淺談汽車驅(qū)動軸設(shè)計與校核

李亞東 魏國鑫

摘 要：驅(qū)動軸是汽車傳動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，設(shè)計過程較為復(fù)雜。本文主要從驅(qū)動軸結(jié)構(gòu)選型設(shè)計、驅(qū)動軸設(shè)計參考點、校核計算等方面進行總結(jié)和介紹。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動軸;設(shè)計;校核

0 概述

驅(qū)動軸是一種傳遞傳動、扭矩的軸總成，負責(zé)將變速箱的扭力傳遞到前輪轂總成。一旦驅(qū)動軸結(jié)構(gòu)類型方案確定后，再根據(jù)整車及懸架等有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定其結(jié)構(gòu)尺寸，然后根據(jù)懸掛運動學(xué)原理確定驅(qū)動軸及萬向節(jié)的長度尺寸及內(nèi)、外節(jié)的轉(zhuǎn)角和伸縮行程，還要進行內(nèi)部結(jié)構(gòu)、尺寸和強度等的設(shè)計計算和試驗驗證，確保在各種復(fù)雜工況下均能達到設(shè)計和使用要求。

1 驅(qū)動軸結(jié)構(gòu)選型設(shè)計

以整車類別、發(fā)動機參數(shù)、變速箱參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)、輪胎參數(shù)作為設(shè)計輸入。等速驅(qū)動軸總成是典型的結(jié)構(gòu)設(shè)計，獨立懸架轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋結(jié)構(gòu)特點是兩側(cè)的車輪各自獨立的與車架或車身彈性連接，所以必須配置兩個結(jié)構(gòu)相同等速驅(qū)動軸總成。當汽車在不平路面上行駛而受到?jīng)_擊時，就可以借助可軸向伸縮的萬向節(jié)來吸收沖擊能量，從而緩和傳到機體上的沖擊，以保證兩前輪始終同時著路，具有一定的緩沖作用。

（1）一般前橋內(nèi)側(cè)的可軸向伸縮的萬向節(jié)有交叉滾道式、三柱軸式和雙偏置式等幾種萬向節(jié)，極限轉(zhuǎn)角可達20°，伸縮量可達±20 mm。

（2）由于前橋還要擔負轉(zhuǎn)向的任務(wù)，轉(zhuǎn)向時，前輪要繞著轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動一個角度，在這種情況下，外側(cè)的前輪由等速萬向節(jié)可以保證前橋的半軸和差速器之間等角速傳遞動力。這時一般選用最常見的球籠式萬向節(jié)，其極限轉(zhuǎn)角可達40°。

（3）球籠式萬向節(jié)與輪轂聯(lián)結(jié)的典型結(jié)構(gòu)，球籠式萬向節(jié)鐘形殼的外花鍵軸部分與前輪轂內(nèi)花鍵配合，軸端通過鎖緊螺母和墊圈鎖緊。鐘形殼和輪轂均有密封圈，由于輪轂同時承受徑向和軸向載荷，一般常用一對圓錐滾子軸承或者雙列角接觸球軸承，其外徑與轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)徑過渡配合，輪轂法蘭盤與驅(qū)動輪輻板通過螺栓聯(lián)結(jié)，這樣鐘形殼、輪轂和驅(qū)動輪成為一體，進而完成驅(qū)動和轉(zhuǎn)向的功能。

（4）固定型等速萬向節(jié)布置在車輪處，通過鐘形殼外花鍵與前輪轂內(nèi)花鍵聯(lián)結(jié)，又通過鐘形殼中間部位的基準面與前輪轂的制口端面軸向定位。而伸縮型等速萬向節(jié)則布置在變速箱處，通過筒形殼外花鍵與差速器中半軸齒輪聯(lián)結(jié)，又通過筒形殼中間部位的基準面與變速箱殼體某制口端面軸向定位，示意圖如下所示：

2 驅(qū)動軸設(shè)計參考點

驅(qū)動軸的性能計算主要是萬向節(jié)的性能計算，這取決于整車的質(zhì)量參數(shù)、發(fā)動機的參數(shù)、傳動系的參數(shù)及輪胎的參數(shù)等，主要涉及靜扭轉(zhuǎn)強度、扭轉(zhuǎn)疲勞強度、耐久性磨損壽命。

（1）由于懸掛系統(tǒng)的上下運動結(jié)構(gòu)，使萬向節(jié)的角度發(fā)生變化，同時從變速箱端到車輪端的驅(qū)動軸有效工作長度發(fā)生，這就要求驅(qū)動軸位于變速箱的萬向節(jié)具備一定量的軸向伸縮滑移功能，同時具有一定量的擺角，以保證懸掛系統(tǒng)可以正常傳遞動力。

（2）在驅(qū)動軸內(nèi)外端萬向節(jié)的主要結(jié)構(gòu)及接口尺寸確定之后，萬向節(jié)的中心點也就確定了。

（3）萬向節(jié)強度計算，主要對驅(qū)動軸最大驅(qū)動力矩、最大附著力矩、需要承載的最大力矩、應(yīng)用力矩等進行核算確定。

（4）萬向節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)和規(guī)格，隨著萬向節(jié)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，各個廠家生產(chǎn)的萬向節(jié)規(guī)格與參數(shù)逐漸系列化和標準化，但性能和磨損壽命差異較大。

（5）耐久性磨損壽命校核，因整車經(jīng)常處于空載和滿載之間的工況行駛，所以選擇空載和滿載時內(nèi)球籠軸間夾角均值為研究對象，輸入壽命目標值，使用Palmgren/Miner原理進行計算。

3 驅(qū)動軸校核計算

（1）臨界轉(zhuǎn)速校核。當驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速接近它的彎曲自然振動頻率時，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，其撓度急劇增加，致使驅(qū)動軸折斷，這個轉(zhuǎn)速即為驅(qū)動軸的臨界轉(zhuǎn)速。因此在設(shè)計時應(yīng)考慮驅(qū)動軸的最大工作轉(zhuǎn)速必須低于臨界轉(zhuǎn)速。根據(jù)傳動最大扭矩、額定轉(zhuǎn)速和傳動軸長度，確定傳動軸臨界轉(zhuǎn)速，可通過理論公式計算得出，由于傳動軸平衡的誤差影響，實際臨界轉(zhuǎn)速要低于計算值，因此需要引入安全系數(shù)，一般取值2.9。

（2）強度校核。1）確定扭轉(zhuǎn)強度，理論計算的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)小于許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，由于計算的傳動軸在使用中起著半軸的作用，因而其要求與半軸相同，一般半軸扭轉(zhuǎn)許應(yīng)力為490～588 MPa。2）按驅(qū)動最大轉(zhuǎn)矩和減速器速比來計算載荷。3）按驅(qū)動輪打滑來計算載荷。4）確定驅(qū)動軸最大承受載荷。5）確定驅(qū)動軸總成最小扭轉(zhuǎn)屈服強度，屈服安全系數(shù)一般取1.7。6）確定驅(qū)動軸的計算載荷。7）確定驅(qū)動軸總成最小靜扭強度。

（3）剛度校核。根據(jù)車型總布置方案，通過傳動軸等剛度、扭轉(zhuǎn)角的校核進行扭轉(zhuǎn)剛度校核，來確定傳動軸直徑是否滿足整車性能要求。

（4）使用壽命校核。通過運用理論公式，依據(jù)發(fā)動機及傳動系統(tǒng)墓本參數(shù)核算驅(qū)動角度系數(shù)、各檔驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速、各檔驅(qū)動軸轉(zhuǎn)矩、各檔小時壽命等，比對驅(qū)動軸的使用壽命是否滿足三包法規(guī)，同時滿足國家標準和公司標準。

（5）確定中間軸桿最小公稱直徑。根據(jù)計算得出的驅(qū)動軸總成的屈服強度和最小靜扭破壞強度，按照JB/T 10189-2010《汽車用等速驅(qū)動軸及其總成》標準，可以確定驅(qū)動軸中間軸桿最小公稱設(shè)計直徑。

4 結(jié)束語

汽車驅(qū)動軸設(shè)計與校核不僅局限于理論層面計算分析，還需結(jié)合試驗和試制的方式進行設(shè)計驗證，以便提升汽車驅(qū)動軸整體設(shè)計質(zhì)量。

參考文獻：

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