載貨汽車傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

概述

前置發(fā)動(dòng)機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)的汽車在行駛中，由于懸架的不斷變形，變速器與驅(qū)動(dòng)橋的相對(duì)位置（高度和距離）也在不斷的變化，所以變速器的輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋的輸入軸非剛性聯(lián)接，即采用伸縮的萬(wàn)向傳動(dòng)軸來(lái)聯(lián)接。當(dāng)聯(lián)接的距離較近時(shí)，常采用兩個(gè)十字軸萬(wàn)向節(jié)和一根可伸縮的傳動(dòng)軸；傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度超過(guò)1.5m時(shí)，則應(yīng)將傳動(dòng)軸分成兩節(jié)或三節(jié)，用三個(gè)或四個(gè)萬(wàn)向節(jié)，且后面一根為可伸縮傳動(dòng)軸，中間傳動(dòng)軸應(yīng)有支承。

汽車傳動(dòng)軸的主要結(jié)構(gòu)

汽車傳動(dòng)軸一般由萬(wàn)向節(jié)、軸管及其伸縮花鍵等組成。對(duì)于長(zhǎng)距軸汽車的分段傳動(dòng)軸，還需要中間支承（圖1）。

·傳動(dòng)軸管

由低碳鋼板卷制壁厚均、壁薄（1.5～3.0mm）、管徑較大、易質(zhì)量平衡、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度高、彎曲剛度大、適用高速旋轉(zhuǎn)的電焊鋼管制成。大型貨車的傳動(dòng)軸則直接采用無(wú)縫鋼管。

·伸縮花鍵

花鍵有矩形或漸開(kāi)線齒形，用于補(bǔ)償由于汽車行駛時(shí)傳動(dòng)軸兩萬(wàn)向節(jié)之間的長(zhǎng)度變化。為減小阻力及磨損，對(duì)花鍵齒磷化處理或噴涂尼龍。對(duì)于這兩種結(jié)構(gòu)的伸縮部位都應(yīng)有潤(rùn)滑和防塵措施，間隙不宜過(guò)大，以免引起傳動(dòng)軸的振動(dòng)。裝車時(shí)傳動(dòng)軸的伸縮花鍵一端應(yīng)靠近變速器或中間支承而不應(yīng)靠近驅(qū)動(dòng)橋。

·中間支承

用于長(zhǎng)軸距汽車的分段傳動(dòng)軸，以提高傳動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)速、避免共振及減小噪聲。它安裝在車架橫梁或車身底架上，其能補(bǔ)償傳動(dòng)軸的安裝誤差及適應(yīng)行駛中由于彈性懸置的發(fā)動(dòng)機(jī)的竄動(dòng)和車架變形引起的位移，而其支承內(nèi)的軸承應(yīng)不受或少受由此產(chǎn)生的附加載荷。以前中間支承內(nèi)采用橡膠彈性元件上的單列球軸承。橡膠彈性元件能吸收傳動(dòng)軸的振動(dòng)、降低噪聲及承支的徑向力，但不能承受軸向力，因此應(yīng)合理選擇支承剛度，避免在傳動(dòng)軸常用轉(zhuǎn)速內(nèi)產(chǎn)生共振。

·萬(wàn)向節(jié)

萬(wàn)向節(jié)按其在扭轉(zhuǎn)方向上是否具有明顯彈性，分為剛性萬(wàn)向節(jié)和撓性萬(wàn)向節(jié)。載貨汽車多采用普通剛性十字軸式萬(wàn)向節(jié)，結(jié)構(gòu)形式（圖2），其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高。十字軸式萬(wàn)向節(jié)主要由主要主動(dòng)叉、從動(dòng)叉、十字軸、滾針軸承及其軸向定位件和橡膠密封件等組成，為提高使用壽命，十字軸內(nèi)帶有潤(rùn)滑系統(tǒng)。

傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)

·軸管外徑D

在傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)中，主要是選擇傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度和斷面尺寸。根據(jù)所傳最大轉(zhuǎn)矩、最高轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)軸長(zhǎng)度及專業(yè)生產(chǎn)廠內(nèi)的系列產(chǎn)品來(lái)初步選定軸管外徑及壁厚（或內(nèi)徑）并校核臨界轉(zhuǎn)速及扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。

傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速

兩端自由支承、壁厚均勻的等截面?zhèn)鲃?dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速為： nc=1.2€?08∕L2

式中nc—臨界轉(zhuǎn)速，[nc]為r/min，L—傳動(dòng)軸長(zhǎng)度，即兩萬(wàn)向節(jié)中心之間的距離，[L]為mm，D、d—傳動(dòng)軸軸管的外徑和內(nèi)徑，它們的單位為mm。

由于空心傳動(dòng)軸的臨界速要比實(shí)心軸的高，并且節(jié)省材料，所以在汽車傳動(dòng)軸中多采用空心軸。

臨界轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)速之比為安全系數(shù)：K= nc / nmax，其中nc為最高車速時(shí)的傳動(dòng)軸的最高轉(zhuǎn)速，載貨汽車由于動(dòng)平衡、伸縮花鍵的精度及載貨的特殊工況，選K＝3.0。

軸管的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力=()∕[]≤[€%m]，式中[€%m]—許用應(yīng)力，取[€%m]＝300 N/mm2 ，Tj—傳動(dòng)軸計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N·mm。

·傳動(dòng)軸的伸縮花鍵

（1）花鍵的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：€%mh=()∕（），式中€%mh—花鍵軸內(nèi)徑的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，N/mm2，dh—花鍵內(nèi)徑，mm。確定€%mh的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力安全系數(shù)為2～3。

（2）傳動(dòng)軸伸縮花鍵齒側(cè)的擠壓應(yīng)力：€%lj=Tj∕{[（Dh+dh）∕4]€譡（Dh+dh）∕2] €譒€譠}≤[€%lj]，式中Z—花鍵齒數(shù)，L—鍵齒有效長(zhǎng)度 mm，Dh—花鍵外徑mm。[€%lj]—許用擠壓應(yīng)力，當(dāng)花鍵齒面硬度大于HRC35時(shí)，伸縮花鍵[€%lj]＝25～50 N/mm2。

花鍵軸材料多為40Cr，花鍵套材料為：40、45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)。

傳動(dòng)軸總成的動(dòng)平衡

為了減少傳動(dòng)軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)，應(yīng)該提高傳動(dòng)軸的平衡度。傳動(dòng)軸的動(dòng)平衡需要在專用的試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)量，對(duì)傳動(dòng)軸不平衡的需在適當(dāng)位置點(diǎn)焊平衡片，以保證其平衡。對(duì)于載貨汽車，要求當(dāng)轉(zhuǎn)速在1000～4000r/min時(shí)，不平衡度不應(yīng)超過(guò)10 N·mm。

萬(wàn)向節(jié)十字軸設(shè)計(jì)校核

萬(wàn)向節(jié)十字軸的設(shè)計(jì)校核，可以根據(jù)專業(yè)廠所提供的額定扭矩值，并與傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)算扭矩進(jìn)行比較。若所選十字軸額定扭矩值大于傳動(dòng)軸計(jì)算扭矩值，故可以選用。十字軸由20Cr或20CrMnTi及12CrNiA等低碳合金鋼制造，經(jīng)滲碳淬火，表面硬度為HRC58～65。

本文主要以理論為基礎(chǔ)介紹了載貨汽車傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)，明確傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)思路。現(xiàn)在對(duì)于傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)，我們可以參考專業(yè)生產(chǎn)廠所提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，選取對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品，并做對(duì)應(yīng)的校核即可。傳動(dòng)軸的各個(gè)部件都已經(jīng)形成列系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，這大大也減少了設(shè)計(jì)人員的重復(fù)勞動(dòng)。

（作者單位：沈陽(yáng)金杯車輛制造有限公司）