基于輕卡某重載版車型萬(wàn)向傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)分析

孫慶義

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于輕卡某重載版車型萬(wàn)向傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)分析

孫慶義

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車萬(wàn)向傳動(dòng)軸裝置的作用是實(shí)現(xiàn)一對(duì)軸線相交且相對(duì)位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)軸之間的動(dòng)力傳遞。文章基于輕卡某重載版 3845mm軸距的產(chǎn)品，首先對(duì)萬(wàn)向節(jié)及中間支撐等萬(wàn)向傳動(dòng)軸的主要零部件進(jìn)行介紹，然后利用發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩、變速箱速比確定萬(wàn)向傳動(dòng)軸規(guī)格，最后將鋼板彈簧剛度等相關(guān)參數(shù)用作圖法對(duì)萬(wàn)向傳動(dòng)軸的當(dāng)量夾角等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)確認(rèn)。

輕卡；萬(wàn)向傳動(dòng)軸；作圖法；當(dāng)量夾角

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成所產(chǎn)生的原動(dòng)力，經(jīng)過(guò)變速箱減速增大扭矩或換向后，通過(guò)傳動(dòng)軸裝置傳遞到后橋總成，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)后輪旋轉(zhuǎn)，克服前進(jìn)阻力。對(duì)于輕型載貨汽車而言，傳動(dòng)軸長(zhǎng)度小于1500mm時(shí)，大多可以采用單根傳動(dòng)軸，而長(zhǎng)度大于1500mm時(shí)，一般軸管臨界轉(zhuǎn)速不能滿足要求，進(jìn)而采用兩根或多根傳動(dòng)軸。與變速器相連接的傳動(dòng)軸總成稱為中間傳動(dòng)軸，而直接與后橋總成相連的傳動(dòng)軸總成則稱之為后橋傳動(dòng)軸。中間傳動(dòng)軸上裝有彈性支承元件，包括中間軸承、彈性元件、托架，彈性支承元件可以吸收振動(dòng)，并允許傳動(dòng)軸相對(duì)車架運(yùn)動(dòng)。

萬(wàn)向傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)要求：保證所連接的兩軸相對(duì)位置在預(yù)計(jì)范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，能可靠的傳遞動(dòng)力；保證所連接兩軸盡可能等速運(yùn)轉(zhuǎn)，由于萬(wàn)向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動(dòng)和噪音；傳動(dòng)軸效率高，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，維修容易等。

1 萬(wàn)向傳動(dòng)軸的主要零部件

帶有十字軸式萬(wàn)向節(jié)的軸管或兩十字軸式萬(wàn)向節(jié)是直接連接的，用來(lái)把發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給驅(qū)動(dòng)軸的總成。傳動(dòng)軸、花鍵軸、滑動(dòng)叉、中間支承和萬(wàn)向節(jié)叉等共同組成了傳動(dòng)軸總成，具體結(jié)構(gòu)如圖1：

圖1 傳動(dòng)軸總成結(jié)構(gòu)

1.1 十字軸

在兩軸夾角不變或改變時(shí)，能夠?qū)⑴ぞ睾托D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從一根軸傳到另一根軸的關(guān)節(jié)式的機(jī)械裝置。

1.2 萬(wàn)向節(jié)

在同一平面內(nèi)具有四個(gè)徑向均布軸頸的中間傳動(dòng)元件，萬(wàn)向節(jié)具體結(jié)構(gòu)如圖2：

圖2 萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)

1.3 中間支撐

傳動(dòng)軸中間支承總成是傳動(dòng)軸一個(gè)非常重要的零部件，一般都包括金屬?zèng)_壓件和橡膠件總成（包括軸承）兩個(gè)總成件。如圖3所示：

圖3 中間支撐

2 萬(wàn)向傳動(dòng)軸規(guī)格確定

2.1 傳動(dòng)軸規(guī)格

根據(jù)整車匹配的動(dòng)力總成和驅(qū)動(dòng)橋軸荷確定傳動(dòng)軸承受的扭矩Tse：以輸入端發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和變速器—擋傳動(dòng)比來(lái)確定。

式中：Tse—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；i1—變速器一檔速比；η—發(fā)動(dòng)機(jī)到傳動(dòng)軸之間的傳動(dòng)效率，取1；n—為計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋數(shù)；Kd—猛踩離合所產(chǎn)生的動(dòng)載荷系數(shù)，根據(jù)《汽車設(shè)計(jì)》十字軸萬(wàn)向節(jié)篇，一般商用車Kd=1；

根據(jù)總布置設(shè)計(jì)要求發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩Tse=500N·m，X型變速箱速比如下：

表1

傳動(dòng)軸最大扭矩為：

根據(jù)傳動(dòng)軸平臺(tái)，選擇額定扭矩為2800-3600 N·m的φ90x3的軸管，外徑為90mm，壁厚為3mm。

2.2 軸管強(qiáng)度計(jì)算

軸管強(qiáng)度計(jì)算公式為：

式中：D-軸管外徑；d-軸管內(nèi)徑；

帶入數(shù)據(jù)得：τ=88.27MPa。

軸管最大許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力為180MPa，故安全系數(shù)為2.04，大于1.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 作圖法校核傳動(dòng)軸

3.1 傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角校核

該款車型為3845mm軸距，傳動(dòng)軸總長(zhǎng)度大于1500mm，采用雙聯(lián)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。傳動(dòng)軸雙聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求：傳動(dòng)軸相位按照++-或者+-+進(jìn)行布置，可以獲得較小的當(dāng)量夾角，且任何時(shí)候當(dāng)量夾角αe不大于3°；在滿載工況下，單個(gè)傳動(dòng)軸萬(wàn)向節(jié)布置角度不允許大于4°；在空載或極限工況下，單個(gè)傳動(dòng)軸萬(wàn)向節(jié)布置角度不允許大于 7°；另外，應(yīng)使萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)兩端夾角盡量相等或接近。傳動(dòng)軸布置示意圖如圖4：

圖4 傳動(dòng)軸布置示意圖

該款車型傳動(dòng)軸相位采用+-+，當(dāng)量夾角 αe計(jì)算公式如下：

式中：α1—第1根傳動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)（變速箱）曲軸中心的夾角；α2—第1根傳動(dòng)軸中心線與第2根傳動(dòng)軸的夾角；α3—第2根傳動(dòng)軸中心線與后橋凸緣中心線的夾角；

根據(jù)該款車型總布置方案說(shuō)明書所規(guī)定的整車參數(shù)，結(jié)合已選定的傳動(dòng)軸規(guī)格和確定后橋中心坐標(biāo)的作圖法，可確定傳動(dòng)軸萬(wàn)向節(jié)輸入軸與輸出軸之間的夾角。

表2

圖5 傳動(dòng)軸校核圖

如圖5所示，可得滿載以及極限載狀態(tài)下當(dāng)量夾角如下：

表3

由上表可知三種狀態(tài)下的當(dāng)量夾角均小于3°，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速校核

由圖5知后橋傳動(dòng)軸長(zhǎng)度為1058mm，臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算如下：

式中：L-傳動(dòng)軸長(zhǎng)度（兩萬(wàn)向節(jié)中心線距離）mm。

安全系數(shù)大于2，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程參考以往車型采用經(jīng)驗(yàn)法和匹配設(shè)計(jì)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，充分的利用了相關(guān)的參數(shù)，確保了設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性。零部件設(shè)計(jì)基于“通用化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化”要求，降低了零部件開(kāi)發(fā)的成本、縮短了開(kāi)發(fā)周期。對(duì)今后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)工作打下了良好的基礎(chǔ)。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[2] 張洪欣.汽車設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[3] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[4] 張金柱.汽車原理與構(gòu)造[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2016 .

Design and analysis of universal transmission shaft based on light truck heavy plate model

Sun Qingyi
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

Automobile universal transmission shaft device is a rotating shaft on the dynamic between the intersection and the relative position of constantly changing transmission. In this paper, a 3845mm light truck wheelbase based products, first of all the main components of the universal joint and intermediate support universal transmission shaft are introduced, and then use the engine torque, transmission speed determine universal transmission the shaft size, stiffness and other related parameters on the mapping method of universal drive shaft equivalent angle and other parameters were designed to confirm.

light truck; universal transmission shaft; the mapping method; equivalent angle

U462.1

A

1671-7988 (2017)21-55-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.020

CLC NO.: U462.1

A

1671-7988 (2017)21-55-03

孫慶義（1993-），男，助理工程師，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司輕型車研究所，主要從事汽車底盤方面的設(shè)計(jì)工作。