商用汽車傳動(dòng)軸布置優(yōu)化

溫娟，種博軒，鐘曉沖，姜育鋒

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

前言

萬(wàn)向傳動(dòng)裝置為汽車傳動(dòng)系中的一部分，其作用在于為在不同軸心的兩軸間甚至再工作工程中相對(duì)位置不斷變化的兩軸間傳遞動(dòng)力。如在商用汽車上，根據(jù)車型的布置要求，變速器與驅(qū)動(dòng)橋之間距離較遠(yuǎn)，無(wú)法直接相連。并且有些全驅(qū)車型的變速器與分動(dòng)器及驅(qū)動(dòng)橋無(wú)法保證兩軸同心。所以在這些總成之間常常需要萬(wàn)向傳動(dòng)裝置將其相連。

汽車傳動(dòng)軸系統(tǒng)通常有伸縮傳動(dòng)軸和中間傳動(dòng)軸兩類。伸縮傳動(dòng)軸由萬(wàn)向節(jié)和伸縮花鍵組成；中間傳動(dòng)軸由中間支撐和萬(wàn)向節(jié)組成。傳動(dòng)軸的功能是將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出動(dòng)力和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到驅(qū)動(dòng)橋。傳動(dòng)軸在連接動(dòng)力的同時(shí)能適應(yīng)因路面不平及車輪跳動(dòng)引起的傳遞距離和角度的變化。當(dāng)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器與驅(qū)動(dòng)橋相距較遠(yuǎn)時(shí)，僅用一根伸縮傳動(dòng)軸常無(wú)法滿足布置要求。此時(shí)，需用一根伸縮傳動(dòng)軸及若干中間傳動(dòng)軸連接。中間傳動(dòng)軸前端連接變速器，中間支撐處與車架相連固定。中間支撐的內(nèi)部有一個(gè)軸承，該軸承可以沿軸向輕微滑動(dòng)，補(bǔ)償軸向位置的安裝偏差，并且為減少軸承的軸向受力，在中間支撐和軸承中間還設(shè)置了蜂窩狀的橡膠緩沖墊，能吸收車輛運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)、降低噪聲，并能減少由傳動(dòng)軸的安裝誤差造成的軸承附加載荷。傳動(dòng)軸是車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分。

圖1

傳動(dòng)軸的工作性質(zhì)為其是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)頻率的旋轉(zhuǎn)體。對(duì)車輛的舒適性有著較大的影響。由于其結(jié)構(gòu)本身的工作性質(zhì)及其制造和裝配偏差等因素，在傳動(dòng)軸的工作過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)和噪聲。當(dāng)傳動(dòng)軸出現(xiàn)這些故障時(shí)會(huì)降低傳動(dòng)軸系統(tǒng)的傳遞效率。嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響車輛的舒適性，尤其是車輛在高速運(yùn)行的情況下，一旦出現(xiàn)傳動(dòng)軸的振動(dòng)和噪聲故障，將會(huì)制約車輛的品質(zhì)，引起駕乘人員的極度不適。因此合理地設(shè)計(jì)及布置傳動(dòng)軸才能提高車輛的傳動(dòng)效率及舒適性。

為避免傳動(dòng)軸在工作過(guò)程中出現(xiàn)振動(dòng)及噪聲，除合理地設(shè)計(jì)及布置外，動(dòng)平衡也是至關(guān)重要。所有的傳動(dòng)軸在出廠前必須要進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。并在試驗(yàn)設(shè)備指定的位置焊接平衡片，以保證傳動(dòng)軸的平衡要求。在完成傳動(dòng)軸的動(dòng)平衡試驗(yàn)并檢驗(yàn)合格后，需在傳動(dòng)軸的軸管和花鍵套外表面做好標(biāo)記。通常用兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的箭頭表示。此項(xiàng)工作的目的是在傳動(dòng)軸經(jīng)過(guò)拆裝恢復(fù)時(shí)，通過(guò)將兩箭頭對(duì)齊在一條直線上使傳動(dòng)軸的動(dòng)平衡不被破壞。通常傳動(dòng)軸經(jīng)過(guò)拆卸后需要重新進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。

1 傳動(dòng)軸技術(shù)參數(shù)

傳動(dòng)軸在設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮的技術(shù)參數(shù)如下：

（1）傳動(dòng)軸所能傳遞的最大扭矩（Nm）；

（2）傳動(dòng)軸十字軸的最大擺角（°）；

（3）傳動(dòng)軸花鍵副的最大伸縮量（mm）；

（4）傳動(dòng)軸最高工作轉(zhuǎn)速（r/min）；

（5）傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度（mm）；

（6）剩余不平衡量（g.cm）；

（7）傳動(dòng)軸兩端、中間支承的連接形式；

（8）傳動(dòng)軸系統(tǒng)當(dāng)量夾角（°）。

2 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)校核

在設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸時(shí)首先需計(jì)算靜扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，確定靜扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度安全系數(shù)，原則為公路運(yùn)輸車輛的安全選1.5~1.8；自卸車及專用車的安全系數(shù)選1.8~2.0。

根據(jù)整車動(dòng)力匹配及附著力計(jì)算傳動(dòng)軸額定扭矩，計(jì)算方法：

傳動(dòng)軸的額定扭矩首先采用傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算扭矩做為試驗(yàn)扭矩，即按發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩計(jì)算值和按最大附著力計(jì)算的扭矩值并取二者中較小的扭矩Mmin做為額定扭矩。

按發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩計(jì)算時(shí)：

式中：Mg——按發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩計(jì)算時(shí)傳動(dòng)軸所承受的扭矩，N·m；

Memax——發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩，N·m；

ik1——變速器I 檔速比；

ip1——分動(dòng)器低檔速比；

n——使用分動(dòng)器時(shí)的輸出傳動(dòng)軸數(shù)目。 按最大附著力計(jì)算時(shí)：

式中：Mψmax—驅(qū)動(dòng)輪最大的附著力換算到傳動(dòng)軸上的最大附著扭矩，N·m；

rk——車輪的滾動(dòng)半徑，m；

G——滿載時(shí)驅(qū)動(dòng)軸上的負(fù)荷，N；

ψ——輪胎與地面的附著系數(shù)；

io——減速器速比。

靜扭強(qiáng)度安全系數(shù)：kd=M/Mmin其中傳動(dòng)軸軸管的許用扭矩M 可通過(guò)以下公式計(jì)算：

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300 MPa。

確定傳動(dòng)軸的靜扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度后需進(jìn)行傳動(dòng)軸長(zhǎng)度及角度的布置計(jì)算，在確定傳動(dòng)軸軸管尺寸和總成長(zhǎng)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)都能正常可靠地工作。實(shí)際生產(chǎn)的傳動(dòng)軸不可能絕對(duì)平衡，高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)軸質(zhì)量偏心產(chǎn)生的離心力會(huì)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。

為避免臨界轉(zhuǎn)速過(guò)低產(chǎn)生共振，通常建議每節(jié)長(zhǎng)度不得大于1.5 米。傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速nk為：

式中： D、d——分別為傳動(dòng)軸軸管的外徑和內(nèi)徑，mm

L——傳動(dòng)軸的支承長(zhǎng)度，取兩萬(wàn)向節(jié)之中心距，mm

由于傳動(dòng)軸生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法做到絕對(duì)的平衡，同時(shí)傳動(dòng)軸使用過(guò)程中會(huì)存在磨損，其平衡很容易被破壞，此類因素都會(huì)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 傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角

十字軸萬(wàn)向節(jié)所聯(lián)兩軸之間的夾角，一般希望越小越好，否則會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)軸效率和使用壽命的降低。通常要求動(dòng)力總成軸線和第一節(jié)傳動(dòng)軸軸線的夾角、以及兩根傳動(dòng)軸軸線之間最好有0.5°~1°的較小角度，其夾角不能為0°是因?yàn)槭州S滾針是線接觸，傳動(dòng)軸有一個(gè)夾角可以使?jié)L針滾動(dòng)，防止?jié)L針嵌入十字軸。而角度大于1°可能引起噪音。對(duì)于單根傳動(dòng)軸的角度則要求空載最大工作夾角≤8°，滿載最大工作夾角≤6°。

對(duì)于單萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸，當(dāng)主動(dòng)軸等速旋轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速時(shí)快時(shí)慢，每一轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)角、角速度、角加速度等周期地變化兩次，這就是十字軸萬(wàn)向節(jié)的不等速性。不等速性與兩軸夾角有關(guān)，夾角越大，不等速就越嚴(yán)重，從而引起動(dòng)力總成支承和懸架彈性元件的擺動(dòng)，引起變速箱和后橋齒輪的沖擊噪聲。在整車傳動(dòng)軸系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)時(shí)，通常希望當(dāng)量夾角盡可能小。

傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角計(jì)算公式如下：

式中：α1、α2、α3...為各萬(wàn)向節(jié)的夾角。式中的正負(fù)號(hào)這樣確定：當(dāng)?shù)谝蝗f(wàn)向節(jié)的主動(dòng)叉位于各軸軸線所在平面內(nèi)，在其余的萬(wàn)向節(jié)中，如果其主動(dòng)叉平面與此平面重合定義為正，與此平面垂直則為負(fù)。

在設(shè)計(jì)多萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)時(shí)，總是希望其當(dāng)量夾角盡可能接近于零?？紤]汽車空載與滿載時(shí)當(dāng)量夾角可能發(fā)生變化，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使空載與滿載兩種工況下的當(dāng)量夾角不大于3°，當(dāng)量夾角較大時(shí)，輸出軸對(duì)輸入軸的轉(zhuǎn)角差較大，輸出軸的角加速度較大，即旋轉(zhuǎn)的不均勻性較大，從而引起與輸出軸相連的齒輪齒間的沖擊和噪聲。此外，它也可能引起駕駛室內(nèi)的諧振噪聲。為此，應(yīng)對(duì)多萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)輸出軸的角加速度加以限制。對(duì)于轎車，應(yīng)小于350rad/s2；對(duì)于貨車，應(yīng)小于600rad/s2。

現(xiàn)針對(duì)某一具體車型進(jìn)行詳細(xì)分析，該車變速器輸出法蘭距驅(qū)動(dòng)橋輸入法蘭長(zhǎng)度為2400mm，在傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速校核后認(rèn)為若只采用一根傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)，存在共振甚至傳動(dòng)軸彎曲 折斷的風(fēng)險(xiǎn)，故采用兩根傳動(dòng)軸三個(gè)萬(wàn)向節(jié)的設(shè)計(jì)（各軸軸線在同一平面），如圖2 所示。

圖2

圖3

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)在實(shí)際中應(yīng)用驗(yàn)證，通過(guò)上述詳盡的設(shè)計(jì)校核合格的傳動(dòng)軸可以保證可靠地、平穩(wěn)地完成傳遞扭矩的作用。