汽車等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸總成結(jié)構(gòu)主參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

石寶樞，蔡星原，張榮校，張方貴，毛陽(yáng)鑫，張獻(xiàn)剛

(1.浙江順加汽車配件有限公司，浙江溫州 325409；2.洛陽(yáng)科通重工機(jī)械有限公司，河南洛陽(yáng) 471003)

0 引言

等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸總成是汽車前(后)橋傳動(dòng)系統(tǒng)中至關(guān)重要的、核心的安全部件。由于現(xiàn)代汽車能源結(jié)構(gòu)的多元化，特別是外部環(huán)境惡劣、路況復(fù)雜，再加上原汽車等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)時(shí)，基本上是仿制以往的國(guó)外樣品，結(jié)構(gòu)不合理 ，而且技術(shù)落后，滿足不了傳動(dòng)軸總成乃至整車可靠性等要求，經(jīng)常出現(xiàn)可靠性差、不耐沖擊、先期損壞等質(zhì)量問(wèn)題。所以必須用最優(yōu)化原理和數(shù)值計(jì)算等方法，對(duì)影響等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸性能的一系列結(jié)構(gòu)主參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 整車對(duì)傳動(dòng)軸總成的新要求

整車對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸總成有如下的新要求：

(1)由于路況復(fù)雜、外部環(huán)境惡劣，要求傳動(dòng)軸總成必須有更高的可靠性。

(2)要求傳動(dòng)軸總成有更高的承載能力和耐久性，即長(zhǎng)壽命。

(3)為使整車具有良好的舒適性，傳動(dòng)軸總成應(yīng)具有良好的平穩(wěn)性、減小振動(dòng)和噪聲，特別是新能源汽車，由于啟動(dòng)力矩大，要求傳動(dòng)軸總成具有更好的耐沖擊性。

(4)由于整車布置的需要，整車留給等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸總成的空間非常有限，為此，要求傳動(dòng)軸總成盡可能小型化。

(5)由于整車節(jié)能減排的要求，傳動(dòng)軸總成應(yīng)盡可能輕量化。

(6)要求等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸總成具有傳遞轉(zhuǎn)矩精確、靈敏，擺角大、伸縮量大等專業(yè)技術(shù)要求。

(7)對(duì)傳動(dòng)軸總成要有良好的外觀質(zhì)量和耐腐蝕等要求。

2 傳動(dòng)軸總成的主要結(jié)構(gòu)型式

汽車用等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸總成的典型結(jié)構(gòu)是：固定型等速萬(wàn)向節(jié)+傳動(dòng)軸+伸縮型等速萬(wàn)向節(jié)。而固定型等速萬(wàn)向節(jié)一般均采用球籠式等速萬(wàn)向節(jié)(BJ型)，伸縮型等速萬(wàn)向節(jié)主要有三球銷式等速萬(wàn)向節(jié) (TJ型)、雙偏置式等速萬(wàn)向節(jié)(DOJ型)、交叉槽式等速萬(wàn)向節(jié)(LJ型)等結(jié)構(gòu)型式。圖1是BJ型與TJ型的組合；圖2是BJ型與DOJ型的組合；圖3是BJ型與LJ型的組合。

圖1 BJ型與TJ型的組合式傳動(dòng)軸總成

圖2 BJ型與DOJ型的組合式傳動(dòng)軸總成

圖3 BJ型與LJ型的組合式傳動(dòng)軸總成

3 傳動(dòng)軸總成的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程就是人工試湊和定性分析比較的過(guò)程，并不是根據(jù)某種理論精確計(jì)算出來(lái)的，實(shí)踐證明，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案，大部分都有改進(jìn)、提升的余地，并不是最佳的設(shè)計(jì)方案。而作為一項(xiàng)設(shè)計(jì)，不僅要求方案可行、合理，而且應(yīng)該是某項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的理想方案，并從大量可行設(shè)計(jì)方案中尋找一種最優(yōu)化方案。從而實(shí)現(xiàn)以理論設(shè)計(jì)代替經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以精確計(jì)算代替近似計(jì)算，以優(yōu)化設(shè)計(jì)代替一般的安全壽命的可行性設(shè)計(jì)。

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

(1)列出設(shè)計(jì)變量

文中列出等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸總成中最重要的一系列幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量。

(2)給出約束條件

設(shè)計(jì)空間是所有設(shè)計(jì)方案的集合，但這些設(shè)計(jì)方案有些是工程上所不能接受的，所以一個(gè)可行設(shè)計(jì)必須滿足某些設(shè)計(jì)限制條件，即約束條件。如汽車等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸必須滿足整車給定的空間、規(guī)格及外形結(jié)構(gòu)和尺寸；必須滿足各種等速萬(wàn)向節(jié)幾何結(jié)構(gòu)的原理要求；必須滿足各種等速萬(wàn)向節(jié)專業(yè)性能要求；必須滿足各種等速萬(wàn)向節(jié)可靠性質(zhì)量要求；必須滿足各種等速萬(wàn)向節(jié)工藝性能要求；各種等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸總成零部件幾何尺寸取值和精度必須滿足標(biāo)準(zhǔn)化的要求；必須滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。

(3)建立目標(biāo)函數(shù)

等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸所有結(jié)構(gòu)參數(shù)及匹配可使產(chǎn)品可靠性實(shí)現(xiàn)最佳。可以表示成設(shè)計(jì)變量的一個(gè)可計(jì)算函數(shù)。

(4)抽象成數(shù)學(xué)模型

在明確設(shè)計(jì)變量的約束條件、目標(biāo)函數(shù)之后，優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題可以表示成一般數(shù)學(xué)形式。

(5)求解

在建立目標(biāo)函數(shù)和數(shù)學(xué)模型后即對(duì)各參數(shù)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，即求極值(最大及最小)。

3.3 傳動(dòng)軸總成優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.3.1 球籠式等速萬(wàn)向節(jié)

球籠式等速萬(wàn)向節(jié)各主要參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式，文獻(xiàn)[1-3]均已列出。文中給出最常用的極限轉(zhuǎn)角為47°時(shí)的一系列主參數(shù)的具體關(guān)系式。

如果鐘形殼最大外徑Dz已知，則球籠式等速萬(wàn)向節(jié)各主要參數(shù)的具體計(jì)算式分別為：

(1)鋼球直徑為：

Dw=0.2Dz

(1)

式中：Dz為鐘形殼最大外徑,mm;

Dw為鋼球直徑，mm。

(2)傳動(dòng)軸公稱直徑為：

d=1.5Dw

(2)

式中：d為傳動(dòng)軸的公稱直徑，mm。

(3)球組節(jié)圓直徑為：

DQj=3.5Dw

(3)

式中：DQj為球籠式等速萬(wàn)向節(jié)球組節(jié)圓直徑，mm。

(4)鐘形殼球面中心至外端面的距離為：

L1=Dw

(4)

式中：L1為鐘形殼溝道中心至外端面的距離，mm。

即球面中心位于溝道寬度中心處。

(5)鐘形殼溝道軸向長(zhǎng)度為：

L=2Dw

(5)

式中：L為鐘形殼溝道軸向長(zhǎng)度，mm。

(6)鐘形殼和星型套溝道至其球面中心距離(偏心距)為：

eQ=0.25Dw

(6)

式中：eQ為鐘形殼和星型套溝道與其球面中心的距離，mm。

(7)鐘形殼溝道底部直徑為：

Dkg=4.5Dw

(7)

式中：Dkg為鐘形殼溝道底部直徑，mm。

(8)星型套溝道底部直徑為：

Dxg=2.5Dw

(8)

式中：Dxg為星型套溝道底部直徑，mm。

(9)星型套寬度為：

BQx=d

(9)

式中：BQx為星型套寬度，mm。

(10)星型套溝道中心與寬度中心的距離為：

(10)

式中：h為星型套溝道中心與寬度中心的距離，mm;

αmax為球籠等速萬(wàn)向節(jié)最大擺角，(°)。

(11)當(dāng)最大轉(zhuǎn)角αmax=47°時(shí)：

h=0.04Dw

(11)

3.3.2 雙偏置式等速萬(wàn)向節(jié)

雙偏置式等速萬(wàn)向節(jié)各結(jié)構(gòu)主參數(shù)分別為：

(1)鋼球直徑為：

Dw=0.22Dt

(12)

式中：Dw為鋼球直徑，mm;

Dt為筒形殼最大外徑，mm。

(2)球組節(jié)圓直徑為：

Dsj=3.25Dw

(13)

式中：Dsj為球組節(jié)圓直徑，mm。

(3)星型套寬度為：

Bsx=1.3Dw

(14)

式中：Bsx為星型套寬度，mm。

(4)偏心保持架內(nèi)、外球面中心至寬度中心的距離均為：

(15)

式中：Es為偏心保持架內(nèi)、外球面中心，mm;

θ為偏心角,一般θ=14°～15°。

(5)偏心保持架內(nèi)球面軸向長(zhǎng)度為：

Bj=Bsx

(16)

式中：Bj為偏心保持架內(nèi)球面軸向長(zhǎng)度，mm。

(6)偏心保持架總寬度為：

Bs=Bsx+2Es

(17)

式中：Bs為偏心保持架總寬度，mm。

(7)偏心保持架內(nèi)球面直徑為：

(18)

式中：Di為偏心保持架內(nèi)球面直徑，mm。

(8)偏心保持架外球面直徑為：

(19)

式中：De為偏心保持架外球面直徑，mm。

3.3.3 交叉槽式等速萬(wàn)向節(jié)

交叉槽式等速萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)主參數(shù)分別為

(1)鋼球直徑為：

Dw=0.18Dc

(20)

式中：Dw為鋼球直徑，mm;

Dc為外圈寬度，mm。

(2)外圈寬度為：

Bc=2Dw

(21)

(3)六交叉槽與軸線的夾角優(yōu)化設(shè)計(jì)為12°～14°。

3.3.4 三球銷式等速萬(wàn)向節(jié)

三球銷式等速萬(wàn)向節(jié)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為

(1)球環(huán)的外球面直徑為：

dQ=0.45Dk

(22)

式中：dQ為球環(huán)外球面直徑，mm。

(2)球環(huán)寬度為：

(23)

式中：BQ為球環(huán)寬度，mm。

(3)滾針組節(jié)圓直徑為：

Dpw=0.6dQ

(24)

式中：Dpw為滾針組節(jié)圓直徑，mm。

(4)滾針直徑可根據(jù)三柱槽殼和球環(huán)直徑的大小取標(biāo)準(zhǔn)值，可按表1選取。

表1 滾針直徑的選取 mm

(5)每列滾針數(shù)

每列滾針數(shù)可按下式初步確定

(25)

式中：Z為每列滾針數(shù)。

(6)滾針間平均間隙和總間隙

每?jī)上噜彎L針間的平均間隙為：

(26)

式中：f為每?jī)上噜彎L針間的平均間隙，mm。

總間隙為：

(27)

式中：εc為滾針總間隙，mm。

滾針間平均間隙f和總間隙εc應(yīng)按表2設(shè)計(jì)計(jì)算。

表2 滾針間平均間隙和總間隙 mm

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的效果

按上述原理和方法設(shè)計(jì)了100余款各種汽車等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸總成，為驗(yàn)證是否達(dá)到整車的性能要求，先后進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)疲勞和周期循環(huán)壽命等臺(tái)架試驗(yàn)。并與同類型、同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，得出：同結(jié)構(gòu)、同系列、同規(guī)格的汽車等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸總成，優(yōu)化設(shè)計(jì)較非優(yōu)化設(shè)計(jì)，其承載能力可提升35%～40%。

等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸的使用壽命是承載能力的函數(shù)，并且是呈非線性的立方關(guān)系。顯然，函數(shù)(使用壽命)的改變量約等于自變量(承載能力)改變量的3倍。即，若等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸的承載能力提升40%會(huì)使其壽命提升120%,或者說(shuō)經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的汽車等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸總成的使用壽命是非優(yōu)化設(shè)計(jì)的2.2倍。

多年的使用效果，亦和上述的結(jié)論吻合。例如：在重慶以山路、坡路為主的道路環(huán)境中，幾年前非優(yōu)化的出租車用等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸總成，經(jīng)常發(fā)生各種各樣的質(zhì)量問(wèn)題，可靠性差、使用壽命較短。各傳動(dòng)軸的經(jīng)銷商只能向客戶保用5萬(wàn)km。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，質(zhì)量問(wèn)題大幅度降低，甚至長(zhǎng)時(shí)間使用后，仍無(wú)質(zhì)量問(wèn)題。顯然，可靠性、使用壽命大幅度提升，很多出租車行駛超30萬(wàn)km，仍未見(jiàn)異常。這一使用效果，更加證明了優(yōu)化設(shè)計(jì)的汽車等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸可靠性、實(shí)用性等優(yōu)勢(shì)凸顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的汽車等速萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸是對(duì)該領(lǐng)域技術(shù)理論、產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的原創(chuàng)性創(chuàng)新和顛覆性的突破。可以改變汽車傳動(dòng)軸產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和技術(shù)格局，打破國(guó)外在該領(lǐng)域核心技術(shù)的壟斷地位，推動(dòng)汽車傳動(dòng)軸產(chǎn)品的更新?lián)Q代和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。