯(lián)軸器在不同轉(zhuǎn)速、擺角、扭矩條件下，球籠本體的發(fā)熱情況是否滿足實際要求［2］.

1 優(yōu)化前試驗條件與方案

1.1 試驗描述

在常溫下，將籠式同步萬向聯(lián)軸器總成安裝在專用試驗臺架上.試驗開始之前，按照試驗大綱要求，調(diào)整好試驗轉(zhuǎn)速、球籠擺角、試驗扭矩.試驗開始后，利用電子式紅外測溫儀測量并記錄球籠本體溫度升高量.

1.2 試驗臺架結(jié)構(gòu)

試驗裝置主要由以下3大部分組成（如圖1所示）：驅(qū)動裝置由變頻器、變頻電機組成，可以通過調(diào)整頻率保證試件按照規(guī)定的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn).測功機由變頻器、負載變頻電機、扭矩傳感器組成，可以通過調(diào)整頻率對試件施加大小不同的負載，扭矩傳感器實時測試并記錄試件的傳動轉(zhuǎn)矩.試件固定在由油缸驅(qū)動的滑移平臺上，通過油缸驅(qū)動平臺移動，可以實現(xiàn)試件的擺角調(diào)整.

圖1 某型籠式同步萬向聯(lián)軸器試驗臺示意圖

2 基于正交試驗法的試驗方案優(yōu)化設(shè)計

按照《GB／T 7750－2008球籠式同步萬向聯(lián)軸器試驗方法》的要求，襄陽宇清傳動機械公司生產(chǎn)的某型籠式同步萬向聯(lián)軸器成品需要測試在不同轉(zhuǎn)速、擺角、扭矩條件下球籠本體溫度的升高量.由于沒有科學合理的試驗方法，該公司在實際生產(chǎn)中只能采用全面試驗的方法，即需要對每一件試驗聯(lián)軸器連續(xù)做27次試驗.試驗周期長，嚴重影響了生產(chǎn)效率，而且試驗結(jié)果很難做統(tǒng)計分析.

“正交試驗法”是一種科學的編制和分析多因素試驗的方法，它可以利用有限的試驗次數(shù)推斷出能夠指導實踐的正確結(jié)論并得到良好的效果，是使工作達到多快好省的一個非常便利的工具［3－6］，本文采用該方法進行試驗設(shè)計.

2.1 試驗的因素與水平

襄陽宇清傳動機械公司生產(chǎn)的某型籠式同步萬向聯(lián)軸器的最高設(shè)計轉(zhuǎn)速為2 000r／min、最大設(shè)計擺角為27°、最大設(shè)計扭矩為400N／m.按照《GB／T 7750－2008球籠式同步萬向聯(lián)軸器試驗方法》的要求，性能試驗應(yīng)以最高設(shè)計參數(shù)的25%、50%、75%進行.因此，以轉(zhuǎn)速為因素A，設(shè)500r／min、1 000r／min、1 500r／min為3個水平；以擺角為因素B，設(shè)10°、15°、20°為3個水平；以扭矩為因素C，設(shè)100N／m、200N／m、300N／m為3個水平.

以球籠溫度升高量大小為正交試驗的性能指標進行正交試驗，見表1.

表1 因素水平表

2.2 正交試驗的方案組合

因為籠式同步萬向聯(lián)軸器正交試驗有3個因素，每個因素都有3個水平，現(xiàn)選用L9（34）列出以球籠溫度升高量為試驗性能指標的正交試驗表（見表2）.

表2 各試驗方案的試驗結(jié)果表

2012年11月份襄陽宇清傳動機械有限公司按照正交試驗方案組合表，在專用試驗臺架上進行了該型號籠式同步萬向聯(lián)軸器成品總成性能試驗，得到試驗方案的性能指標結(jié)果，見表3.

表3 各試驗方案的試驗結(jié)果表

3 極差分析法分析

3.1 極差分析法結(jié)果

由表3的各列因素A、B、C分別計算每一種水平上的實驗結(jié)果數(shù)值（球籠溫度的性能指標）的平均數(shù).算出因素A、B、C的極差（1、2、3水平中最大均值減最小均值的差）［6］，見表4.

表4 正交試驗結(jié)果極差分析表

3.2 試驗結(jié)果對比分析

通過表4，可以清楚的發(fā)現(xiàn)極差RA＞RB＞RC.因此，因素A（即轉(zhuǎn)速）對籠式同步萬向聯(lián)軸器成品球籠溫度影響最大.

圖2 球籠溫度與A因素水平關(guān)系圖

圖3 球籠溫度與B因素水平關(guān)系圖

圖4 球籠溫度與C因素水平關(guān)系圖

下面結(jié)合圖2～4對試驗結(jié)果進行具體對比分析：

1）由圖2可知，隨著轉(zhuǎn)速的增大，球籠溫度顯著增加.由于球籠式萬向聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速越高，球籠零部件（鐘形殼、保持架、星形套、鋼球）在單位時間內(nèi)，相互摩擦的次數(shù)就越多，因此摩擦發(fā)熱量就越大，所以轉(zhuǎn)速對球籠溫度影響顯著.

2）由圖3～4可知，隨著擺角、扭矩的增大，盡管球籠溫度也在增加，但是增加的趨勢卻不如圖1明顯.這是因為此型號的籠式同步萬向聯(lián)軸器的球籠本體零件（即鐘形殼、保持架、星形套）屬于圓弧形溝道結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)大擺角、大扭矩的傳動.因此，在最大設(shè)計擺角和最大設(shè)計扭矩范圍內(nèi)，增加擺角、扭矩，球籠溫度雖然有所增加，但是增加的趨勢并不明顯.

4 結(jié) 論

1）經(jīng)過上面的分析可以看出，利用正交試驗法，不僅能夠滿足球籠式同步萬向聯(lián)軸器性能試驗的要求，同時還可以提高生產(chǎn)企業(yè)的試驗效率.

2）通過極差分析法分析實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，可知該型號的籠式同步萬向聯(lián)軸器的使用過程中轉(zhuǎn)速對球籠溫度升高量影響最大.因此在設(shè)計球籠零部件時必須提高球籠精度，保證零件表面質(zhì)量，從而使籠式同步萬向聯(lián)軸器在高速運轉(zhuǎn)過程中減少摩擦發(fā)熱量.另外，在生產(chǎn)球籠零部件時還應(yīng)增加磨合試驗工序，從而避免球籠使用中出現(xiàn)磨合摩擦發(fā)熱.

［1］ 康鵬，馬陽利，宋庭鋒.球籠萬向節(jié)在某型礦車輪邊減速器上的應(yīng)用［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22（4）：40－41.

［2］ 秦 仙.球籠等速聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)特點簡介［J］.安徽工業(yè)大學學報，2010，34（01）：107－110.

［3］ 張全飛，于隨然，劉紀溫，等.基于正交試驗法的卸船機結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計研究［J］.機械制造，2011（12）：14－17.

［4］ 郭新梅.正交試驗設(shè)計應(yīng)用要點及其DPS實施［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2012，24（3）：40－42.

［5］ 湯雙清，胡 歡，徐艷飛.球籠式等速萬向聯(lián)軸節(jié)圓弧形溝道接觸應(yīng)力影響因素分析［J］.軸承，2010（3）：8－12.

［6］ 湯雙清，胡 歡.球籠式等速萬向聯(lián)軸節(jié)橢圓形溝道接觸應(yīng)力影響因素分析［J］.機械傳動，2010（5）：71－75.