傳動軸布置夾角對后驅動橋主減總成沖擊的研究

1 前言

前置后驅的商用車，動力從發動機變速箱，經傳動軸傳遞給后驅動橋，因為車輛總布置的需要，傳動軸布置在空間上存在一定的夾角，又因制造誤差的存在，高速旋轉的傳動軸會因為動不平衡而產生振動，傳動軸的振動激勵就會引起相互連接的零部件的疲勞失效，針對后驅動橋主減總成的失效件進行故障再現，結合虛擬仿真分析及相關試驗驗證，總結出傳動軸布置角度對后驅動橋產生的影響。本文以某公司3.5噸小卡為例講述了分析及試驗過程，結合大量的市場售后信息，說明了傳動軸角度的變化對后驅動橋產生的影響。

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2 市場故障分析

某公司3.5噸汽油小卡，售后市場反饋多例后驅動橋主減總成異響，通過對異響故障件進行拆解，發現主減總成出現軸向竄動，有的甚至出現主動齒輪軸上的防油擋盤、軸承等件的疲勞磨損。

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故障現象：主齒鎖緊螺母①(見圖1)的鎖緊扭矩降低或無扭矩，主動齒輪軸向存在竄動，竄動間隙0.4-0.5mm。

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計算正向行駛和倒車行駛，發動機最大扭矩工況下，主從動齒輪嚙合產生的軸向力，和傳動軸附加彎矩做對比，見表4：

在凡爾賽的法國國家農業研究所（INRA）的農學家瑪麗-海倫·杰弗羅伊（Marie-Helene Jeuffroy）說道，混合種植法“正在變得非常流行”。法國全境3%到5%的油菜田都采用了豆類作物間種法。根據法國油菜生產商聯合會7月份的一項承諾，到2030年，這一比例可將增至30%。

該3.5噸汽油小卡，整車參數如表1：

主動齒輪鎖緊螺母扭矩為什么會降低呢？分析有兩方面原因，一是理論設計的扭矩小了，不足于抵抗主從動齒輪嚙合產生的軸向沖擊，另一方面懷疑是傳動軸周期轉動沖擊，造成該螺母出現松動。為了進一步分析傳動軸周期沖擊對后驅動橋會產生多大的影響，同時查找主減總成失效的真正原因，我們從以下幾個方面開展相關驗證。

而生成的羥基絡合物會吸附在方鉛礦表面，使礦物表面的氧化減弱，放電能力減弱，礦漿電位則會升高[7]。在鐵介質磨礦時，同時又存在Fe2+、Fe3+水解作用，因而礦漿電位要低于瓷介質磨礦。

3 理論校核計算

3.1 傳動軸附加彎矩作用在后驅動橋主減上的力

潛在影響：擋油盤磨損后會導致主齒軸向間隙變大，進而導致主從動齒輪嚙合區不對，加重異響，或軸承預緊失效，加速軸承③磨損。

我們以傳動軸的單個萬向節為例，和萬向節連接的輸入軸1和輸出軸2的轉速不同，所以輸入軸和輸出軸的扭矩也不相等，考慮力的平衡，萬向節的十字軸就受到附加彎矩T

的作用力。

T

是周期性變化的,傳動軸每旋轉一圈變化2次,

=

sin

,

=

tan

,

(4)傳動軸花鍵處有摩擦，并且后橋有位置變化(上下跳動)，此時主動齒輪的軸受力與(3)類似，數值也接近。

以該小卡為例，根據傳動軸附加彎矩經驗數據(傳動軸角度為18°時, 附加彎矩

與傳動軸輸入轉矩

的關系，見圖2)，計算空載、滿載兩種工況下產生的附加彎矩如表2：

上述附加彎矩，最終導致傳動軸的彎曲變形，表現為傳動軸花鍵處前后伸縮，此時花鍵既要承受傳動扭矩T

的擠壓，又要保證傳動軸的前后伸縮就產生了摩擦力，取摩擦系數為0.05，則滑動摩擦力為：

該摩擦力對后驅動橋的影響是前后沖擊后橋主減總成上的連接法蘭，假設摩擦力全部作用于連接法蘭，進而作用在主動齒輪上。

3.2 極限工況下，傳動軸前后伸縮產生的力

車輛經過不平路面時，后橋會出現上下跳動，此時傳動軸的重力產生的沿主動齒輪軸向的分力為：

3.3 主從動齒輪嚙合產生的作用力

失效件：螺母①鎖緊扭矩失效伴隨擋油盤②(見圖1)出現磨損；螺母①扭矩未失效的，擋油盤②有接觸痕跡，未磨損。

除了大力扶持社區發展，寧波一院開始醞釀一些新的變革。因為過去幾十年形成的就醫習慣，國內大醫院總是人滿為患。以寧波一院為例，日均門急診量在6000人次上下，其中大內科普通內科門診的占比就是10%。勵麗介紹，這一部分主要是常見病、多發病患者。而且，這部分患者中，很多實際上早已經診斷明確，主要的需求是到醫院配藥。

綜上分析，在不考慮齒輪變形和內部運轉摩擦的情況下， 滿載工況時(此時傳動軸與后橋的角度為2.62°)，因傳動軸附加彎矩產生的分力約占主從齒輪嚙合產生的軸向力的7.98%(理論校核了兩種極限工況)。

通過對2組數據的對比，可看出利用殘差GM（1，1） 模型對模擬值進行修正后，預測精度有了一定程度的提高，其平均相對誤差為0.021%。利用殘差GM（1，1）預測模型對第8次累計沉降量進行預測，得到的預測值為19.29 m，其真實值為19.67 m，相對誤差為0.019%，后驗差比值C為0.019 6，預測結果與真實值較接近。GM（1，1）和殘差GM（1，1）2個模型的預測結果都獲得一級預測效果，充分證明了GM（1，1）模型預測的準確性和可靠性，而利用殘差修正GM（1，1）模型的預測結果的后驗差比值更精確。通過對建筑物預測結果的分析，得出以下2點結論：

4 虛擬仿真分析

4.1 分析說明及輸入

繪制傳動軸、后橋總成及內部各零部件的精確數模,提供各零部件材料的力學參數；

設置傳動軸花鍵處存在摩擦接觸，動摩擦系數分別為0，0.05，0.1進行對比分析；

設置輪心處有正弦連續垂向位移，假設后橋跳動行程為-30mm到30mm，模擬過搓板路不斷沖擊的狀態。沖擊速度設置為中速沖擊，0.5m/s垂向速度沖擊。

設置后橋下跳到下極限位置127mm時，滿載驅動。

傳動軸中間支撐襯套剛度：上下方向徑向剛度為拉伸及壓縮平均值274N/mm，左右方向315N/m，此為實際測量值，如圖3所示。

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按整車坐標系定義X-Y-Z方向，X為汽車前進方向(等同于后驅動橋主動齒輪軸向)。

4.2 分析工況

將傳動軸、后驅動橋等涉及的所有零部件按實際尺寸進行三維建模，通過Adams分析不同工況下后驅動橋主動錐齒輪軸向力的變化，模擬整車上下跳動的極限位置，考慮傳動軸角度的變化、齒輪嚙合沖擊等對主動齒輪軸向力的影響。

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設置倒檔工況，輸入扭矩760Nm，傳動軸輸入轉速910r/min (仿真輸入5460deg/s) 。

設置車速80km/h，輸入扭矩210Nm，傳動軸輸入轉速3270r/min(仿真輸入19620deg/s)

4.3 仿真分析結論

(1)花鍵無摩擦時，即傳動系統無沖擊時，主動齒輪軸向受力平穩，徑向受力有波動；從動齒輪軸向力無波動。

(2)后橋位置無不變與后橋連續垂向跳動的結果一致，X方向軸向力幾乎無變化。

(3)傳動軸花鍵處加入滑動摩擦系數0.05或0.1時，主動齒輪的軸向受力波動較大，摩擦力增加時X方向的受力波動變大。

附加彎矩可激起與萬向節相連接的件的彎曲振動,在萬向節軸承上引起周期性變化的徑向載荷,從而激起支撐處的振動,這個徑向載荷會傳遞給后橋主動齒輪。

(5)倒車工況：倒檔工況下載荷變化比前進工況更劇烈，與傳遞扭矩載荷變大有關，此時傳動軸花鍵處加入滑動摩擦系數0.05或0.1時，主齒的軸向受力波動比工況(3)還要略大。

進行玻璃吊裝施工時，應采取以下保護措施：（1）玻璃吊裝時，將專用胎架一同起吊；（2）玻璃吊裝至屋面時，需將底部墊平、墊實，玻璃未安裝之前不允許將玻璃與胎架的捆綁解開；（3）確保玻璃隨裝隨吊，盡可能地減少高空堆放量。

上述各種工況受力見圖4，最終通過對各個工況下受力計算，沖擊最大時，傳動軸附加彎矩產生的沖擊力波動峰值為1025N，而主從動齒輪嚙合產生的主齒軸向力為10994N，約為9.32%。

5 臺架試驗驗證

為了排除路面、傳動系統等其他振動產生的影響，在齒輪疲勞試驗臺上模擬傳動軸角度的變化，用加速度傳感器檢測傳動軸輸入信號(轉頻)與齒輪嚙合信號(齒數比)兩者的激勵變化，根據上述3.5噸平臺車型動力系統匹配，試驗參數如表5：

試驗結果如下(圖5)：

試驗結論：

(1)不同工況下，因傳動軸角度產生的附加彎矩造成的沖擊，小于主從齒嚙合的沖擊，比值平均約10.6%；

(2)轉速恒定時，隨著傳動軸角度增加，傳動軸角度產生的附加彎矩造成的沖擊，與齒輪嚙合的沖擊相比，其沖擊強度增大，角度為6°時，平均比值為15%，傳動軸角度大于6°后，不容忽視。

(3)傳動軸角度恒定時，隨著轉速的增加，傳動軸角度產生的附加彎矩造成的沖擊，與齒輪嚙合沖擊相比，其強度是減小的。

6 結束語

雖然受力數值有差異，但理論分析及臺架試驗結論基本一致，傳動軸的角度產生的附加彎矩，會對與之連接的零部件產生沖擊，當角度大于6°時，這個沖擊不容忽視。汽油發動機因為轉速較高，高轉速下，若傳動軸角度較大，加之傳動軸動不平衡，就容易產生傳動系統共振，產生嗡鳴異響，對后驅動橋主減總成的沖擊加劇。所以整車匹配時傳動軸總成當量夾角小于3°，空間夾角小于5°經證明是合適的。

另外上述3.5噸小卡后驅動橋主減總成軸向竄動，經分析是因主動齒輪鎖緊扭矩較小，不足于抵抗齒輪嚙合產生的軸向力及軸承預緊力，造成使用過程中軸承游隙變大，主錐內部零部件出現相對運動，進而在擋油盤處出現磨損。考慮到汽油發動機轉速高，將主動齒輪鎖緊扭矩加大，后經市場實車驗證，主減壽命提升了2-3倍，故障率大幅降低。

[1]王霄鋒. 汽車底盤設計(第2版). 北京：清華大學出版社，2018.

[2]劉惟信. 汽車車橋設計. 北京：清華大學出版社，2004.

[3][德] Schmelz F, von Graf HC, Seherr-Thoss, Aucktor E 著；伍德榮，肖生發，陶健民譯. 萬向節和傳動軸. 北京：北京理工大學出版社，1997.

[4]王望予. 汽車設計[M]. 4版. 北京：機械工業出版社，2006.