重型汽車的傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)探討

程秀華，李煥

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

重型汽車的傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)探討

程秀華，李煥

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

在汽車上，萬向傳動(dòng)裝置由萬向節(jié)、傳動(dòng)軸和支承裝置組成。它用于不同軸心的兩軸間或工作過程中相對位置不斷改變的兩根軸之間的動(dòng)力傳遞。本文主要對重型汽車的傳動(dòng)軸從長度確定、設(shè)計(jì)計(jì)算等幾個(gè)方面進(jìn)行了探討。

傳動(dòng)軸；傳動(dòng)軸長度；傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角

CLC NO.：U463.216Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-36-03

前言

在汽車上，萬向傳動(dòng)裝置由萬向節(jié)、傳動(dòng)軸和支承裝置組成。它用于不同軸心的兩軸間或工作過程中相對位置不斷改變的兩根軸之間的動(dòng)力傳遞。前置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)的汽車在行駛過程中，由于懸架的不斷變化，因此它們之間需要用可伸縮的萬向傳動(dòng)軸聯(lián)接。這時(shí)當(dāng)聯(lián)接的距離較近時(shí)，常采用兩個(gè)萬向節(jié)和一根可伸縮的傳動(dòng)軸；當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，常將傳動(dòng)軸分成兩根或三根，用三個(gè)或四個(gè)萬向節(jié)，且后面一根傳動(dòng)軸可伸縮，中間傳動(dòng)軸應(yīng)有支承。萬向節(jié)所聯(lián)的兩軸之間的夾角，對一般載貨汽車不應(yīng)超過15°～20°，對于4×4越野汽車(特別是短軸距越野車)和6×4 驅(qū)動(dòng)的中、后橋之間的傳動(dòng)軸，最大夾角達(dá)30°～35°。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使汽車滿載靜止時(shí)十字軸萬向節(jié)的工作角度不大于3°～5°，特殊場合不超過8°。在一些越野汽車上，由于整車布置困難，前橋傳動(dòng)軸夾角也不宜超過12°。

表1 十字軸萬向節(jié)夾角α的允許范圍

汽車萬向傳動(dòng)裝置應(yīng)滿足如下基本要求：

（1）聯(lián)接的兩軸相對位置在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)能可靠地傳遞扭矩；

（2）所聯(lián)接的兩軸盡可能等速旋轉(zhuǎn)，由于兩軸之間存在的夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動(dòng)和噪聲降到許可范圍內(nèi)；

（3）傳動(dòng)效率高，壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造維修方便。

1、傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)形式

傳動(dòng)軸由十字軸滾針軸承總成、軸管、萬向節(jié)叉及滑動(dòng)花鍵等部件組成(見圖1)。對于長軸距汽車的分段傳動(dòng)軸，還需要有中間支承(見圖2)。

2、傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)軸扭矩的選用

根據(jù)以下公式來選用不同屈服扭矩的傳動(dòng)軸：

式中：T——傳動(dòng)軸計(jì)算扭矩，N·m；

Temax——發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩，N·m；

ig1、ig2——變速器的一檔傳動(dòng)比和分動(dòng)器的

低檔傳動(dòng)比；

Kd——?jiǎng)虞d系數(shù)，取1.5；

MS——傳動(dòng)軸屈服扭矩，N·m。

2.2 傳動(dòng)軸長度的確定

2.2.1 多根傳動(dòng)軸傳動(dòng)時(shí)各傳動(dòng)軸長度的確定

對于多根傳動(dòng)軸傳動(dòng)，設(shè)計(jì)原則是與驅(qū)動(dòng)橋或分動(dòng)器相聯(lián)的傳動(dòng)軸為長度可變化的伸縮傳動(dòng)軸(帶兩個(gè)萬向節(jié))，其余傳動(dòng)軸為中間傳動(dòng)軸(帶中間支承，帶一個(gè)萬向節(jié)，且長度不可變)。對于中間傳動(dòng)軸與變速器輸出軸或中間傳動(dòng)軸之間的夾角，不能大于3°；對于伸縮傳動(dòng)軸兩端的夾角，滿載時(shí)不能大于5°，特殊情況下不能大于8°。設(shè)計(jì)時(shí)在傳動(dòng)軸最高轉(zhuǎn)速＜0.7 倍傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速的前提下，盡可能選用較長的伸縮傳動(dòng)軸，以減小伸縮傳動(dòng)軸兩端的夾角。

L1-飛輪殼后端面到A 點(diǎn)距離；L2-變速器離合器殼安裝面到輸出法蘭面距離；

L3、L6、L8-傳動(dòng)軸十字軸中心到傳動(dòng)軸法蘭面距離；

L10-汽車滿載時(shí)車橋中心線到車架縱梁上翼面距離。α 1-第1 傳動(dòng)軸與變速器輸出軸夾角；

α2-第2 傳動(dòng)軸與第1傳動(dòng)軸夾角；

通過圖3所示，根據(jù)車架上橫梁的位置，在盡可能選用較長伸縮傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)原則下，選擇合適的橫梁來安裝支承角板，支承角板的下部與中間傳動(dòng)軸的中間支承相聯(lián)。為了避免傳動(dòng)軸及支承角板品種過多，安裝支承角板的橫梁在車架上的安裝位置盡可能統(tǒng)一，安裝支承角板的橫梁種類也要盡可能少。確定支承角板的前后安裝位置后，通過調(diào)節(jié)支承角板的高度來調(diào)整角度α1、α2、α3，在滿足α1≤3°、α2≤5°、α3≤5°(特殊情況下α2、α3≤8°)及與其它零部件的間隙不小于20mm 的前提下，使α1、α2、α3的值盡可能小。待傳動(dòng)軸夾角符合設(shè)計(jì)要求后，支承角板高度以及傳動(dòng)軸長度也就確定下來了。其中第1傳動(dòng)軸的長度(單位mm)為L3+L4，第2傳動(dòng)軸的最短長度(單位mm，伸縮量為110mm)為L6+L7+L8-(30～50)，減去30～50mm 的原因是為了保證驅(qū)動(dòng)橋前后擺動(dòng)時(shí)傳動(dòng)軸不致頂死以及便于裝配。

2.2.2單根傳動(dòng)軸傳動(dòng)時(shí)傳動(dòng)軸長度的確定

當(dāng)變速器輸出軸法蘭面到驅(qū)動(dòng)軸輸入軸法蘭面的距離L≤2170mm，就可以用一根傳動(dòng)軸傳動(dòng)，此時(shí)傳動(dòng)軸的最小長度(單位mm)為L-(30～50)；對于中后驅(qū)動(dòng)橋之間的傳動(dòng)軸，其最小長度(單位mm)為L' -(25～40)，其中L為中間驅(qū)動(dòng)橋輸出軸法蘭面到后驅(qū)動(dòng)橋輸入軸法蘭面的距離。

2.2.3伸縮傳動(dòng)軸長度校核

汽車驅(qū)動(dòng)橋在行駛過程中會發(fā)生上下跳動(dòng)及前后移動(dòng)，因此連接驅(qū)動(dòng)橋的傳動(dòng)軸長度必須是可變的(也就是具有一定的伸縮量)。下面用一個(gè)4×2 牽引車傳動(dòng)軸跳動(dòng)圖來說明

伸縮傳動(dòng)軸長度的校核過程。由于驅(qū)動(dòng)橋前后移動(dòng)量很小(一般10mm 以內(nèi))，因此在校核傳動(dòng)軸長度時(shí)驅(qū)動(dòng)橋的前后移動(dòng)可以忽略，就考慮驅(qū)動(dòng)橋上下跳動(dòng)時(shí)傳動(dòng)軸長度的變化。如圖4所示，BC為汽車滿載時(shí)傳動(dòng)軸位置，BC＇為驅(qū)動(dòng)橋向下跳動(dòng)到最大極限位置時(shí)傳動(dòng)軸位置。為了簡化計(jì)算，將BC作為傳動(dòng)軸的最短長度，BC＇作為傳動(dòng)軸的最長長度，則BC＇-BC為傳動(dòng)軸所需的伸縮量，該值一般為20～40mm。傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)最短長度為BC＇-(30～50)，取最短值，即傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)最短長度為BC＇-50；重型卡車伸縮傳動(dòng)軸的伸縮量絕大部分為110mm(在保證可靠傳遞設(shè)計(jì)扭矩的前提下，伸縮量越大越好，以適應(yīng)不同長度的變速器，但過大的伸縮量會增加成本及縮短傳動(dòng)軸壽命)，則該車型的傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)長度變化范圍為BC＇-50～BC＇+60，傳動(dòng)軸實(shí)際長度變化范圍為BC＇～BC＇ +40，實(shí)際長度變化在設(shè)計(jì)長度變化范圍之內(nèi)，傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)長度符合該車型的要求。其它車型伸縮傳動(dòng)軸長度校核也是按上述方法進(jìn)行，即通過作圖法進(jìn)行校核。

2.2.4 傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角的計(jì)算

傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角計(jì)算公式如下：

其中θ —當(dāng)量夾角；

線辣椒可受菟絲子寄生危害。枝條被寄生物纏繞而生縊痕，生育不良，由于菟絲子生長迅速而繁茂，極易把整個(gè)辣椒田覆蓋，嚴(yán)重時(shí)辣椒植株嫩稍和全株枯死。

θi—第i 個(gè)萬向節(jié)兩軸線夾角(i=1,2,3…n),i 為奇數(shù)時(shí)夾角符號為“+”，偶數(shù)時(shí)夾角符號為“-”。

以圖3來舉例說明傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角的計(jì)算。

圖3所示車型滿載時(shí)的傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角為

要確保傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角θ ≤3°，才能避免傳動(dòng)軸系統(tǒng)的震動(dòng)。

3、傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 傳動(dòng)軸總成的臨界轉(zhuǎn)速

在確定傳動(dòng)軸軸管尺寸和總成長度時(shí)，必須保證傳動(dòng)軸有足夠的強(qiáng)度和足夠高的臨界轉(zhuǎn)速，以便傳動(dòng)軸在低速大扭矩和高速行駛時(shí)都能正?？煽康毓ぷ鳌?/p>

實(shí)際生產(chǎn)的傳動(dòng)軸不可能絕對平衡，高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)軸質(zhì)量偏心產(chǎn)生的離心力吸引起傳動(dòng)軸的彎曲振動(dòng)。當(dāng)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速等于它自身的彎曲振動(dòng)固有頻率時(shí)，便發(fā)生共振，振幅急劇增加，甚至使傳動(dòng)軸彎曲折斷，此時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速。

式中：D、d——傳動(dòng)軸的外徑和內(nèi)徑，mm

L——傳動(dòng)軸的支承長度，取兩萬向節(jié)的中心距，mm

由于計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速的公式是近似的，另外，傳動(dòng)軸使用中的磨損，平衡的破壞等，都會使傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速下降。因此，設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸時(shí)，為安全起見，要使傳動(dòng)軸的最高工作轉(zhuǎn)速小于0.7nk。

3.2 傳動(dòng)軸軸管

傳動(dòng)軸軸管主要用來傳遞扭矩，高速旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)軸要求軸管質(zhì)量分布均勻，易于動(dòng)平衡，因此通常采用20號低碳鋼板卷制的電焊鋼管。隨著金屬材料的發(fā)展，目前又有強(qiáng)度更高的電焊鋼管可供選用。

傳動(dòng)軸軸管的斷面尺寸除保證有足夠高的臨界轉(zhuǎn)速外，還應(yīng)保證有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。軸管扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ

式中：D，d——軸管外徑和內(nèi)徑，mm；

T——傳動(dòng)軸計(jì)算扭矩，N·mm；

按照上式計(jì)算得出的傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τ不應(yīng)大于300MPa。

4、傳動(dòng)軸總成的技術(shù)要求

（1）傳動(dòng)軸總成必須通過動(dòng)平衡，許用不平衡量不應(yīng)低于GB/T 9239-1988 中規(guī)定的G40平衡品質(zhì)等級要求。

（2）在傳動(dòng)軸軸管上任意一點(diǎn)測量的最大跳動(dòng)應(yīng)在0.30mm～0.80mm，上限適合于轉(zhuǎn)速高、長度大的傳動(dòng)軸。

（3）傳動(dòng)軸兩端萬向節(jié)叉的軸承孔中心線應(yīng)位于同一平面，允許的偏差不大于1°。

（4）萬向節(jié)實(shí)際最大轉(zhuǎn)角不得大于設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)角。

（5）檢查軸管與焊接叉、花毽軸焊縫的焊接強(qiáng)度時(shí)，檢驗(yàn)扭矩不小于傳動(dòng)軸總成的屈服扭矩。

傳動(dòng)軸主要是在汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中對動(dòng)力進(jìn)行傳遞，保證整車能正常行駛。本文主要是對傳動(dòng)軸的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

[1] 吉林工業(yè)大學(xué)汽車教研室.《汽車設(shè)計(jì)》.機(jī)械工業(yè)出版社.1983.

[2]《汽車工程手冊》編輯委員會.《汽車工程手冊·設(shè)計(jì)篇》.人民交通出版社2001.

[3] 陳家瑞.《汽車構(gòu)造》.機(jī)械工業(yè)出版社.2008.

[4] 王霄峰. 《汽車底盤設(shè)計(jì)》.清華大學(xué)出版社.2010.

Research on the drive shaft design for heavy-duty vehicle

Cheng Xiuhua, Li Huan
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

Universal driving device contain of universal joint，drive shaft and supporting device on the vehicle. It is used for transfer power between twin-shaft at the different axle center or between variable twin-shaft on relative position during working.this paper describes the research of drive shaft about determination of length，calculation of design for heavy-duty vehicle.

drive shaft；drive shaft length；equivalent angle of drive shaft

U463.216

A

1671-7988(2014)07-36-03

程秀華，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，主要從事整車設(shè)計(jì)。