載貨汽車傳動軸的結構與設計

概述

前置發動機后輪驅動的汽車在行駛中，由于懸架的不斷變形，變速器與驅動橋的相對位置（高度和距離）也在不斷的變化，所以變速器的輸出軸與驅動橋的輸入軸非剛性聯接，即采用伸縮的萬向傳動軸來聯接。當聯接的距離較近時，常采用兩個十字軸萬向節和一根可伸縮的傳動軸；傳動軸的長度超過1.5m時，則應將傳動軸分成兩節或三節，用三個或四個萬向節，且后面一根為可伸縮傳動軸，中間傳動軸應有支承。

汽車傳動軸的主要結構

汽車傳動軸一般由萬向節、軸管及其伸縮花鍵等組成。對于長距軸汽車的分段傳動軸，還需要中間支承（圖1）。

·傳動軸管

由低碳鋼板卷制壁厚均、壁薄（1.5～3.0mm）、管徑較大、易質量平衡、扭轉強度高、彎曲剛度大、適用高速旋轉的電焊鋼管制成。大型貨車的傳動軸則直接采用無縫鋼管。

·伸縮花鍵

花鍵有矩形或漸開線齒形，用于補償由于汽車行駛時傳動軸兩萬向節之間的長度變化。為減小阻力及磨損，對花鍵齒磷化處理或噴涂尼龍。對于這兩種結構的伸縮部位都應有潤滑和防塵措施，間隙不宜過大，以免引起傳動軸的振動。裝車時傳動軸的伸縮花鍵一端應靠近變速器或中間支承而不應靠近驅動橋。

·中間支承

用于長軸距汽車的分段傳動軸，以提高傳動的臨界轉速、避免共振及減小噪聲。它安裝在車架橫梁或車身底架上，其能補償傳動軸的安裝誤差及適應行駛中由于彈性懸置的發動機的竄動和車架變形引起的位移，而其支承內的軸承應不受或少受由此產生的附加載荷。以前中間支承內采用橡膠彈性元件上的單列球軸承。橡膠彈性元件能吸收傳動軸的振動、降低噪聲及承支的徑向力，但不能承受軸向力，因此應合理選擇支承剛度，避免在傳動軸常用轉速內產生共振。

·萬向節

萬向節按其在扭轉方向上是否具有明顯彈性，分為剛性萬向節和撓性萬向節。載貨汽車多采用普通剛性十字軸式萬向節，結構形式（圖2），其結構簡單、傳動效率高。十字軸式萬向節主要由主要主動叉、從動叉、十字軸、滾針軸承及其軸向定位件和橡膠密封件等組成，為提高使用壽命，十字軸內帶有潤滑系統。

傳動軸的設計

·軸管外徑D

在傳動軸設計中，主要是選擇傳動軸的長度和斷面尺寸。根據所傳最大轉矩、最高轉速和傳動軸長度及專業生產廠內的系列產品來初步選定軸管外徑及壁厚（或內徑）并校核臨界轉速及扭轉強度。

傳動軸的臨界轉速

兩端自由支承、壁厚均勻的等截面傳動軸的臨界轉速為： nc=1.2€?08∕L2

式中nc—臨界轉速，[nc]為r/min，L—傳動軸長度，即兩萬向節中心之間的距離，[L]為mm，D、d—傳動軸軸管的外徑和內徑，它們的單位為mm。

由于空心傳動軸的臨界速要比實心軸的高，并且節省材料，所以在汽車傳動軸中多采用空心軸。

臨界轉速與最大轉速之比為安全系數：K= nc / nmax，其中nc為最高車速時的傳動軸的最高轉速，載貨汽車由于動平衡、伸縮花鍵的精度及載貨的特殊工況，選K＝3.0。

軸管的扭轉應力=()∕[]≤[€%m]，式中[€%m]—許用應力，取[€%m]＝300 N/mm2 ，Tj—傳動軸計算轉矩，N·mm。

·傳動軸的伸縮花鍵

（1）花鍵的扭轉應力：€%mh=()∕（），式中€%mh—花鍵軸內徑的扭轉應力，N/mm2，dh—花鍵內徑，mm。確定€%mh的許用扭轉應力安全系數為2～3。

（2）傳動軸伸縮花鍵齒側的擠壓應力：€%lj=Tj∕{[（Dh+dh）∕4]€譡（Dh+dh）∕2] €譒€譠}≤[€%lj]，式中Z—花鍵齒數，L—鍵齒有效長度 mm，Dh—花鍵外徑mm。[€%lj]—許用擠壓應力，當花鍵齒面硬度大于HRC35時，伸縮花鍵[€%lj]＝25～50 N/mm2。

花鍵軸材料多為40Cr，花鍵套材料為：40、45號鋼調質。

傳動軸總成的動平衡

為了減少傳動軸在高速旋轉時所產生的噪聲和振動，應該提高傳動軸的平衡度。傳動軸的動平衡需要在專用的試驗臺上測量，對傳動軸不平衡的需在適當位置點焊平衡片，以保證其平衡。對于載貨汽車，要求當轉速在1000～4000r/min時，不平衡度不應超過10 N·mm。

萬向節十字軸設計校核

萬向節十字軸的設計校核，可以根據專業廠所提供的額定扭矩值，并與傳動軸的設計算扭矩進行比較。若所選十字軸額定扭矩值大于傳動軸計算扭矩值，故可以選用。十字軸由20Cr或20CrMnTi及12CrNiA等低碳合金鋼制造，經滲碳淬火，表面硬度為HRC58～65。

本文主要以理論為基礎介紹了載貨汽車傳動軸的結構及設計，明確傳動軸的設計思路。現在對于傳動軸的設計，我們可以參考專業生產廠所提供的相關數據，選取對應的產品，并做對應的校核即可。傳動軸的各個部件都已經形成列系列化、標準化、通用化，這大大也減少了設計人員的重復勞動。

（作者單位：沈陽金杯車輛制造有限公司）