基于模塊化的驅動軸設計方法

宋建新

【摘 要】隨著汽車規模化、大批量的生產越來越普遍，模塊化的設計方法在越來越多的企業得到應用。上汽通用五菱汽車股份有限公司的CN180作為一款全新車型平臺，在開發的前期規劃了CAR、SUV、MPV及CUV等車型，各個系統的設計運用了模塊化設計方法。文章從驅動軸入手，詳細介紹了驅動軸的模塊化設計方法，包括節型的選擇、規格的制定、軸桿的直徑及花鍵的校核等方面入手，通過實例驗證了同一平臺下不同車型和不同動力組合下驅動軸的模塊化設計方法。

【關鍵詞】模塊化設計方法；驅動軸系統；驅動軸夾角；車輪打滑扭矩

【中圖分類號】TP391 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）05-0046-04

0 引言

模塊化設計作為一種新興的產品設計方法，備受各大汽車企業的重視。模塊化設計方法是在對一定范圍內的不同功能或相同功能、不同性能、不同規格的產品進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊，通過功能模塊的選擇和組合構成不同的產品，以滿足市場的不同需求[1]。因此，模塊化設計的核心是設計一系列能快速拼裝成產品的具有通用接口的標準模塊，讓汽車裝配變得像搭積木般容易和可靠，即用不同的模塊相互搭配即可組裝成不同的整車。

在汽車模塊化的推進與應用上，“大眾”汽車是最廣為人知的，“大眾”汽車目前擁有MQB、MLB等5個模塊化平臺，以及最新的新能源平臺MEB。通過固化油門踏板至前輪中心的距離，標準化發動機和變速器安裝位置，統一所有功能模塊指標、接口定義，實現組件的互換互通。當MQB平臺完全應用后，“大眾”預測，屆時產品研發成本和零部件成本將各自降20%[2]。

驅動軸系統作為汽車傳動系的主要構成部分，其承接從動力總成輸出的動力傳遞至車輪，從而驅動車輛行駛。本文主要研究實現驅動軸模塊化設計的方法。

1 驅動軸系統的構成

對于前置發動機前輪驅動的車輛，前懸結構一般為獨立懸掛，作為連接變速器和車輪的驅動軸，應能等速、可靠、平穩及低噪聲地將發動機的動力傳遞給車輪，同時滿足汽車行駛過程中上下跳和轉向等多工況軸的壓縮和擺動。

驅動軸系統主要由移動節殼體、三銷節總成、內等速節防塵套、固定節殼體、行星輪、鋼球及保持架總成、外等速節防塵套等構成（如圖1所示）。

差速器端采用滑動的等速萬向節，適應汽車行駛過程中車輪的上下跳、轉向引起的軸的伸長及擺動；在車輪端采用中心固定的等速萬向節，以適應車輪上下跳、轉向引起的擺角變化。

2 驅動軸模塊化設計需考慮的要素

2.1 驅動軸夾角影響節型的選擇

滑動式等速萬向節包括TJ（三銷軸式）、DOJ（雙偏置球籠式）及VL（交叉球籠式）。

（1）TJ包含標準的TJ（如圖2所示）及改進型AC—TJ、FrJ、ARR、TRJ、KI一2。標準的TJ由三銷軸、滾針、滾輪及外套構成，廣泛應用于低級別車輛。

（2）DOJ包含標準的DOJ（如圖3所示）及改進型DOJ—RPC和DOJ—RPCF。標準的DOJ由外套、內套、6個鋼球及保持架構成。

（3）VL如圖4所示。VL的內外套溝道相對于軸向只是等角度相互對稱地傾斜（交叉）。

固定式的等速萬向節包括BJ、RF、UF（如圖5所示）及GE（如圖6所示）。BJ、RF、UF的構成同DOJ，但DOJ外套軸向斷面為直溝道，與軸線平行，BJ、RF、UF為圓弧；因為BJ外套溝道為橢圓形，而UF、RF外套溝道為圓形，鋼球與之復合度較BJ高，所以同尺寸的端節額定扭矩高些。GE的構成基本同TJ，與TJ不同的是節心是固定的，很少使用。

驅動軸夾角分為左驅動軸夾角（內角和外角）、右驅動軸夾角（內角和外角），如圖7所示。

大的半軸工作角度將影響到等速節的耐久性，并在其本身出現噪音及振動問題。因為在有軸交角情況下，滑動端萬向節傳遞動力時，由于零件間的相對滑動產生的摩擦力，其軸向分量成為起振力，此力與發動機回轉的振動會產生共振，軸交角越大，振動和噪音越大[3]。

在大角度的工況下，高端的三銷節比普通的三銷節（TJ節等）在噪音與振動及耐久性能上有更優良的性能。這是因為高端三銷節有更低的軸向力，高級的潤滑脂，產生更低的內熱，最低的軸向沖擊載荷等（見表1）。

在整車開發確定前懸硬點并確定動力總成位置時，需要考慮驅動軸夾角對驅動軸節型的影響。對于同一個平臺下的不同車型，以及同一車型匹配不同的動力總成而言，在布置動力總成位置時應考慮驅動軸夾角對三銷節選型的影響，同一范圍內的驅動軸夾角可以選擇同一型號的三銷節。

2.2 車輪打滑扭矩及發動機最大扭矩影響萬向節規格的選擇

萬向節規格的計算包括按發動機的最大扭矩和按車輪打滑的扭矩2種，通常以Ts=min[Tss，Tse]為計算載荷，依據《滾動軸承 汽車用等速萬向節及其總成》（JB/T 10189—2001）及供應商產品技術參數選取相應的萬向節規格。

按發動機計算的最大扭矩：

Tse=■

按車輪打滑的扭矩：

Tss=■

其中：Temax為發動機最大輸出扭矩；k為離合器沖載系數，取值1.0；i1為變速器I擋速比；i0為變速器主減速比；η為機械傳動效率，取值1.0；G1為汽車前軸靜負荷；■為汽車最大加速度時前軸的負荷轉移系數，取值1.0；φ為輪胎與路面的附著系數，取值1.0；rr為驅動輪動態加載半徑。

選型扭矩：

T=TS×K

其中：K為安全系數，取2.5。

2.3 軸桿扭轉強度及扭轉角度影響

軸桿最小直徑計算值：

d=（TS×SF/87.2）■

軸桿抗扭截面系數：

Wt=πd（3/16 ）

軸桿扭轉應力（MPa）：

τ=■

其中，SF為使用因素系數，取值1.0。

軸桿材料為40Cr，材料硬度為52～58 HRC，其許用扭轉應力為535 MPa。

2.4 輪轂端和差速器端齒輪花鍵校核

一般通過花鍵齒側擠壓應力和花鍵齒剪切應力對輪轂端和差速器端的齒輪花鍵進行校核，以選定移動節殼體和固定節殼體的齒輪花鍵。

花鍵齒側擠壓應力：

σy=■

花鍵齒剪切應力：

τ1=■=■

3 案例應用分析

3.1 驅動軸模塊化需考慮的動力總成組合

某平臺包括Car、MPV及SUV 3種車型，總共匹配1.2 L、1.0T及1.5 L 3種動力，其中1.2 L發動機匹配5速與6速2種變速箱，1.0 T發動機匹配6速變速箱，1.5 L發動機匹配6速變速器，共4種變速器。車型與動力總成匹配關系見表2。

3.2 驅動軸模塊化的實現

對于不同的動力總成而言，動力總成的尺寸差異較大，同時受限于左、右大梁寬度的限制及發動機艙X方向的布置，變速器輸出點的位置不一致，導致不同動力總成的驅動軸的內點不一致，驅動軸不能完全共用。

通過綜合考慮各種動力總成組合在整車中的位置，確定各驅動軸的夾角，CN180平臺各動力總成的驅動軸夾角控制在4°～6°，移動節選擇TJ節，固定節選擇BJ節（見表3）。

不同車型、不同動力得到的驅動軸規格見表4。

4 總結

驅動軸的模塊化設計方法考慮了節型及規格的選擇，同時對軸桿直徑的選擇和花鍵的校核做了詳細的說明。在同一車型平臺中，驅動軸的模塊化設計減少了節型的種類，降低了驅動軸的成本，同時減少了驅動軸的設計驗證成本，在滿足車型差異化及動力總成差異化的同時，顯著減少了零件數量，零部件通用化程度更高。

參 考 文 獻

[1]邱國華.汽車模塊化設計的應用與發展[J].上海汽車，2002（11）.

[2]康文.大眾集團的模塊化擴張之路[J].汽車與配件，

2013（7）.

[3]高秀榮.轎車前驅動軸結構及設計要領[J].汽車工程

師，2016（3）.

[責任編輯：鐘聲賢]