1 前言
轉向萬向節主要是連接轉向軸和轉向傳動軸或連接轉向傳動軸和轉向器，用來傳遞運動和扭矩的零件。其傳遞的力矩一般較小，但其精度，特別是在加載過程中使轉向傳動軸產生的角間隙會直接影響轉向系統的靈敏度。在QC/T649-2000汽車轉向傳動軸總成性能要求及試驗方法中，要求裝一個萬向節的無滑動花鍵轉向軸在正負加載3N.m情況下角間隙≤0.25度。隨著汽車技術的發展，對汽車各性能要求日益提高，如國際轉向傳動軸知名企業DOUGLIAC公司，要求裝一個萬向節的無滑動花鍵轉向軸在正負加載10N.m情況下角間隙≤0.15度。
一般的裝熱鍛軸承萬向節的轉向傳動軸無法達到該要求，而采用裝鐵皮沖壓軸承萬向節的轉向傳動軸卻能達到對角間隙的苛刻要求。
2 轉向傳動軸的角間隙及其產生
兩根無滑動花鍵轉向軸傳動叉之間連接一只十字軸萬向節，兩傳動叉保持在一條直線上，對其中一根傳動叉作剛性固定，對另一根傳動叉施加一定量正負扭矩，其正向扭轉極限位置到負向扭轉極限位置的夾角即為轉向傳動軸的角間隙。角間隙的產生一方面是由于接叉和萬向節在外力作用下產生剛性變形，另一方面是由于熱鍛軸承萬向節其十字軸軸頸與軸承內復圓之間存在徑向間隙。轉向傳動軸受力矩較小，節叉和萬向節不會變形，角間隙主要由十字軸軸頸與軸承內復圓之間存在的徑向間隙產生。角間隙測試示意如圖1所示。
3 熱鍛軸承萬向節的結構及軸承加工工藝
熱鍛軸承萬向節的外圈材料一般為20Gr，為達到其性能要求，采用如下加工工藝：熱鍛-車加工-熱處理（滲碳淬火）-磨加工。外圈壁厚一般大于2.5mm，故外圈剛性較好，不宜變形。熱鍛軸承萬向節結構示意如圖2所示，熱鍛軸承結構示意如圖3所示。
4 熱鍛軸承萬向節的轉向傳動軸角間隙分析
設連接轉向軸的萬向節十字軸長度為!，十字軸軸頸和軸承內復圓的徑向間隙為"。將一節叉剛性固定，另一個轉向節叉加正向力矩，即加載+10N.m的力矩，則萬向節十字軸一軸頭與軸承內復圓的接觸如圖4所示。
再在同一節叉加一反向力矩，即加載-10N.m力矩，則此萬向節十字軸上的同一軸頭與軸承內復圓接觸如圖5所示。
加正負載荷時萬向節十字軸一個方向的軸頭與內復圓徑向間隙引起的轉向軸角間隙α如圖6所示。
萬向節一軸頭與內復圓徑向間隙引起的轉向軸角間隙計算如下：α=2arctg(T/L)。轉向軸的角間隙由萬向節兩個方向的軸頭引起，故轉向軸總的角間隙β=2α。轉向萬向節一般尺寸較小，其十字軸長度不超過40mm。當一轉向傳動軸角間隙要求≤0.15度時，即β=0.15度，α=0.075度。根據以上公式α=2arctg(T/L)計算得T=0.026mm，即十字軸軸頸與軸承內復圓之間的最大徑向間隙為0.026mm。為使萬向節裝叉后不產生發卡現象，十字軸軸頸與軸承內復圓最小徑向間隙應保證為0.004mm，故萬向節軸頸和軸承內復圓的累積誤差為0.026-0.004=0.022mm。由于十字軸四個軸頭公差無法分檔，一般十字軸磨削加工后軸頸最小公差為0.008mm，內復圓直徑的公差只有0.014mm，即滾針和外圈內徑的累積公差為0.014mm，滾針最小公差為0.003mm，在直徑方向的累積公差為0.006mm，因而最終留給外圈內徑的公差只有0.008mm。一般的內圓磨削加工工藝不能達到此公差要求。
5 鐵皮軸承萬向節的結構及軸承加工工藝
鐵皮軸承萬向節的外圈采用易拉伸鋼板沖壓拉伸而成，鋼板厚度一般為1mm。軸承外圈加工工藝為：下料-沖壓成形-熱處理（碳氮共滲）-竄光。且經沖壓拉伸成形后的壁厚一般為("5$$左右，在外力作用下易變形。鐵皮軸承萬向節結構示意如圖7所示，鐵皮軸承結構示意如圖8所示。
6 鐵皮軸承萬向節的轉向傳動軸角間隙分析
轉向傳動軸采用鐵皮軸承萬向節，可通過軸承外徑與節叉內孔過盈配合、十字軸軸頸與軸承內復圓過渡配合來達到較小的角間隙。具體原理如下：轉向萬向節的尺寸較小，軸承外徑為14~20mm左右，外圈用厚度為1mm的鋼板沖壓而成，沖壓成形后外圈壁厚一般為0.8mm左右，在較小外力作用下易變形。軸承外徑與節叉內孔之間采用過盈配合，當鐵皮軸承壓入節叉時隨節叉內孔的形狀得到整形。軸承內復圓與十字軸軸頸之間采用過渡配合，當十字軸壓入軸承時軸承內復圓隨十字軸的軸頸得到脹大，進一步進行一定程度整形，使十字軸軸頸和軸承內復圓之間能在保持較小的徑向間隙的同時轉動靈活。
7鐵皮軸承萬向節的轉向軸角間隙試驗證
對要求萬向節軸承外徑為15mm的轉向軸采用鐵皮軸承萬向節進行角間隙試驗驗證。選用節叉孔尺寸為
，根據以上分析合理設計十字軸軸頸、軸承內復圓、軸承外徑和標準圈的尺寸，以達到角間隙≤0.15度的要求。
7.1 軸承外徑、內徑尺寸為使軸承壓入節叉后達到較好的整形效果，使兩者有0.05mm左右的過盈量，同時由于鐵皮軸承熱處理后不進行機加工，軸承外徑公差較大，故將軸承外徑尺寸定為
。內復圓尺寸根據外圈壁厚0.8mm、滾針直徑 1.5mm計算出，可定壓入標準圈時內復圓尺寸為 
。
7.2 標準圈尺寸
標準圈起標準節叉的作用，其尺寸與節叉孔尺寸在理論上應一致，可定為
。
7.3 十字軸軸頸尺寸
為滿足其苛刻的角間隙要求，十字軸軸頸應與軸承內復圓過渡配合，軸頸尺寸定為
。
對按以上尺寸生產的 * 個產品進行角間隙試驗驗證，具體結果如表1所示。
根據試驗可知，通過合理設計鐵皮軸承轉向萬向節的各配合尺寸，裝一個萬向節的無滑動花鍵轉向軸在正負加載10N.m情況下可以達到角間隙≤0.15度的苛刻要求。
8 結束語
根據以上分析和測試可知，裝一個轉向萬向節的無滑動花鍵轉向軸角間隙要達到≤0.15度-的要求，應該改變傳統的采用熱鍛軸承萬向節的方法，而采用鐵皮軸承萬向節代替。即通過合理設計十字軸軸頸、內復圓直徑、叉子孔直徑尺寸，達到軸承外徑與節叉內孔過盈配合、十字軸與壓入后的軸承過渡配合狀態，使十字軸和軸承內復圓之間能在保持較小的徑向間隙的同時轉動靈活，可滿足角間隙≤0.15度的要求。同時由于轉向萬向節在使用中承受力矩較小，故使用鐵皮軸承萬向節也能滿足產品使用中的其它性能要求。另外，鐵皮軸承節省材料，加工工藝簡單，具有較好的實用推廣性。
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