等速驅動軸花鍵強度分析與應用

孟祥偉

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

引言

現(xiàn)代經濟型轎車大都采用前輪驅動的布置型式，等速驅動軸是其中的關鍵部件之一，將發(fā)動機經變速箱輸出的動力輸出到車輪，從而驅動整車前進或倒退，其結構強度與工作性能的好壞直接影響到整車的工作可靠性。等速驅動軸一端與變速箱相連接，可以軸向滑動和擺動，稱為移動節(jié)；另一端與輪轂單元相連接，不能軸向滑動，可以繞中心點擺動，稱為固定節(jié)。

圖1 等速驅動軸總成

移動節(jié)與變速箱、固定節(jié)與輪轂單元都是靠漸開線花鍵連接并傳遞動力。因此，漸開線花鍵的強度決定等速驅動軸傳遞動力的能力，在等速驅動軸方案設計階段需要對漸開線花鍵強度進行校核。主要從花鍵齒面接觸強度、花鍵齒根彎曲強度、花鍵齒根剪切強度三個方面校核分析。

1 花鍵的受力分析

圖2 漸開線花鍵連接的理論位置

發(fā)動機輸出的動力，經離合器、變速箱傳遞到驅動軸，通過驅動軸傳遞到車輪，花鍵只承受轉矩T，不承受壓軸力。在傳遞的轉矩T的作用下，一側的齒面彼此接觸、側隙相等。同時，由于漸開線花鍵的自定心作用，內花鍵與外花鍵的兩軸線仍是同軸的，如圖2所示。所有花鍵齒傳遞轉矩，承受同樣大小的載荷，如圖3所示。

圖3 漸開線花鍵載荷分配

2 花鍵載荷計算

2.1 輸入轉矩T計算

式中：η—變速器傳動效率，取0.95。

Imax—變速器最大總速比。

2.2 名義切向力Ft計算

2.3 單位載荷W計算

3 齒面接觸強度計算

3.1 齒面壓應力σH計算

式中：

3.2 齒面需用壓應力[σH]計算

式中：σ0.2—花鍵材料屈服強度。

SH—齒面接觸強度系數(shù),一般取 1.25～1.5.較重要的及淬火的花鍵取較大值，一般的未經淬火的花鍵取較小值。驅動軸花鍵表面一般進行淬火處理，SH取1.5。

K1—考慮由于傳動系統(tǒng)外部因素而產生的動力過載影響系數(shù)。對于驅動軸花鍵，輸入和輸出端均平穩(wěn)工作，K1取1.0。

K2—當花鍵副承受壓軸力時，考慮花鍵副齒側配合間隙對各鍵齒上所受載荷影響的系數(shù)。對于驅動軸花鍵，壓軸力為零，只承受轉矩，K2取1.0。

K3—考慮花鍵的齒距累積誤差（分度誤差）影響各鍵齒載荷分配不均的系數(shù)。對于驅動軸花鍵，花鍵精度等級按GB/T3478.1標準為6級，K3取1.1。

K4—考慮由于花鍵的齒向誤差和安裝后花鍵副的同軸度誤差、以及受載后花鍵扭轉變形，影響各鍵齒沿軸向受載不均勻的系數(shù)。對于驅動軸花鍵，K4取1.2。

3.3 計算結果應滿足下條件，則判定花鍵齒面接觸強度合格

4 齒根彎曲強度計算

4.1 齒根彎曲應力σF計算

式中：SFn—花鍵齒根危險截面（最大彎曲應力處）的玄齒厚，mm。

S—分度圓齒厚

4.2 齒根需用彎曲應力[σF]計算

式中：σb—花鍵材料抗拉強度。

SF—彎曲強度的計算安全系數(shù)。對漸開線花鍵取1.0～1.5，驅動軸花鍵取SF為1.25。

4.3 計算結果應滿足下條件，則判定花鍵齒根彎曲強度合格

5 齒根剪切強度計算

5.1 齒根最大剪切應力τFmax計算

式中：ρ—齒根圓角半徑，一般指外花鍵齒根圓弧最小曲率半徑。驅動軸花鍵一般為0.5mm。

5.2 齒根需用剪切強度[τF]計算

5.3 計算結果應滿足下條件，則判定花鍵齒根剪切強度合格

6 應用實例

某車型動力由發(fā)動機輸出，經變速器傳遞到驅動軸花鍵上，動力總成相關參數(shù)如表 1所示。驅動軸花鍵材料為20CrMnTiH。其抗拉強度σb≥1080MPa，其屈服強度σ0.2≥835MPa，花鍵副參數(shù)如表1所示。

表1 動力總成相關參數(shù)

表2 花鍵副參數(shù)

6.1 花鍵載荷計算

輸入轉矩：

名義切向力：

單位載荷：

6.2 齒面接觸強度校核

齒面壓應力：

齒面需用壓應力：

根據(jù)以上計算結果，滿足σH≤[σH]條件，花鍵齒面接觸強度滿足要求。

6.3 齒根彎曲強度校核

齒根彎曲應力計算：

需用彎曲應力：

根據(jù)以上計算結果，滿足σF≤[σF]條件，花鍵齒根彎曲強度滿足要求。

6.4 齒根剪切強度校核

齒根最大剪切應力計算：

需用剪切應力：

根據(jù)以上計算結果，滿足τFmax＞[τF]條件，花鍵齒根剪切強度滿足要求。

6.5 結論

通過以上校核，本花鍵齒面接觸強度、齒根彎曲強度、齒根剪切強度均滿足要求，本花鍵滿足使用要求。

7 總結

本文對等速驅動軸漸開線花鍵受力做出了分析，并在此基礎上提出了花鍵強度的校核方法，從三個方面預估等速驅動軸花鍵對整車要求的符合量。為設計工程師在設計之初對軸的強度和尺寸作出較為準確的判斷提供依據(jù)。

以上校核從理論上判定該驅動軸花鍵滿足整車使用要求。但是，實際使用狀況較復雜，一般情況下還要通過實車裝配和實車路試驗證是否滿足使用要求以及強度要求。

[1] 劉維信.汽車設計[M].北京.清華大學出版社.2001.

[2] 劉維信.機械最優(yōu)化設計（第二版)[M].北京.清華大學出版社.1994.

[3] 王望予.汽車設計(第4版)[M].北京:機械工業(yè)出版社.2004.

[4] 孟祥偉.汽車等速驅動軸校核方法研究與應用[J].客車技術,2010,(5):39-42.