傳動軸布置夾角對后驅(qū)動橋主減總成沖擊的研究

1 前言

前置后驅(qū)的商用車，動力從發(fā)動機(jī)變速箱，經(jīng)傳動軸傳遞給后驅(qū)動橋，因?yàn)檐囕v總布置的需要，傳動軸布置在空間上存在一定的夾角，又因制造誤差的存在，高速旋轉(zhuǎn)的傳動軸會因?yàn)閯硬黄胶舛a(chǎn)生振動，傳動軸的振動激勵就會引起相互連接的零部件的疲勞失效，針對后驅(qū)動橋主減總成的失效件進(jìn)行故障再現(xiàn)，結(jié)合虛擬仿真分析及相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)出傳動軸布置角度對后驅(qū)動橋產(chǎn)生的影響。本文以某公司3.5噸小卡為例講述了分析及試驗(yàn)過程，結(jié)合大量的市場售后信息，說明了傳動軸角度的變化對后驅(qū)動橋產(chǎn)生的影響。

2016年3月，李高明的哥哥李高福拿著自己的“紅米線”項(xiàng)目到中央電視臺經(jīng)濟(jì)頻道參加《創(chuàng)業(yè)英雄會》。這次比賽經(jīng)歷對李高明來說有兩件喜事，其一是哥哥拿到了100萬元的融資；其二是在與導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)溝通的過程中，他意識到品牌的重要性，單純依靠美發(fā)服務(wù)未來的空間很窄，走不通，一定要塑造自己的品牌，依托產(chǎn)品占領(lǐng)市場。

2 市場故障分析

某公司3.5噸汽油小卡，售后市場反饋多例后驅(qū)動橋主減總成異響，通過對異響故障件進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)主減總成出現(xiàn)軸向竄動，有的甚至出現(xiàn)主動齒輪軸上的防油擋盤、軸承等件的疲勞磨損。

奔流不息的珠江，不僅是西南內(nèi)陸地區(qū)與粵港澳地區(qū)經(jīng)濟(jì)互補(bǔ)、協(xié)調(diào)發(fā)展的交通紐帶，更是沿江億萬群眾的母親河。40年來，珠江水運(yùn)人前赴后繼，推動形成以綠色港口、生態(tài)航道、清潔船舶為核心的珠江水運(yùn)綠色發(fā)展方式，讓珠江航運(yùn)朝著科學(xué)、生態(tài)、綠色、環(huán)保、高效的方向闊步前行。

故障現(xiàn)象：主齒鎖緊螺母①(見圖1)的鎖緊扭矩降低或無扭矩，主動齒輪軸向存在竄動，竄動間隙0.4-0.5mm。

在本屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會的創(chuàng)新領(lǐng)先成果展中，百度將“Apollo自動駕駛開放平臺”帶上舞臺，聯(lián)合戴普勒、福特、沃爾沃等汽車企業(yè)，用多年積累的AI技術(shù)連接信息出行。事實(shí)上，在此次世界互聯(lián)網(wǎng)大會期間，名為Roadstar.ai的無人駕駛汽車已經(jīng)開始服役，參會人員、媒體記者與公眾可以在接駁區(qū)域的任意地點(diǎn)搭乘Roadstar.ai，實(shí)現(xiàn)從任意起點(diǎn)到終點(diǎn)的旅程。人們在烏鎮(zhèn)，試享AI帶來的未來之妙。

計(jì)算正向行駛和倒車行駛，發(fā)動機(jī)最大扭矩工況下，主從動齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向力，和傳動軸附加彎矩做對比，見表4：

在凡爾賽的法國國家農(nóng)業(yè)研究所（INRA）的農(nóng)學(xué)家瑪麗-海倫·杰弗羅伊（Marie-Helene Jeuffroy）說道，混合種植法“正在變得非常流行”。法國全境3%到5%的油菜田都采用了豆類作物間種法。根據(jù)法國油菜生產(chǎn)商聯(lián)合會7月份的一項(xiàng)承諾，到2030年，這一比例可將增至30%。

該3.5噸汽油小卡，整車參數(shù)如表1：

主動齒輪鎖緊螺母扭矩為什么會降低呢？分析有兩方面原因，一是理論設(shè)計(jì)的扭矩小了，不足于抵抗主從動齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向沖擊，另一方面懷疑是傳動軸周期轉(zhuǎn)動沖擊，造成該螺母出現(xiàn)松動。為了進(jìn)一步分析傳動軸周期沖擊對后驅(qū)動橋會產(chǎn)生多大的影響，同時查找主減總成失效的真正原因，我們從以下幾個方面開展相關(guān)驗(yàn)證。

而生成的羥基絡(luò)合物會吸附在方鉛礦表面，使礦物表面的氧化減弱，放電能力減弱，礦漿電位則會升高[7]。在鐵介質(zhì)磨礦時，同時又存在Fe2+、Fe3+水解作用，因而礦漿電位要低于瓷介質(zhì)磨礦。

3 理論校核計(jì)算

3.1 傳動軸附加彎矩作用在后驅(qū)動橋主減上的力

潛在影響：擋油盤磨損后會導(dǎo)致主齒軸向間隙變大，進(jìn)而導(dǎo)致主從動齒輪嚙合區(qū)不對，加重異響，或軸承預(yù)緊失效，加速軸承③磨損。

我們以傳動軸的單個萬向節(jié)為例，和萬向節(jié)連接的輸入軸1和輸出軸2的轉(zhuǎn)速不同，所以輸入軸和輸出軸的扭矩也不相等，考慮力的平衡，萬向節(jié)的十字軸就受到附加彎矩T

的作用力。

T

是周期性變化的,傳動軸每旋轉(zhuǎn)一圈變化2次,

=

sin

,

=

tan

,

(4)傳動軸花鍵處有摩擦，并且后橋有位置變化(上下跳動)，此時主動齒輪的軸受力與(3)類似，數(shù)值也接近。

以該小卡為例，根據(jù)傳動軸附加彎矩經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)(傳動軸角度為18°時, 附加彎矩

與傳動軸輸入轉(zhuǎn)矩

的關(guān)系，見圖2)，計(jì)算空載、滿載兩種工況下產(chǎn)生的附加彎矩如表2：

上述附加彎矩，最終導(dǎo)致傳動軸的彎曲變形，表現(xiàn)為傳動軸花鍵處前后伸縮，此時花鍵既要承受傳動扭矩T

的擠壓，又要保證傳動軸的前后伸縮就產(chǎn)生了摩擦力，取摩擦系數(shù)為0.05，則滑動摩擦力為：

該摩擦力對后驅(qū)動橋的影響是前后沖擊后橋主減總成上的連接法蘭，假設(shè)摩擦力全部作用于連接法蘭，進(jìn)而作用在主動齒輪上。

3.2 極限工況下，傳動軸前后伸縮產(chǎn)生的力

車輛經(jīng)過不平路面時，后橋會出現(xiàn)上下跳動，此時傳動軸的重力產(chǎn)生的沿主動齒輪軸向的分力為：

3.3 主從動齒輪嚙合產(chǎn)生的作用力

失效件：螺母①鎖緊扭矩失效伴隨擋油盤②(見圖1)出現(xiàn)磨損；螺母①扭矩未失效的，擋油盤②有接觸痕跡，未磨損。

除了大力扶持社區(qū)發(fā)展，寧波一院開始醞釀一些新的變革。因?yàn)檫^去幾十年形成的就醫(yī)習(xí)慣，國內(nèi)大醫(yī)院總是人滿為患。以寧波一院為例，日均門急診量在6000人次上下，其中大內(nèi)科普通內(nèi)科門診的占比就是10%。勵麗介紹，這一部分主要是常見病、多發(fā)病患者。而且，這部分患者中，很多實(shí)際上早已經(jīng)診斷明確，主要的需求是到醫(yī)院配藥。

綜上分析，在不考慮齒輪變形和內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦的情況下， 滿載工況時(此時傳動軸與后橋的角度為2.62°)，因傳動軸附加彎矩產(chǎn)生的分力約占主從齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向力的7.98%(理論校核了兩種極限工況)。

通過對2組數(shù)據(jù)的對比，可看出利用殘差GM（1，1） 模型對模擬值進(jìn)行修正后，預(yù)測精度有了一定程度的提高，其平均相對誤差為0.021%。利用殘差GM（1，1）預(yù)測模型對第8次累計(jì)沉降量進(jìn)行預(yù)測，得到的預(yù)測值為19.29 m，其真實(shí)值為19.67 m，相對誤差為0.019%，后驗(yàn)差比值C為0.019 6，預(yù)測結(jié)果與真實(shí)值較接近。GM（1，1）和殘差GM（1，1）2個模型的預(yù)測結(jié)果都獲得一級預(yù)測效果，充分證明了GM（1，1）模型預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性，而利用殘差修正GM（1，1）模型的預(yù)測結(jié)果的后驗(yàn)差比值更精確。通過對建筑物預(yù)測結(jié)果的分析，得出以下2點(diǎn)結(jié)論：

4 虛擬仿真分析

4.1 分析說明及輸入

繪制傳動軸、后橋總成及內(nèi)部各零部件的精確數(shù)模,提供各零部件材料的力學(xué)參數(shù)；

設(shè)置傳動軸花鍵處存在摩擦接觸，動摩擦系數(shù)分別為0，0.05，0.1進(jìn)行對比分析；

設(shè)置輪心處有正弦連續(xù)垂向位移，假設(shè)后橋跳動行程為-30mm到30mm，模擬過搓板路不斷沖擊的狀態(tài)。沖擊速度設(shè)置為中速沖擊，0.5m/s垂向速度沖擊。

設(shè)置后橋下跳到下極限位置127mm時，滿載驅(qū)動。

傳動軸中間支撐襯套剛度：上下方向徑向剛度為拉伸及壓縮平均值274N/mm，左右方向315N/m，此為實(shí)際測量值，如圖3所示。

要求礦山電氣設(shè)備使用的控制技術(shù)方便快捷，操作難度不大，節(jié)省人力成本，從而提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。PLC控制技術(shù)在設(shè)計(jì)上，就考慮到了快捷性和便利性的要求，因此優(yōu)化了操作，省略了很多操作步驟。在礦山電氣設(shè)備中使用PLC控制技術(shù)，能大大提高電氣設(shè)備的效率，讓礦山開采更加快捷便利，在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)率。隨著PLC控制技術(shù)近些年在國內(nèi)市場的普及，PLC控制技術(shù)應(yīng)用的成本降低了，這為很多中小型礦山開采和生產(chǎn)企業(yè)提供了應(yīng)用PLC控制技術(shù)的可能。PLC控制技術(shù)的應(yīng)用不僅僅會提高單個礦山生產(chǎn)企業(yè)的效率，并且還能夠?qū)φ麄€礦山生產(chǎn)行業(yè)產(chǎn)生積極的影響。

按整車坐標(biāo)系定義X-Y-Z方向，X為汽車前進(jìn)方向(等同于后驅(qū)動橋主動齒輪軸向)。

4.2 分析工況

將傳動軸、后驅(qū)動橋等涉及的所有零部件按實(shí)際尺寸進(jìn)行三維建模，通過Adams分析不同工況下后驅(qū)動橋主動錐齒輪軸向力的變化，模擬整車上下跳動的極限位置，考慮傳動軸角度的變化、齒輪嚙合沖擊等對主動齒輪軸向力的影響。

平兒鼻子流血，好像他說到日本子才流血。他向全屋四面張望，就像連一條縫也沒尋到似的，他轉(zhuǎn)身要跑，老人捉住，出了后門，盛糞的長形的籠子在門旁，掀起糞籠，老人說：

設(shè)置倒檔工況，輸入扭矩760Nm，傳動軸輸入轉(zhuǎn)速910r/min (仿真輸入5460deg/s) 。

設(shè)置車速80km/h，輸入扭矩210Nm，傳動軸輸入轉(zhuǎn)速3270r/min(仿真輸入19620deg/s)

4.3 仿真分析結(jié)論

(1)花鍵無摩擦?xí)r，即傳動系統(tǒng)無沖擊時，主動齒輪軸向受力平穩(wěn)，徑向受力有波動；從動齒輪軸向力無波動。

(2)后橋位置無不變與后橋連續(xù)垂向跳動的結(jié)果一致，X方向軸向力幾乎無變化。

(3)傳動軸花鍵處加入滑動摩擦系數(shù)0.05或0.1時，主動齒輪的軸向受力波動較大，摩擦力增加時X方向的受力波動變大。

附加彎矩可激起與萬向節(jié)相連接的件的彎曲振動,在萬向節(jié)軸承上引起周期性變化的徑向載荷,從而激起支撐處的振動,這個徑向載荷會傳遞給后橋主動齒輪。

(5)倒車工況：倒檔工況下載荷變化比前進(jìn)工況更劇烈，與傳遞扭矩載荷變大有關(guān)，此時傳動軸花鍵處加入滑動摩擦系數(shù)0.05或0.1時，主齒的軸向受力波動比工況(3)還要略大。

進(jìn)行玻璃吊裝施工時，應(yīng)采取以下保護(hù)措施：（1）玻璃吊裝時，將專用胎架一同起吊；（2）玻璃吊裝至屋面時，需將底部墊平、墊實(shí)，玻璃未安裝之前不允許將玻璃與胎架的捆綁解開；（3）確保玻璃隨裝隨吊，盡可能地減少高空堆放量。

上述各種工況受力見圖4，最終通過對各個工況下受力計(jì)算，沖擊最大時，傳動軸附加彎矩產(chǎn)生的沖擊力波動峰值為1025N，而主從動齒輪嚙合產(chǎn)生的主齒軸向力為10994N，約為9.32%。

5 臺架試驗(yàn)驗(yàn)證

為了排除路面、傳動系統(tǒng)等其他振動產(chǎn)生的影響，在齒輪疲勞試驗(yàn)臺上模擬傳動軸角度的變化，用加速度傳感器檢測傳動軸輸入信號(轉(zhuǎn)頻)與齒輪嚙合信號(齒數(shù)比)兩者的激勵變化，根據(jù)上述3.5噸平臺車型動力系統(tǒng)匹配，試驗(yàn)參數(shù)如表5：

試驗(yàn)結(jié)果如下(圖5)：

試驗(yàn)結(jié)論：

(1)不同工況下，因傳動軸角度產(chǎn)生的附加彎矩造成的沖擊，小于主從齒嚙合的沖擊，比值平均約10.6%；

(2)轉(zhuǎn)速恒定時，隨著傳動軸角度增加，傳動軸角度產(chǎn)生的附加彎矩造成的沖擊，與齒輪嚙合的沖擊相比，其沖擊強(qiáng)度增大，角度為6°時，平均比值為15%，傳動軸角度大于6°后，不容忽視。

(3)傳動軸角度恒定時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，傳動軸角度產(chǎn)生的附加彎矩造成的沖擊，與齒輪嚙合沖擊相比，其強(qiáng)度是減小的。

6 結(jié)束語

雖然受力數(shù)值有差異，但理論分析及臺架試驗(yàn)結(jié)論基本一致，傳動軸的角度產(chǎn)生的附加彎矩，會對與之連接的零部件產(chǎn)生沖擊，當(dāng)角度大于6°時，這個沖擊不容忽視。汽油發(fā)動機(jī)因?yàn)檗D(zhuǎn)速較高，高轉(zhuǎn)速下，若傳動軸角度較大，加之傳動軸動不平衡，就容易產(chǎn)生傳動系統(tǒng)共振，產(chǎn)生嗡鳴異響，對后驅(qū)動橋主減總成的沖擊加劇。所以整車匹配時傳動軸總成當(dāng)量夾角小于3°，空間夾角小于5°經(jīng)證明是合適的。

另外上述3.5噸小卡后驅(qū)動橋主減總成軸向竄動，經(jīng)分析是因主動齒輪鎖緊扭矩較小，不足于抵抗齒輪嚙合產(chǎn)生的軸向力及軸承預(yù)緊力，造成使用過程中軸承游隙變大，主錐內(nèi)部零部件出現(xiàn)相對運(yùn)動，進(jìn)而在擋油盤處出現(xiàn)磨損?？紤]到汽油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高，將主動齒輪鎖緊扭矩加大，后經(jīng)市場實(shí)車驗(yàn)證，主減壽命提升了2-3倍，故障率大幅降低。

[1]王霄鋒. 汽車底盤設(shè)計(jì)(第2版). 北京：清華大學(xué)出版社，2018.

[2]劉惟信. 汽車車橋設(shè)計(jì). 北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3][德] Schmelz F, von Graf HC, Seherr-Thoss, Aucktor E 著；伍德榮，肖生發(fā)，陶健民譯. 萬向節(jié)和傳動軸. 北京：北京理工大學(xué)出版社，1997.

[4]王望予. 汽車設(shè)計(jì)[M]. 4版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.