基于輕卡某重載版車型萬向傳動軸設計分析

孫慶義

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于輕卡某重載版車型萬向傳動軸設計分析

孫慶義

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車萬向傳動軸裝置的作用是實現(xiàn)一對軸線相交且相對位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)軸之間的動力傳遞。文章基于輕卡某重載版 3845mm軸距的產(chǎn)品，首先對萬向節(jié)及中間支撐等萬向傳動軸的主要零部件進行介紹，然后利用發(fā)動機扭矩、變速箱速比確定萬向傳動軸規(guī)格，最后將鋼板彈簧剛度等相關(guān)參數(shù)用作圖法對萬向傳動軸的當量夾角等參數(shù)進行設計確認。

輕卡；萬向傳動軸；作圖法；當量夾角

引言

發(fā)動機動力總成所產(chǎn)生的原動力，經(jīng)過變速箱減速增大扭矩或換向后，通過傳動軸裝置傳遞到后橋總成，進而驅(qū)動后輪旋轉(zhuǎn)，克服前進阻力。對于輕型載貨汽車而言，傳動軸長度小于1500mm時，大多可以采用單根傳動軸，而長度大于1500mm時，一般軸管臨界轉(zhuǎn)速不能滿足要求，進而采用兩根或多根傳動軸。與變速器相連接的傳動軸總成稱為中間傳動軸，而直接與后橋總成相連的傳動軸總成則稱之為后橋傳動軸。中間傳動軸上裝有彈性支承元件，包括中間軸承、彈性元件、托架，彈性支承元件可以吸收振動，并允許傳動軸相對車架運動。

萬向傳動軸的設計要求：保證所連接的兩軸相對位置在預計范圍內(nèi)變動時，能可靠的傳遞動力；保證所連接兩軸盡可能等速運轉(zhuǎn)，由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動和噪音；傳動軸效率高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易等。

1 萬向傳動軸的主要零部件

帶有十字軸式萬向節(jié)的軸管或兩十字軸式萬向節(jié)是直接連接的，用來把發(fā)動機的扭矩和旋轉(zhuǎn)運動傳遞給驅(qū)動軸的總成。傳動軸、花鍵軸、滑動叉、中間支承和萬向節(jié)叉等共同組成了傳動軸總成，具體結(jié)構(gòu)如圖1：

圖1 傳動軸總成結(jié)構(gòu)

1.1 十字軸

在兩軸夾角不變或改變時，能夠?qū)⑴ぞ睾托D(zhuǎn)運動從一根軸傳到另一根軸的關(guān)節(jié)式的機械裝置。

1.2 萬向節(jié)

在同一平面內(nèi)具有四個徑向均布軸頸的中間傳動元件，萬向節(jié)具體結(jié)構(gòu)如圖2：

圖2 萬向節(jié)結(jié)構(gòu)

1.3 中間支撐

傳動軸中間支承總成是傳動軸一個非常重要的零部件，一般都包括金屬沖壓件和橡膠件總成（包括軸承）兩個總成件。如圖3所示：

圖3 中間支撐

2 萬向傳動軸規(guī)格確定

2.1 傳動軸規(guī)格

根據(jù)整車匹配的動力總成和驅(qū)動橋軸荷確定傳動軸承受的扭矩Tse：以輸入端發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩和變速器—擋傳動比來確定。

式中：Tse—發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩；i1—變速器一檔速比；η—發(fā)動機到傳動軸之間的傳動效率，取1；n—為計算驅(qū)動橋數(shù)；Kd—猛踩離合所產(chǎn)生的動載荷系數(shù)，根據(jù)《汽車設計》十字軸萬向節(jié)篇，一般商用車Kd=1；

根據(jù)總布置設計要求發(fā)動機最大輸出扭矩Tse=500N·m，X型變速箱速比如下：

表1

傳動軸最大扭矩為：

根據(jù)傳動軸平臺，選擇額定扭矩為2800-3600 N·m的φ90x3的軸管，外徑為90mm，壁厚為3mm。

2.2 軸管強度計算

軸管強度計算公式為：

式中：D-軸管外徑；d-軸管內(nèi)徑；

帶入數(shù)據(jù)得：τ=88.27MPa。

軸管最大許用扭轉(zhuǎn)應力為180MPa，故安全系數(shù)為2.04，大于1.5，滿足設計要求。

3 作圖法校核傳動軸

3.1 傳動軸當量夾角校核

該款車型為3845mm軸距，傳動軸總長度大于1500mm，采用雙聯(lián)傳動軸結(jié)構(gòu)設計。傳動軸雙聯(lián)結(jié)構(gòu)設計要求：傳動軸相位按照++-或者+-+進行布置，可以獲得較小的當量夾角，且任何時候當量夾角αe不大于3°；在滿載工況下，單個傳動軸萬向節(jié)布置角度不允許大于4°；在空載或極限工況下，單個傳動軸萬向節(jié)布置角度不允許大于 7°；另外，應使萬向節(jié)傳動兩端夾角盡量相等或接近。傳動軸布置示意圖如圖4：

圖4 傳動軸布置示意圖

該款車型傳動軸相位采用+-+，當量夾角 αe計算公式如下：

式中：α1—第1根傳動軸與發(fā)動機（變速箱）曲軸中心的夾角；α2—第1根傳動軸中心線與第2根傳動軸的夾角；α3—第2根傳動軸中心線與后橋凸緣中心線的夾角；

根據(jù)該款車型總布置方案說明書所規(guī)定的整車參數(shù)，結(jié)合已選定的傳動軸規(guī)格和確定后橋中心坐標的作圖法，可確定傳動軸萬向節(jié)輸入軸與輸出軸之間的夾角。

表2

圖5 傳動軸校核圖

如圖5所示，可得滿載以及極限載狀態(tài)下當量夾角如下：

表3

由上表可知三種狀態(tài)下的當量夾角均小于3°，滿足設計要求。

3.2 傳動軸臨界轉(zhuǎn)速校核

由圖5知后橋傳動軸長度為1058mm，臨界轉(zhuǎn)速計算如下：

式中：L-傳動軸長度（兩萬向節(jié)中心線距離）mm。

安全系數(shù)大于2，滿足設計要求。

4 結(jié)論

本次設計開發(fā)過程參考以往車型采用經(jīng)驗法和匹配設計相結(jié)合的設計方法，充分的利用了相關(guān)的參數(shù)，確保了設計的嚴謹性。零部件設計基于“通用化、模塊化、標準化、系列化”要求，降低了零部件開發(fā)的成本、縮短了開發(fā)周期。對今后的產(chǎn)品設計研發(fā)工作打下了良好的基礎(chǔ)。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[2] 張洪欣.汽車設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.

[3] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[4] 張金柱.汽車原理與構(gòu)造[M].北京:化學工業(yè)出版社,2016 .

Design and analysis of universal transmission shaft based on light truck heavy plate model

Sun Qingyi
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

Automobile universal transmission shaft device is a rotating shaft on the dynamic between the intersection and the relative position of constantly changing transmission. In this paper, a 3845mm light truck wheelbase based products, first of all the main components of the universal joint and intermediate support universal transmission shaft are introduced, and then use the engine torque, transmission speed determine universal transmission the shaft size, stiffness and other related parameters on the mapping method of universal drive shaft equivalent angle and other parameters were designed to confirm.

light truck; universal transmission shaft; the mapping method; equivalent angle

U462.1

A

1671-7988 (2017)21-55-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.020

CLC NO.: U462.1

A

1671-7988 (2017)21-55-03

孫慶義（1993-），男，助理工程師，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司輕型車研究所，主要從事汽車底盤方面的設計工作。