某種類型商用車驅動橋總成傳動誤差的影響因素分析

張林濤 王恩鵬 李旭偉

摘 要：汽車驅動橋作為傳動系統(tǒng)重要零部件之一，有著更高加工精度要求;在汽車領域中，對于汽車驅動橋總成的零部件加工生產(chǎn)更是精益求精，目的是使驅動橋傳動系統(tǒng)有著更好的傳動性減少傳動誤差以及減少能源的損失實現(xiàn)更高的效率。本文通過對某種商用車驅動橋為研究對象，進行對其傳動誤差試驗測試與分析，主要分析：影響傳動誤差的因素有哪些;此次試驗在傳動部件可靠性試驗臺進行，模擬不同工況來對驅動橋進行測試。

關鍵詞：驅動橋;傳動誤差;準雙曲面齒輪

汽車的動力傳遞是從發(fā)動機-變速器-傳動軸-驅動橋-車輪的這么一個路徑。所以汽車驅動橋是整車中重要組成部分，那么也有更高的要求。我們要研究的是其傳動誤差，現(xiàn)代的驅動橋所用的傳動齒輪大多數(shù)為準雙曲面齒輪，也就是所說的斜齒，它相比于直齒輪有著更好的嚙合性、傳動平穩(wěn)、噪聲小、重合度大、降低了每對齒輪的載荷、提高了承載能力適用于高速重載。

在美國、日本及德國等汽車制造大國，汽車驅動橋齒輪的數(shù)字化閉環(huán)制造已經(jīng)替代傳統(tǒng)制造模式[1]，齒輪加工精度和嚙合性能已經(jīng)有了相當高的優(yōu)越性。目前國內(nèi)對于齒輪嚙合設計也有了很大的提高，但是由于加工精度和質量不是太穩(wěn)定，存在加工誤差，導致驅動橋總成傳動效率低，傳動誤差較高，這些都有很大的研究空間。

1 汽車驅動橋總成相關理論

汽車驅動橋總成具有三大功能分別是：①增大由傳動軸傳來的扭矩;②改變傳動方向;③將動力合理地傳給車輪。驅動橋總成是由主減速器、差速器、車輪傳動裝置、驅動橋殼等幾大部件組成。按照結構又可分為非斷開式驅動橋和斷開式驅動橋，這可根據(jù)整車底盤其懸掛型式來選擇。對于兩種類型驅動橋一下做出了具體解析：

1）非斷開式驅動橋：應用于非獨立懸掛車型中，后懸架采用鋼板彈簧，其結構為橋殼是一根剛性梁，結構簡單，制造工藝好，可靠性好，維修調整起來容易，廣泛應用于貨車和部分轎車上。可是并不是部件都有優(yōu)點，存在的缺點是其懸掛質量大，對降低動載荷和提高平順性不利。

2）斷開式驅動橋：應用于獨立懸掛車型中，此主減速器和差速器安裝在副車架或者車身上，車輪傳動裝置采用萬向節(jié)傳動方式。其結構復雜，加工成本高，但是與獨立懸架結合起來，對于改善汽車平順性、操控穩(wěn)定性和通過性有利，由此看來廣泛應用于轎車和一些高速通過性越野車上。

在汽車廠商設計驅動橋時應滿足以下幾點要求：

1）具有適合該車型的主傳動比，保證汽車具有最佳動力性和燃油經(jīng)濟性。

2）驅動橋工作時平穩(wěn)，噪聲小。

3）傳動效率高。

4）具有必要的離地間隙。

5）與懸架導向機構運動協(xié)調，對于轉向驅動橋還應該與轉向機構運動協(xié)調。

6）具有足夠的強度和剛度，同時質量還應該盡可能小。

7）拆裝、調整方便。

8）制造成本低。

2 準雙曲面齒輪傳動理論

目前汽車領域中驅動橋主減速器所用的傳動齒輪大多數(shù)為準雙曲面齒輪傳動;

準雙曲面齒輪傳動特點：主、從動軸軸線不相交，而是有一偏移距E，由于存在偏移距E，使主動齒輪螺旋角β1與從動齒輪螺旋角β2不相等，且β1>β2（圖1是準雙曲面齒輪受力情況）。由圖可知，F(xiàn)1是主動齒輪的切向力，F(xiàn)2是從動齒輪的切向力。在嚙合點，兩齒輪嚙合齒面的法線方向相同，此時嚙合齒面上的法向力應該彼此相等，都為Ff，具體運算公式為：

設r1和r2分別是主、從動輪平均分度圓半徑，則準雙曲面齒輪齒輪傳動比ios表達式為：

在公式（2-5）中，K=COSβ2/COSβ1=1.25～1.5，這說明，當準雙曲面齒輪與螺旋錐齒輪的尺寸相同時，雙曲面齒輪傳動有更大的傳動比，從另一角度說，當傳動比一定、從動齒輪尺寸相同時，雙曲面主動齒輪比螺旋錐齒輪有較大的直徑，從而有較高的輪齒強度，較大的主動齒輪軸和軸承強度。

對于準雙曲面齒輪主減速器的主動齒輪軸布置有以下幾種設計布置形式：

◆主動齒輪軸設計在從動齒輪中心線下方：這樣設計有利于降低萬向節(jié)傳動軸傳動高度，可實現(xiàn)降低車身高度，對于車身內(nèi)部中央地板凸起可降低設計高度。

◆主動齒輪軸設計在從動齒輪中心線上方：這樣設計有利于增高萬向節(jié)傳動軸離地高度，以防整車通過凸起較高路面時，凸起處與傳動軸發(fā)生磕碰，對于車身內(nèi)部中央地板凸起設計會有所增高，這種設計多應用于貫通式驅動橋中。

準雙曲面齒輪傳動優(yōu)點為：

◆工作時實現(xiàn)齒面研磨，來降低吃面粗糙度，可降低旋轉時產(chǎn)生的噪聲。

◆嚙合性能好，且傳動更加平穩(wěn)，噪聲小，承載能力高，結構比較緊湊。

準雙曲面齒輪傳動缺點為：

◆在工作中，傳動齒輪會有沿齒高方向側滑，還會伴隨著沿齒長方向的縱向滑動，正因這種滑動才使轉動中噪聲小，平穩(wěn);摩擦損失大，傳動效率會降低;縱向滑動會隨著偏移距E變大而增大，故不應把偏移距E設計過大。

◆齒輪工作時，齒輪摩擦力大，長時間會破壞附著在齒輪表面的油膜，從而使齒面油膜燒結咬死，所以齒輪潤滑油的選擇尤為重要。

3 驅動橋傳動誤差測試

3.1 測試設備與使用儀器

我們以某種商用車驅動橋為試驗樣件，分析其傳動誤差測試結果與影響因素進行研究。使用測試設備為傳動部件可靠性試驗臺。一臺數(shù)據(jù)采集儀器共24個通道，測試范圍包括：振動、噪聲、扭振、轉速等多種信號。三個轉速編碼器。測試電腦一臺。此試驗在溫度、濕度正常狀態(tài)下進行。

3.2 試件安裝調試及測試方法

3.2.1 試件安裝調試

把全新的某商用車驅動橋按照設計安裝到試驗臺架上，并按照設計扭矩將其固定，輪端通過專用球籠工裝和傳動軸與試驗臺架負載端鏈接并固定，輸入端與輸入驅動變速器通過傳動軸鏈接固定，以上是把樣件安裝完成。接下來把三個轉速編碼器分別安裝到輸入和輪端法蘭盤上;輪端法蘭外圓形位公差精度很高，計算好黑白相間的馬條，打印出后貼在輪端法蘭上。把數(shù)據(jù)采集儀器開機，轉速編碼器連接線插到數(shù)據(jù)采集儀器相應端口上;把測試電腦和數(shù)據(jù)采集儀器通過網(wǎng)線連接，在測試電腦上設置好所用通道以及相關數(shù)據(jù)采集信息。試驗臺設備開機，選擇好車型模式，按50r/min進行調試，三個轉速編碼器直至轉速穩(wěn)定即可，驅動橋齒輪潤滑油溫度達到80°，方可進行測試。

試驗現(xiàn)場布置圖祥見圖2。

根據(jù)提供的某商用車驅動橋設計參數(shù)制定了幾組試驗工況，詳細見表1。

4 傳動誤差測試結果分析及影響因素

4.1 傳動誤差測試結果分析

4.1.1 傳動誤差理論

傳動比在機械傳動系統(tǒng)中，其始端主動輪與末端從動輪的角速度或轉速的比值，齒輪傳動中，瞬時輸入速度與輸出速度的比值稱為齒輪的傳動比。傳動誤差是指主動齒輪轉過某一角度后，從動齒輪的實際轉角和理論轉角之間的偏差[2]，而由于齒輪副本身幾何結構的原因或制造安裝等因素，從動輪的實際轉角可能與理論轉角不相等，實際轉角與理論轉角之差即為傳動誤差。換言之：沿嚙合線方向度量被動輪上的齒廓在實際嚙合時所處位置同理想條件下應處位置之間的偏差就是傳遞誤差。

顯然，傳遞誤差的波動直接反映了傳遞誤差對傳動系統(tǒng)的振動、噪音有著重要影響。

式中：φ1（0）和φ2（0）分別為主從動齒輪的初始轉角;φ1和φ2分別為某一時刻主從動齒輪的轉角;Z1和Z2分別為主從動齒輪的齒數(shù)。傳動誤差單位一般用μrad，（″）或arcsec。

4.2 傳動誤差測試結果分析

經(jīng)過實際測試與理論數(shù)據(jù)對比分析得出以下測試曲線：

測試工況1數(shù)據(jù)結果（圖3）：

測試工況2數(shù)據(jù)結果（圖4）：

測試工況3數(shù)據(jù)結果（圖5）：

測試工況4數(shù)據(jù)結果（圖6）：

測試工況5數(shù)據(jù)結果（圖7）：

由此數(shù)據(jù)結果可得：

1）傳動誤差曲線成規(guī)律狀，每隔3秒會出現(xiàn)嚴重波動，說明該位置齒輪嚙合出現(xiàn)問題，可針對齒形以及齒面有待研究。

2）當轉速恒定，輪端負載逐漸增高，曲線波動先是呈穩(wěn)定狀，可隨著扭矩增高，波動會越來越大，由此可推算出，扭矩越大時，每對齒輪嚙合面會逐漸增大，相對的會出現(xiàn)相互滑動，轉速傳遞給半軸和輪端會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，從而導致傳動誤差變大，影響傳動效率。

4.3 影響因素以及優(yōu)化措施

4.3.1 傳動誤差影響因素

驅動橋總成是由主減速器、差速器、車輪傳動裝置、驅動橋殼以及固定軸承等幾大部件組成。

驅動橋總成傳動誤差來源大體分為以下幾點：

（1）生產(chǎn)制造誤差。

（2）裝配誤差。

（3）齒輪齒面生產(chǎn)加工誤差等。

驅動橋總成在絕對理想條件下能滿足：

（1）無制造、裝配誤差;

（2）齒輪齒形為標準漸開線;

（3）齒輪為剛性材料

（4）被動輪將勻速轉動，齒輪傳動也絕對平穩(wěn)。

4.3.2 傳動誤差優(yōu)化措施

針對驅動橋總成影響傳動誤差因素做出了幾點優(yōu)化方案：

1）加強生產(chǎn)制造精度，裝配工藝更加完善。

2）加強軸承支撐強度，重載變形現(xiàn)象控制在更小范圍內(nèi)。

3）錐齒輪嚙合精度加強。

4）使用適合車型的潤滑油，減少齒輪磨損，增加齒輪使用壽命。

5）錐齒輪的參數(shù)要合理的選擇：在選擇主、從動齒輪中，應該使它們之間沒有公約數(shù)，以保證其嚙合過程中各齒之間能更好的相互嚙合，起到自動磨合作用。為了得到理想的重合系數(shù)和較高的輪齒彎曲強度，主、從動齒輪的齒數(shù)和應不少于40。

6）所用齒輪的材料要按車型設計載荷合理選擇：主減速器齒輪的載荷大并且作用時間長、變化多、沖擊較大;所以齒輪材料的選擇尤為重要，其材料應該滿足：

a.具有較高的彎曲疲勞強度，表面接觸疲勞強度，齒面具有較高的硬度。

b.保證齒根不易斷裂，齒芯部要有一定的韌性來適應沖擊載荷。

c.鋼材鍛造性能、切削性能以及熱處理性能應該比較好，熱處理變形要小或者變形規(guī)律容易控制。[3]

5 結論

1）當輸入輸出轉速恒定時，隨著輪端負載逐漸增高，傳動誤差曲線先是逐步呈穩(wěn)定狀態(tài)，然后曲線波動逐漸越來越大;由此可得出，扭矩越大，每對齒輪咬合接觸面逐漸增大，過了穩(wěn)定階段就會出現(xiàn)相互滑動，傳遞給半軸和輪端的轉速會出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，振動和噪聲也會變大，傳動誤差變大，影響傳動效率。

2）此商用車驅動橋可在齒輪優(yōu)化上進行修整和研究。

參考文獻：

[1]鄧效忠，李天興李，聚波，周廣才.汽車驅動橋準雙曲面齒輪齒面測量誤差精確計算，2012.

[2]劉國政1，史文庫1，陳志勇1，楊昌海1，張香存2，驅動橋準雙曲面齒輪傳動誤差有限元分析與試驗，2018.

[3]王霄鋒，汽車底盤設計（第二版）.