汽車等速驅動軸與變速箱聯接的緊定研究

麥承賢

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

前驅汽車作為乘用車的主體，日益深入普及到人們的工作生活當中，車輛的行駛安全和功能保證，是車輛設計時首要前提。前驅汽車的驅動軸，是動力傳動系統中的關鍵部件，有變向傳動和內部滑移伸縮功能，其將變速箱內差速器的半軸齒輪所輸出的扭矩和轉速接入，經變向之后，傳到前輪轂，驅動車輪轉動而使汽車行駛。驅動軸大都設計使用等速萬向節，所以也常叫做等速驅動軸。等速驅動軸和變速箱之間的聯接結構設計，是關系到汽車行駛中動力傳遞是否穩固，會否出現動力斷脫造成車輛行駛事故的關鍵，需要做到設計保證。

1 等速驅動軸與變速箱的聯接型式

等速驅動軸與變速箱之間，需要傳遞扭矩和轉速，就要對兩個旋轉的軸——變速箱的半軸齒輪和驅動軸的輸入軸——進行聯接。在這里，兩個軸是同軸的，這個聯接可以設計成簡易化的聯軸器。這樣的聯接在變速箱的差速器部位左右兩側各有一個，分別驅動車輛的左右驅動軸進行轉動，進而驅動輪轂和車輪轉動，如圖1 所示。

圖1 驅動軸與變速箱及車輪的布置示意圖

相對于變速箱的半軸齒輪和車輪的輪轂這兩個旋轉軸來說，驅動軸本身就是一個有補償性能的撓性聯軸器。前驅汽車的等速驅動軸與變速箱之間的簡易化的軸聯接，通常采用的是凸緣聯接和花鍵軸聯接。

1.1 凸緣聯接

凸緣聯接型式如圖2 所示，變速箱的動力輸出端和驅動軸的動力輸入端都設計成凸緣，即帶有定心止口的法蘭，使用螺栓和螺母緊固。這種聯接型式結構簡單，拆卸方便，穩固可靠。

圖2 凸緣聯接型式示意圖

1.2 花鍵軸聯接

花鍵軸聯接型式如圖3 所示。驅動軸的軸端直接插入變速箱內，與差速器的半軸齒輪接合，驅動軸的軸端加工成一段花鍵軸，半軸齒輪加工有花鍵孔，軸和齒輪采用花鍵來接合傳遞動力?；ㄦI軸在與齒輪花鍵孔配合長度之外的頭部，加工有一個環槽，放入環形彈簧做定位環，將花鍵軸即等速驅動軸緊定在變速箱內，使其不能隨意松脫。

圖3 花鍵軸聯接型式示意圖

這種聯接型式接近于在凸緣聯接型式基礎上，將變速箱輸出聯接凸緣及軸轉移成驅動軸的部分，使原屬于變速箱內部結構的輸出凸緣軸與半軸齒輪的聯接，轉移成驅動軸與變速箱的兩大傳動系統部件之間的聯接。這種花鍵軸聯接型式，相比成本更低，結構也更簡單。

凸緣聯接型式的驅動軸與變速箱聯接，使用螺栓和螺母緊固，穩固可靠，不需多做分析。花鍵軸聯接型式的驅動軸與變速箱聯接，只靠驅動軸花鍵上的定位環來緊定，同時在驅動軸裝配、拆卸過程，還需要壓縮定位環使配合的花鍵軸和孔能夠接合、脫離，下文將對此聯接緊定做逐步地分析研究。

2 等速驅動軸裝配和拔出受力分析

2.1 定位環的功能及裝配過程變化

定位環是一種環形彈簧，如圖4 所示。其自由狀態時直徑為D1，受到徑向的力F 后，產生彈性變形，直徑收縮為D2，此時其直徑尺寸小于半軸齒輪花鍵孔小徑，可以在花鍵孔內滑動。

圖4 定位環受力直徑收縮示意圖

如圖5 所示，在驅動軸對變速箱的裝配過程，定位環在A 點位置碰觸到半軸齒輪，受到裝配壓入力作用而受壓收縮直到B 點位置，然后滑動到C 點位置，再隨著內孔直徑變大而張開直到D 點位置，恢復自由狀態。定位環亦是在D 點位置起卡緊作用，將驅動軸緊定在變速箱內。

圖5 驅動軸裝配、拆卸過程定位環位置變化示意圖

反之，驅動軸從變速箱的拆卸過程，是在拆卸拔出力作用下，反方向從D 點壓縮到C 點，然后滑動到B 點，再張大恢復到A 點而脫出。

2.2 裝配受力分析

在驅動軸裝配過程，定位環受到壓入力作用而壓縮，壓縮時的定位環受力狀態如圖6（a）所示。

圖6 驅動軸裝配、拆卸過程定位環受力示意圖

圖中，

P 為驅動軸裝配的壓入力；

N1為半軸齒輪對定位環的正壓反力；

f1為半軸齒輪對定位環滑動的摩擦阻力；

F1為定位環壓縮產生的反彈張力；

β 為半軸齒輪對驅動軸壓入導向的角度。根據力學知識，有

式中，

μ1為定位環壓入時壓縮滑動的摩擦系數；

k 為定位環徑向壓縮彈性系數即剛度；

x1為定位環壓入直徑尺寸變化壓縮量。

由式（1）到式（4），可得

從式（5）可知，壓入力P 與定位環的彈性系數k、壓縮量x1、壓入導向角β、壓入摩擦系數μ1有關。

2.3 拆卸受力分析

在驅動軸拆卸過程，定位環受到拔出力作用而壓縮，壓縮時的定位環受力狀態如圖6（b）所示。

圖中，

Q 為驅動軸拆卸的拔出力；

N2為半軸齒輪對定位環的正壓反力；

f2為半軸齒輪對定位環滑動的摩擦阻力；

F2為定位環壓縮產生的反彈張力，

θ 為半軸齒輪對驅動軸拔出導向的角度。同樣，根據力學知識，有

式中，

μ2為定位環拔出時壓縮滑動的摩擦系數；

x2為定位環拔出直徑尺寸變化壓縮量。

由式（6）到式（9），可得

從式（10）可知，拔出力Q 與定位環的彈性系數k、壓縮量x2、壓入導向角θ、壓入摩擦系數μ2有關。

2.4 壓入力與拔出力的關系

由式（5）、式（10），可得

定位環不管是壓入過程還是拔出過程，都需要將其直徑壓縮到等于半軸齒輪花鍵孔的小徑之后，才能通過花鍵配合部位，也就是說壓入壓縮量和拔出壓縮量是相等的，即x1= x2，則式（11）簡化為

設定kj為拔出力對壓入力的比率系數，那么即有

通常地，定位環在壓入變速箱時，都會粘裹一層潤滑油，這樣壓入、拔出的滑動摩擦系數基本上是相等的，設定定位環相對半軸齒輪的有潤滑的滑動摩擦系數為μ，即μ1=μ2=μ，則有

從式（16）可以看出，驅動軸拔出力對壓入力的比率系數kj半軸齒輪花鍵孔的結構尺寸相關，具體地說，就是與拔出導角、壓入導角相關。從圖7 可以看出，摩擦系數μ 變化，對比率系數kj的值的大小變化影響微小。

圖7 比率系數相對摩擦系數變化曲線圖

3 合理設定驅動軸的壓入力和拔出力

從前驅汽車的生產流程來看，驅動軸的裝配是在發動機的模塊分裝線完成的，而且這一過程很難采用機械手，都是使用人工來完成。這就要求壓入力的大小，能夠讓操作者比較輕松地完成每一次裝配動作，符合人機工程。

同時，驅動軸的拆卸拔出力，也要滿足車輛行駛安全要求。車輛行駛中，懸掛系統的作用，使車身始終相對車輪上下跳動變化，加上車輛轉向時車輪的角度變化，都使驅動軸的內側即聯結變速箱端的等速萬向節一直在進行著萬向節軸交角變化和中間軸滑移運動。中間軸滑移運動，會拉扯萬向節護罩變形，產生拉扯力，拉扯力拉動聯接的花鍵軸產生向外脫出的趨勢，當拉扯力等于拆卸拔出力時，聯接的花鍵軸就會脫出。

以目前比較受歡迎的一款小排量轎車的聯接參數進行實際計算，僅用各零件尺寸中值，不討論其尺寸公差，壓入和拔出的滑動摩擦系數取相等，最終的設定及計算結果為：

壓入力P=150 N；

拔出力Q=418 N。

拔出力對壓入力的比率系數kj=2.79。

4 臺架試驗檢測

4.1 壓入力、拔出力檢測

如圖8 所示，將驅動軸與變速箱只取聯接部位，驅動軸的花鍵軸端頭和變速箱的差速器，放置在測量臺，固定差速器，電子顯示測力器放在油缸推桿和壓頭中間連成一體，油缸運動壓、拉驅動軸的花鍵軸端頭，形成裝配壓入和拆卸拔出的過程，測力器測量顯示的數據即是壓入力和拔出力的數值。

圖8 壓入力、拔出力測量圖

對5 次測量得到的數據如表1 所示。

表1 驅動軸壓入力和拔出力的測量數值

數據顯示與理論分析計算的數據基本保持一致。

4.2 拉扯力檢測

測量驅動軸自身中間軸滑動和擺動時拉動橡膠護罩變形產生的拉扯力，如圖9 所示。

圖9 罩變形拉扯力

將驅動軸的中間軸緊固，油缸連上花鍵軸端頭進行拉拔，測試橡膠變形過程中的油缸拉力峰值，即是橡膠變形拉扯力。對5 次測量得到的數據如表2 所列。

表2 驅動軸橡膠護罩變形拉扯力的測量數值

數據顯示，拉扯力遠遠小于驅動軸拔出力，不會對車輛產生安全威脅。

5 結束語

花鍵軸式聯接是前驅汽車等速驅動軸與變速箱之間聯接的普遍選擇，在確定了聯接的花鍵尺寸大小后，對聯接進行卡緊定位的定位環設計，這設計環節是相當重要的。

（1）驅動軸裝配壓入力的大小，與定位環的設計參數有關，同時還與壓入導向角、摩擦系數有關。

（2）驅動軸拆卸拔出力的大小，與定位環的設計參數有關，同時還與拔出導向角、摩擦系數有關。

（3）拔出力對壓入力的比率系數，是穩定的常數，由聯接零件半軸齒輪上壓入導向角、拔出導向角確定。

[1]濮良貴，紀名剛.機械設計（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]劉延柱，楊海興，朱本華.理論力學（第2 版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]陳家瑞. 汽車構造（第2 版）[M]. 北京：機械工業出版社，2005.