球笼式万向联轴器试验设计与性能分析

黄灿超 吴 刚 赵 阳 陈双坤

（三峡大学机械与材料学院，湖北宜昌 443002）

笼式同步万向联轴器是目前应用最为广泛的等速万向节，它的球笼本体由钟形壳、保持架、星套、钢球等组成.目前，国内很多学者对笼式同步万向联轴器结构形式、几何参数、加工工艺等进行了深入细致的研究，但关于笼式同步万向联轴器在使用过程中的性能和寿命研究资料相对较少.

在球笼式同步万向联轴器的实际使用过程中发现：由于摩擦发热导致球笼本体内部润滑脂变稀，甚至超过燃点而自燃，导致润滑脂失去了对笼式同步万向联轴器的润滑作用，大大降低了球笼式同步万向联轴器的性能与寿命［1］.然而，转速、摆角、扭矩等因素对联轴器的摩擦发热现象影响很大.因此，在笼式同步万向联轴器在制造完成后，必须在专用试验台架上做性能试验，以测试笼式同步万向联轴器在不同转速、摆角、扭矩条件下，球笼本体的发热情况是否满足实际要求［2］.

1 优化前试验条件与方案

1.1 试验描述

在常温下，将笼式同步万向联轴器总成安装在专用试验台架上.试验开始之前，按照试验大纲要求，调整好试验转速、球笼摆角、试验扭矩.试验开始后，利用电子式红外测温仪测量并记录球笼本体温度升高量.

1.2 试验台架结构

试验装置主要由以下3大部分组成（如图1所示）：驱动装置由变频器、变频电机组成，可以通过调整频率保证试件按照规定的转速运转.测功机由变频器、负载变频电机、扭矩传感器组成，可以通过调整频率对试件施加大小不同的负载，扭矩传感器实时测试并记录试件的传动转矩.试件固定在由油缸驱动的滑移平台上，通过油缸驱动平台移动，可以实现试件的摆角调整.

图1 某型笼式同步万向联轴器试验台示意图

2 基于正交试验法的试验方案优化设计

按照《GB／T 7750－2008球笼式同步万向联轴器试验方法》的要求，襄阳宇清传动机械公司生产的某型笼式同步万向联轴器成品需要测试在不同转速、摆角、扭矩条件下球笼本体温度的升高量.由于没有科学合理的试验方法，该公司在实际生产中只能采用全面试验的方法，即需要对每一件试验联轴器连续做27次试验.试验周期长，严重影响了生产效率，而且试验结果很难做统计分析.

“正交试验法”是一种科学的编制和分析多因素试验的方法，它可以利用有限的试验次数推断出能够指导实践的正确结论并得到良好的效果，是使工作达到多快好省的一个非常便利的工具［3－6］，本文采用该方法进行试验设计.

2.1 试验的因素与水平

襄阳宇清传动机械公司生产的某型笼式同步万向联轴器的最高设计转速为2 000r／min、最大设计摆角为27°、最大设计扭矩为400N／m.按照《GB／T 7750－2008球笼式同步万向联轴器试验方法》的要求，性能试验应以最高设计参数的25%、50%、75%进行.因此，以转速为因素A，设500r／min、1 000r／min、1 500r／min为3个水平；以摆角为因素B，设10°、15°、20°为3个水平；以扭矩为因素C，设100N／m、200N／m、300N／m为3个水平.

以球笼温度升高量大小为正交试验的性能指标进行正交试验，见表1.

表1 因素水平表

2.2 正交试验的方案组合

因为笼式同步万向联轴器正交试验有3个因素，每个因素都有3个水平，现选用L9（34）列出以球笼温度升高量为试验性能指标的正交试验表（见表2）.

表2 各试验方案的试验结果表

2012年11月份襄阳宇清传动机械有限公司按照正交试验方案组合表，在专用试验台架上进行了该型号笼式同步万向联轴器成品总成性能试验，得到试验方案的性能指标结果，见表3.

表3 各试验方案的试验结果表

3 极差分析法分析

3.1 极差分析法结果

由表3的各列因素A、B、C分别计算每一种水平上的实验结果数值（球笼温度的性能指标）的平均数.算出因素A、B、C的极差（1、2、3水平中最大均值减最小均值的差）［6］，见表4.

表4 正交试验结果极差分析表

3.2 试验结果对比分析

通过表4，可以清楚的发现极差RA＞RB＞RC.因此，因素A（即转速）对笼式同步万向联轴器成品球笼温度影响最大.

图2 球笼温度与A因素水平关系图

图3 球笼温度与B因素水平关系图

图4 球笼温度与C因素水平关系图

下面结合图2～4对试验结果进行具体对比分析：

1）由图2可知，随着转速的增大，球笼温度显著增加.由于球笼式万向联轴器转速越高，球笼零部件（钟形壳、保持架、星形套、钢球）在单位时间内，相互摩擦的次数就越多，因此摩擦发热量就越大，所以转速对球笼温度影响显著.

2）由图3～4可知，随着摆角、扭矩的增大，尽管球笼温度也在增加，但是增加的趋势却不如图1明显.这是因为此型号的笼式同步万向联轴器的球笼本体零件（即钟形壳、保持架、星形套）属于圆弧形沟道结构，能够实现大摆角、大扭矩的传动.因此，在最大设计摆角和最大设计扭矩范围内，增加摆角、扭矩，球笼温度虽然有所增加，但是增加的趋势并不明显.

4 结 论

1）经过上面的分析可以看出，利用正交试验法，不仅能够满足球笼式同步万向联轴器性能试验的要求，同时还可以提高生产企业的试验效率.

2）通过极差分析法分析实验结果数据，可知该型号的笼式同步万向联轴器的使用过程中转速对球笼温度升高量影响最大.因此在设计球笼零部件时必须提高球笼精度，保证零件表面质量，从而使笼式同步万向联轴器在高速运转过程中减少摩擦发热量.另外，在生产球笼零部件时还应增加磨合试验工序，从而避免球笼使用中出现磨合摩擦发热.

［1］ 康鹏，马阳利，宋庭锋.球笼万向节在某型矿车轮边减速器上的应用［J］.机电产品开发与创新，2009，22（4）：40－41.

［2］ 秦 仙.球笼等速联轴器结构特点简介［J］.安徽工业大学学报，2010，34（01）：107－110.

［3］ 张全飞，于随然，刘纪温，等.基于正交试验法的卸船机结构轻量化设计研究［J］.机械制造，2011（12）：14－17.

［4］ 郭新梅.正交试验设计应用要点及其DPS实施［J］.现代农业科技，2012，24（3）：40－42.

［5］ 汤双清，胡 欢，徐艳飞.球笼式等速万向联轴节圆弧形沟道接触应力影响因素分析［J］.轴承，2010（3）：8－12.

［6］ 汤双清，胡 欢.球笼式等速万向联轴节椭圆形沟道接触应力影响因素分析［J］.机械传动，2010（5）：71－75.