電動(dòng)轎車等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)與驗(yàn)證探究

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)汽車生產(chǎn)量逐漸增加，人均汽車數(shù)量也隨之提高。因此，研究如何保障汽車安全運(yùn)行十分必要。基于此，從設(shè)計(jì)端入手，分析電動(dòng)轎車等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)方案并提出對(duì)應(yīng)的驗(yàn)證方法，以期為電動(dòng)轎車同行的相關(guān)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)轎車;等速萬(wàn)向節(jié);驅(qū)動(dòng)軸;設(shè)計(jì);驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：U463收稿日期：2022-07-05

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.08.020

1 前言

針對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸所展開的研究較多，足以證明在電動(dòng)轎車行業(yè)想要占據(jù)主導(dǎo)地位應(yīng)更新相應(yīng)零部件技術(shù)，給出更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。由于等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)中受到多種因素的影響，需要對(duì)整車的布置和車型進(jìn)行深入研究。電動(dòng)轎車在運(yùn)行的過(guò)程中常出現(xiàn)異響的情況，這將嚴(yán)重影響其安全性能，因而在設(shè)計(jì)前要對(duì)等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸總成的結(jié)構(gòu)特性和發(fā)生異響的原因加以分析，以此完善設(shè)計(jì)工作，并通過(guò)驗(yàn)證證明設(shè)計(jì)的合理性。

2 電動(dòng)轎車等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)特性

2.1 等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸總成

目前所生產(chǎn)的電動(dòng)轎車基本上利用相似的驅(qū)動(dòng)軸總成結(jié)構(gòu)，設(shè)置獨(dú)立懸架，保證驅(qū)動(dòng)裝置能夠在左右都帶有等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)轎車運(yùn)轉(zhuǎn)。常見的結(jié)構(gòu)形式是以伸縮型等速萬(wàn)向節(jié)、驅(qū)動(dòng)軸、固定式等速萬(wàn)向節(jié)聯(lián)用的方式，分別作用于不同的位置。在車輪附近設(shè)置固定型等速萬(wàn)向節(jié)，連接與前輪轂漸開線內(nèi)花鍵與外花鍵，在變速箱上設(shè)置伸縮型等速萬(wàn)向節(jié)，使得差速器半軸齒輪內(nèi)花鍵與漸開線外花鍵相連。按照以上所闡述的總成結(jié)構(gòu)（見圖1，其中1～11分別表示球籠式等速萬(wàn)向節(jié)、鋼絲擋圈、固定端大卡箍、固定端密封罩、固定端小卡箍、驅(qū)動(dòng)軸、伸縮端小卡箍、伸縮端密封罩、伸縮端大卡箍、擋圈（GB/T 894.1）、雙偏置式等速萬(wàn)向節(jié)）設(shè)計(jì)電動(dòng)轎車驅(qū)動(dòng)軸，能夠提升轉(zhuǎn)矩和變速箱運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)程度，將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)傳遞到輪轂驅(qū)動(dòng)處，進(jìn)而達(dá)到轉(zhuǎn)向、行駛的目的（2）。

2.2 異響現(xiàn)象及原因

結(jié)合實(shí)踐分析資料可以得出，電動(dòng)轎車在運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)異響的情況，尤其是當(dāng)車速高于80km/h時(shí)，異響更為明顯。此種情況所帶來(lái)的衍生問(wèn)題是驅(qū)動(dòng)軸抖動(dòng)更頻繁，能夠感受到整車抖動(dòng)愈加強(qiáng)烈。除此以外，轎車行駛在較為不平整的路面時(shí)，會(huì)感受到轉(zhuǎn)向時(shí)零件間相互撞擊，此種形式的撞擊主要存在于伸縮型和固定型等速萬(wàn)向節(jié)內(nèi)部。在以上兩種情況下所產(chǎn)生的撞擊聲響被稱之為異響。異響會(huì)造成零件磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，星形套和兩端保持架無(wú)法維持原本的穩(wěn)定狀態(tài)，從而被損壞，失去應(yīng)有效能，難以延長(zhǎng)電動(dòng)轎車的使用壽命，降低可靠性[3]。

出現(xiàn)異響的原因可從零件間隙大、磨損加重兩個(gè)方面考慮，其中造成以上兩個(gè)方面不良情況的因素有零件疲勞損壞、沖擊載荷過(guò)大、溫濕度變化、等速萬(wàn)向節(jié)隨機(jī)變化、交變載荷作用于電動(dòng)轎車上。因此在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，要注意避免等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)中零件間距過(guò)大，進(jìn)行無(wú)干涉設(shè)計(jì)。除此以外，還需要對(duì)主要零件采取熱處理的辦法，提高硬度和耐磨損性。例如，選用高碳鋼作為兩端外殼的主要材料，經(jīng)過(guò)正火和回火處理，將表面硬度提高至61HRC;使用中碳合金鋼作為驅(qū)動(dòng)軸的材料，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)和回火操作，將表面硬度提高至50～58 HRC。經(jīng)過(guò)熱處理后，零件的強(qiáng)度和可靠性得到提高，為徹底解決驅(qū)動(dòng)軸異響的問(wèn)題還應(yīng)當(dāng)做好兩離等速萬(wàn)向節(jié)內(nèi)部的潤(rùn)滑和密封工作，降低磨損。

3 電動(dòng)轎車等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)

如圖2所示，電動(dòng)轎車的前轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)中包括輪轂軸承1、外半軸2、轉(zhuǎn)向節(jié)軸3、萬(wàn)向節(jié)4、半袖管套5、內(nèi)半軸6、差速器7和主減速器8等重要構(gòu)造，轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)功能正常使用的原理是：差速器和減速器接收到驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳遞的動(dòng)能，將此動(dòng)力均分給兩側(cè)半軸，而后前輪轂和萬(wàn)向節(jié)發(fā)揮作用，使得前輪被帶動(dòng)[4]。

3.1 選擇結(jié)構(gòu)類型

電動(dòng)轎車在行駛的過(guò)程中能夠保持穩(wěn)定的狀態(tài)，使得進(jìn)入顛簸區(qū)段兩前輪平穩(wěn)著地的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是等速萬(wàn)向節(jié)，其具備可軸向伸縮的特點(diǎn)，能夠吸收車輪所受到的沖擊，進(jìn)而消除因沖擊能量導(dǎo)致車輪著地受限的問(wèn)題，達(dá)到平穩(wěn)著陸的效果。目前常見的可軸向伸縮的前橋內(nèi)側(cè)萬(wàn)向節(jié)包括雙偏置式、三銷球式、交叉滾道式和ARR型，前三種萬(wàn)向節(jié)其伸縮量的一般為30～50mm，轉(zhuǎn)角的極限值是22°，最后一種萬(wàn)向節(jié)的伸縮量一般為30～50mm，轉(zhuǎn)角的極限值是26°。等速萬(wàn)向節(jié)的選擇要基于對(duì)前橋工作狀態(tài)的分析，其在轉(zhuǎn)向的過(guò)程中會(huì)以轉(zhuǎn)向節(jié)為中心，繞其旋轉(zhuǎn)，承擔(dān)轉(zhuǎn)向的任務(wù)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，差速器和前橋半軸間的角速相等，二者間可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。選定的等速萬(wàn)向節(jié)的轉(zhuǎn)角極限值是45°、50°、52°，等速方向節(jié)類型是球籠式51。

3.2 計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速

共振現(xiàn)象是驅(qū)動(dòng)軸工作時(shí)較為常見的現(xiàn)象之一，其出現(xiàn)的原理是：驅(qū)動(dòng)軸本身具備的彎曲自然振動(dòng)頻率特性可在與其轉(zhuǎn)速臨近時(shí)產(chǎn)生共振，此時(shí)撓度劇增，驅(qū)動(dòng)軸的完整性難以保持，容易造成斷裂。將此種狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速稱之為臨界狀態(tài)，即臨界轉(zhuǎn)速。設(shè)計(jì)電動(dòng)轎車等速萬(wàn)向節(jié)的環(huán)節(jié)中要將此要素考慮在內(nèi)，要求應(yīng)當(dāng)不超過(guò)臨界轉(zhuǎn)速，以來(lái)維持穩(wěn)定行駛。在階段臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，使用以下公式：

此公式簡(jiǎn)化了等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸總成，將其變?yōu)楹?jiǎn)支梁，作用于自由支承的等斷面上。其中為臨界轉(zhuǎn)速，安全系數(shù)可使用公式：K=n Jn ..m.x≥ [K]=1.5，其中nce max為最高時(shí)速狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，[K]為許用安全系數(shù)，安全系數(shù)取值范圍是[ 1.2，2.0]，在本文中取1.5。

式中， i。為減速器的速比; n.ma、為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定最大轉(zhuǎn)速， r/min。

3.3 確定強(qiáng)度

在強(qiáng)度確定的計(jì)算環(huán)節(jié)，要充分考慮到扭轉(zhuǎn)力矩對(duì)于等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸總成作用的影響，將轉(zhuǎn)矩的計(jì)算作為強(qiáng)度確定的重點(diǎn)。具體在計(jì)算中可從兩個(gè)方面開展：a.按照驅(qū)動(dòng)器減速器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大扭矩間的比值確定;b.按照驅(qū)動(dòng)輪打滑作用確定，所應(yīng)用的公式是：

式中，式中為驅(qū)動(dòng)電機(jī)到驅(qū)動(dòng)軸之間的傳動(dòng)效率（= 0.95）;ic為驅(qū)動(dòng)電機(jī)到驅(qū)動(dòng)軸的最大傳動(dòng)比; Tax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩;K。為動(dòng)載系數(shù)（K。= 0.95）。

在驅(qū)動(dòng)輪打滑的情況下，載荷的計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

式中，r，為代表車輪滾動(dòng)半徑;u為當(dāng)處于最大加速度時(shí)的前軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù);g為重力加速度;G。為滿載前橋載荷。

在強(qiáng)度確定中，要比較、的大小，在對(duì)比后選擇較小值，將其設(shè)定為最大承受載荷，記作基于計(jì)算驅(qū)動(dòng)軸總成最小扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度，，為其中的屈服安全系數(shù)（f，取1.7）。

而后計(jì)算載荷，公式為：

式中，載荷的單位是;靜扭安全系數(shù)f。取2.5。經(jīng)過(guò)計(jì)算，載荷值應(yīng)當(dāng)小于最小靜扭強(qiáng)度，即

3.4 確定中間軸桿最小公稱直徑

確定中間軸桿最小公稱直徑的計(jì)算要在強(qiáng)度確定的基礎(chǔ)上展開，依據(jù)現(xiàn)階段使用JB/T 10189—2010《電動(dòng)轎車用等速驅(qū)動(dòng)軸及其總成》的標(biāo)準(zhǔn)，能夠得出最終結(jié)論。

3.5 校核軸桿扭轉(zhuǎn)剛度

電動(dòng)轎車行駛時(shí)會(huì)出現(xiàn)車輛跑偏的情況，可操縱性受到抑制，造成以上問(wèn)題的原因是驅(qū)動(dòng)軸軸桿會(huì)扭轉(zhuǎn)，當(dāng)扭矩旋轉(zhuǎn)作用于軸桿時(shí)，切應(yīng)力導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生。尤其是電動(dòng)轎車，其區(qū)別于其他汽車輸出扭矩的上升幅度，一旦處于滿載起步加速的狀態(tài)，將會(huì)導(dǎo)致扭矩急速上升，呈現(xiàn)出垂直上升的特點(diǎn)，這將會(huì)直接促使扭矩上升至額定值，向其他驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)所傳遞扭矩也達(dá)到極限，從而出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形的avH2/y6QVXBKi+2YjlkXwA==不良現(xiàn)象，無(wú)法保持平衡。為解決這一問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)從驅(qū)動(dòng)軸長(zhǎng)度入手，設(shè)計(jì)不同長(zhǎng)度的驅(qū)動(dòng)軸，利用不等直徑促使扭轉(zhuǎn)角等同，保證左右驅(qū)動(dòng)車輪的穩(wěn)定性，提高可操縱水平[8]。

在計(jì)算圓軸扭轉(zhuǎn)角后，可得出軸的扭轉(zhuǎn)變形，按照公式：

式中為圓軸扭轉(zhuǎn)角，為橫截面的極慣性矩，為軸的材料的剪切彈性模量， 為扭矩，N·Tdmm。在圓軸狀態(tài)下，

結(jié)合上述公式可以看出，將扭轉(zhuǎn)角的數(shù)值保持在相等的狀態(tài)要依賴于左右驅(qū)動(dòng)軸的不等長(zhǎng)特性，計(jì)算出軸徑間的關(guān)系，并計(jì)算出最小軸徑，從而得到左右兩根驅(qū)動(dòng)軸軸徑的具體值。

4 電動(dòng)轎車等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)驗(yàn)證

結(jié)合大量資料和設(shè)計(jì)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，燃油車與電動(dòng)轎車在扭矩響應(yīng)上存在著較大的差異，電動(dòng)轎車的響應(yīng)速度較快，需要進(jìn)一步研究如何解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)可行的驗(yàn)證辦法，保證設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度和質(zhì)量。下文將從等速不等徑和長(zhǎng)度兩個(gè)方面給出驗(yàn)證萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)的辦法。

4.1 等速不等徑

上文提到，在滿載狀態(tài)下，電動(dòng)轎車扭矩響應(yīng)速度加快，剛處于起步階段驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩的上升速度即可瀕臨臨界值，為此要展開驗(yàn)證，運(yùn)用多種辦法，給出試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)論。

驗(yàn)證中設(shè)計(jì)兩套與原車相同等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)，確保長(zhǎng)度、萬(wàn)向節(jié)形式相同，將中間軸桿的直徑作為自變量，在所設(shè)計(jì)的驗(yàn)證結(jié)構(gòu)中設(shè)置不同的直徑。兩個(gè)試驗(yàn)品直徑的確定要依據(jù)最小扭矩，根據(jù)最小公稱直徑的確定公式，計(jì)算出軸桿的直徑，將其作為其中一個(gè)被驗(yàn)結(jié)構(gòu)，另一個(gè)按照上文計(jì)算σ的公式得來(lái)。確定以上兩套驅(qū)動(dòng)軸在制作環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)后，分別將其安裝在其他結(jié)構(gòu)基本無(wú)差別的電動(dòng)汽車上，保證駕駛的安全性。通過(guò)使車輛滿載起步逐漸加速的辦法，松開方向盤，記錄在此過(guò)程中兩輛試驗(yàn)車的行駛狀態(tài)，從而確定是否跑偏。針對(duì)所得出的結(jié)果，分析驅(qū)動(dòng)軸的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而結(jié)合車輛的基本行駛特征，使用上文計(jì)算σ的公式推出軸桿直徑，最終選定最為合理軸桿的直徑。

4.2 長(zhǎng)度試驗(yàn)驗(yàn)證

考慮長(zhǎng)度試驗(yàn)驗(yàn)證方案要從電動(dòng)轎車的總成出發(fā)，高壓接線盒、蓄電池、DCDC、PCU、減速器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)是重要組成部分，布置動(dòng)力總成變化較大，半軸花鍵和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的中心不能維持在同一直線上，主銷作為轉(zhuǎn)動(dòng)中心，車輪在此結(jié)構(gòu)的作用下會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)對(duì)電動(dòng)轎車動(dòng)力總成的分析結(jié)果來(lái)看，動(dòng)力的精準(zhǔn)傳遞應(yīng)當(dāng)在設(shè)置可伸縮萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，將其置于差速器和車輪間。設(shè)計(jì)可伸縮萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸要重點(diǎn)計(jì)算伸縮量，其作為核心技術(shù)參數(shù)，當(dāng)數(shù)值變化時(shí)將影響車輪上下運(yùn)動(dòng)的幅度。因而，要計(jì)算出極限值，保證在低于極限值的狀態(tài)下運(yùn)行，確保球殼與萬(wàn)向節(jié)間緊密銜接。

試驗(yàn)極限狀態(tài)的辦法是：當(dāng)處于下極限狀態(tài)，球殼最外端可見萬(wàn)向節(jié)，而后驗(yàn)證長(zhǎng)度，確定驅(qū)動(dòng)軸是否滿足要求。當(dāng)處于上極限狀態(tài)時(shí)，球殼最里端可見萬(wàn)向節(jié)，而后驗(yàn)證長(zhǎng)度，確定驅(qū)動(dòng)軸是否滿足要求。此試驗(yàn)要想得到精準(zhǔn)科學(xué)的數(shù)值，至少要開展500次試驗(yàn)，并且需要在試驗(yàn)結(jié)束后，將防塵罩拆除，測(cè)量球殼底部與最里端磨痕間的長(zhǎng)度，以此完善驅(qū)動(dòng)軸長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)工作。

5 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)電動(dòng)汽車等速萬(wàn)向節(jié)驅(qū)動(dòng)軸展開設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要就其基本結(jié)構(gòu)間的運(yùn)轉(zhuǎn)聯(lián)系機(jī)制加以分析，根據(jù)轎車維持安全穩(wěn)定行駛的原理，計(jì)算出相應(yīng)的數(shù)值，進(jìn)而運(yùn)用實(shí)驗(yàn)辦法，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行完善，如此才能確保電動(dòng)轎車具備較長(zhǎng)的使用壽命。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，電動(dòng)轎車的生產(chǎn)商要重視設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，逐步提升技術(shù)水平，引入先進(jìn)技術(shù)，從而在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟。

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作者簡(jiǎn)介：

陸建春，男，1966年生，工程師，研究方向?yàn)槠囉玫人衮?qū)動(dòng)軸。