基于模塊化的驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)方法

宋建新

【摘 要】隨著汽車(chē)規(guī)?；⒋笈康纳a(chǎn)越來(lái)越普遍，模塊化的設(shè)計(jì)方法在越來(lái)越多的企業(yè)得到應(yīng)用。上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司的CN180作為一款全新車(chē)型平臺(tái)，在開(kāi)發(fā)的前期規(guī)劃了CAR、SUV、MPV及CUV等車(chē)型，各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)用了模塊化設(shè)計(jì)方法。文章從驅(qū)動(dòng)軸入手，詳細(xì)介紹了驅(qū)動(dòng)軸的模塊化設(shè)計(jì)方法，包括節(jié)型的選擇、規(guī)格的制定、軸桿的直徑及花鍵的校核等方面入手，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了同一平臺(tái)下不同車(chē)型和不同動(dòng)力組合下驅(qū)動(dòng)軸的模塊化設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】模塊化設(shè)計(jì)方法；驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)；驅(qū)動(dòng)軸夾角；車(chē)輪打滑扭矩

【中圖分類(lèi)號(hào)】TP391 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）05-0046-04

0 引言

模塊化設(shè)計(jì)作為一種新興的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，備受各大汽車(chē)企業(yè)的重視。模塊化設(shè)計(jì)方法是在對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能、不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，通過(guò)功能模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的不同需求[1]。因此，模塊化設(shè)計(jì)的核心是設(shè)計(jì)一系列能快速拼裝成產(chǎn)品的具有通用接口的標(biāo)準(zhǔn)模塊，讓汽車(chē)裝配變得像搭積木般容易和可靠，即用不同的模塊相互搭配即可組裝成不同的整車(chē)。

在汽車(chē)模塊化的推進(jìn)與應(yīng)用上，“大眾”汽車(chē)是最廣為人知的，“大眾”汽車(chē)目前擁有MQB、MLB等5個(gè)模塊化平臺(tái)，以及最新的新能源平臺(tái)MEB。通過(guò)固化油門(mén)踏板至前輪中心的距離，標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器安裝位置，統(tǒng)一所有功能模塊指標(biāo)、接口定義，實(shí)現(xiàn)組件的互換互通。當(dāng)MQB平臺(tái)完全應(yīng)用后，“大眾”預(yù)測(cè)，屆時(shí)產(chǎn)品研發(fā)成本和零部件成本將各自降20%[2]。

驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)作為汽車(chē)傳動(dòng)系的主要構(gòu)成部分，其承接從動(dòng)力總成輸出的動(dòng)力傳遞至車(chē)輪，從而驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。本文主要研究實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)軸模塊化設(shè)計(jì)的方法。

1 驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)的構(gòu)成

對(duì)于前置發(fā)動(dòng)機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛，前懸結(jié)構(gòu)一般為獨(dú)立懸掛，作為連接變速器和車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)軸，應(yīng)能等速、可靠、平穩(wěn)及低噪聲地將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給車(chē)輪，同時(shí)滿足汽車(chē)行駛過(guò)程中上下跳和轉(zhuǎn)向等多工況軸的壓縮和擺動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)軸系統(tǒng)主要由移動(dòng)節(jié)殼體、三銷(xiāo)節(jié)總成、內(nèi)等速節(jié)防塵套、固定節(jié)殼體、行星輪、鋼球及保持架總成、外等速節(jié)防塵套等構(gòu)成（如圖1所示）。

差速器端采用滑動(dòng)的等速萬(wàn)向節(jié)，適應(yīng)汽車(chē)行駛過(guò)程中車(chē)輪的上下跳、轉(zhuǎn)向引起的軸的伸長(zhǎng)及擺動(dòng)；在車(chē)輪端采用中心固定的等速萬(wàn)向節(jié)，以適應(yīng)車(chē)輪上下跳、轉(zhuǎn)向引起的擺角變化。

2 驅(qū)動(dòng)軸模塊化設(shè)計(jì)需考慮的要素

2.1 驅(qū)動(dòng)軸夾角影響節(jié)型的選擇

滑動(dòng)式等速萬(wàn)向節(jié)包括TJ（三銷(xiāo)軸式）、DOJ（雙偏置球籠式）及VL（交叉球籠式）。

（1）TJ包含標(biāo)準(zhǔn)的TJ（如圖2所示）及改進(jìn)型AC—TJ、FrJ、ARR、TRJ、KI一2。標(biāo)準(zhǔn)的TJ由三銷(xiāo)軸、滾針、滾輪及外套構(gòu)成，廣泛應(yīng)用于低級(jí)別車(chē)輛。

（2）DOJ包含標(biāo)準(zhǔn)的DOJ（如圖3所示）及改進(jìn)型DOJ—RPC和DOJ—RPCF。標(biāo)準(zhǔn)的DOJ由外套、內(nèi)套、6個(gè)鋼球及保持架構(gòu)成。

（3）VL如圖4所示。VL的內(nèi)外套溝道相對(duì)于軸向只是等角度相互對(duì)稱(chēng)地傾斜（交叉）。

固定式的等速萬(wàn)向節(jié)包括BJ、RF、UF（如圖5所示）及GE（如圖6所示）。BJ、RF、UF的構(gòu)成同DOJ，但DOJ外套軸向斷面為直溝道，與軸線平行，BJ、RF、UF為圓??；因?yàn)锽J外套溝道為橢圓形，而UF、RF外套溝道為圓形，鋼球與之復(fù)合度較BJ高，所以同尺寸的端節(jié)額定扭矩高些。GE的構(gòu)成基本同TJ，與TJ不同的是節(jié)心是固定的，很少使用。

驅(qū)動(dòng)軸夾角分為左驅(qū)動(dòng)軸夾角（內(nèi)角和外角）、右驅(qū)動(dòng)軸夾角（內(nèi)角和外角），如圖7所示。

大的半軸工作角度將影響到等速節(jié)的耐久性，并在其本身出現(xiàn)噪音及振動(dòng)問(wèn)題。因?yàn)樵谟休S交角情況下，滑動(dòng)端萬(wàn)向節(jié)傳遞動(dòng)力時(shí)，由于零件間的相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力，其軸向分量成為起振力，此力與發(fā)動(dòng)機(jī)回轉(zhuǎn)的振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生共振，軸交角越大，振動(dòng)和噪音越大[3]。

在大角度的工況下，高端的三銷(xiāo)節(jié)比普通的三銷(xiāo)節(jié)（TJ節(jié)等）在噪音與振動(dòng)及耐久性能上有更優(yōu)良的性能。這是因?yàn)楦叨巳N(xiāo)節(jié)有更低的軸向力，高級(jí)的潤(rùn)滑脂，產(chǎn)生更低的內(nèi)熱，最低的軸向沖擊載荷等（見(jiàn)表1）。

在整車(chē)開(kāi)發(fā)確定前懸硬點(diǎn)并確定動(dòng)力總成位置時(shí)，需要考慮驅(qū)動(dòng)軸夾角對(duì)驅(qū)動(dòng)軸節(jié)型的影響。對(duì)于同一個(gè)平臺(tái)下的不同車(chē)型，以及同一車(chē)型匹配不同的動(dòng)力總成而言，在布置動(dòng)力總成位置時(shí)應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)軸夾角對(duì)三銷(xiāo)節(jié)選型的影響，同一范圍內(nèi)的驅(qū)動(dòng)軸夾角可以選擇同一型號(hào)的三銷(xiāo)節(jié)。

2.2 車(chē)輪打滑扭矩及發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩影響萬(wàn)向節(jié)規(guī)格的選擇

萬(wàn)向節(jié)規(guī)格的計(jì)算包括按發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩和按車(chē)輪打滑的扭矩2種，通常以Ts=min[Tss，Tse]為計(jì)算載荷，依據(jù)《滾動(dòng)軸承 汽車(chē)用等速萬(wàn)向節(jié)及其總成》（JB/T 10189—2001）及供應(yīng)商產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)選取相應(yīng)的萬(wàn)向節(jié)規(guī)格。

按發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)算的最大扭矩：

Tse=■

按車(chē)輪打滑的扭矩：

Tss=■

其中：Temax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩；k為離合器沖載系數(shù)，取值1.0；i1為變速器I擋速比；i0為變速器主減速比；η為機(jī)械傳動(dòng)效率，取值1.0；G1為汽車(chē)前軸靜負(fù)荷；■為汽車(chē)最大加速度時(shí)前軸的負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，取值1.0；φ為輪胎與路面的附著系數(shù)，取值1.0；rr為驅(qū)動(dòng)輪動(dòng)態(tài)加載半徑。

選型扭矩：

T=TS×K

其中：K為安全系數(shù)，取2.5。

2.3 軸桿扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)角度影響

軸桿最小直徑計(jì)算值：

d=（TS×SF/87.2）■

軸桿抗扭截面系數(shù)：

Wt=πd（3/16 ）

軸桿扭轉(zhuǎn)應(yīng)力（MPa）：

τ=■

其中，SF為使用因素系數(shù)，取值1.0。

軸桿材料為40Cr，材料硬度為52～58 HRC，其許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為535 MPa。

2.4 輪轂端和差速器端齒輪花鍵校核

一般通過(guò)花鍵齒側(cè)擠壓應(yīng)力和花鍵齒剪切應(yīng)力對(duì)輪轂端和差速器端的齒輪花鍵進(jìn)行校核，以選定移動(dòng)節(jié)殼體和固定節(jié)殼體的齒輪花鍵。

花鍵齒側(cè)擠壓應(yīng)力：

σy=■

花鍵齒剪切應(yīng)力：

τ1=■=■

3 案例應(yīng)用分析

3.1 驅(qū)動(dòng)軸模塊化需考慮的動(dòng)力總成組合

某平臺(tái)包括Car、MPV及SUV 3種車(chē)型，總共匹配1.2 L、1.0T及1.5 L 3種動(dòng)力，其中1.2 L發(fā)動(dòng)機(jī)匹配5速與6速2種變速箱，1.0 T發(fā)動(dòng)機(jī)匹配6速變速箱，1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)匹配6速變速器，共4種變速器。車(chē)型與動(dòng)力總成匹配關(guān)系見(jiàn)表2。

3.2 驅(qū)動(dòng)軸模塊化的實(shí)現(xiàn)

對(duì)于不同的動(dòng)力總成而言，動(dòng)力總成的尺寸差異較大，同時(shí)受限于左、右大梁寬度的限制及發(fā)動(dòng)機(jī)艙X方向的布置，變速器輸出點(diǎn)的位置不一致，導(dǎo)致不同動(dòng)力總成的驅(qū)動(dòng)軸的內(nèi)點(diǎn)不一致，驅(qū)動(dòng)軸不能完全共用。

通過(guò)綜合考慮各種動(dòng)力總成組合在整車(chē)中的位置，確定各驅(qū)動(dòng)軸的夾角，CN180平臺(tái)各動(dòng)力總成的驅(qū)動(dòng)軸夾角控制在4°～6°，移動(dòng)節(jié)選擇TJ節(jié)，固定節(jié)選擇BJ節(jié)（見(jiàn)表3）。

不同車(chē)型、不同動(dòng)力得到的驅(qū)動(dòng)軸規(guī)格見(jiàn)表4。

4 總結(jié)

驅(qū)動(dòng)軸的模塊化設(shè)計(jì)方法考慮了節(jié)型及規(guī)格的選擇，同時(shí)對(duì)軸桿直徑的選擇和花鍵的校核做了詳細(xì)的說(shuō)明。在同一車(chē)型平臺(tái)中，驅(qū)動(dòng)軸的模塊化設(shè)計(jì)減少了節(jié)型的種類(lèi)，降低了驅(qū)動(dòng)軸的成本，同時(shí)減少了驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)驗(yàn)證成本，在滿足車(chē)型差異化及動(dòng)力總成差異化的同時(shí)，顯著減少了零件數(shù)量，零部件通用化程度更高。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]邱國(guó)華.汽車(chē)模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用與發(fā)展[J].上海汽車(chē)，2002（11）.

[2]康文.大眾集團(tuán)的模塊化擴(kuò)張之路[J].汽車(chē)與配件，

2013（7）.

[3]高秀榮.轎車(chē)前驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要領(lǐng)[J].汽車(chē)工程

師，2016（3）.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]