汽車等速驅(qū)動(dòng)軸與變速箱聯(lián)接的緊定研究

麥承賢

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007）

前驅(qū)汽車作為乘用車的主體，日益深入普及到人們的工作生活當(dāng)中，車輛的行駛安全和功能保證，是車輛設(shè)計(jì)時(shí)首要前提。前驅(qū)汽車的驅(qū)動(dòng)軸，是動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，有變向傳動(dòng)和內(nèi)部滑移伸縮功能，其將變速箱內(nèi)差速器的半軸齒輪所輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速接入，經(jīng)變向之后，傳到前輪轂，驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)而使汽車行駛。驅(qū)動(dòng)軸大都設(shè)計(jì)使用等速萬向節(jié)，所以也常叫做等速驅(qū)動(dòng)軸。等速驅(qū)動(dòng)軸和變速箱之間的聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是關(guān)系到汽車行駛中動(dòng)力傳遞是否穩(wěn)固，會(huì)否出現(xiàn)動(dòng)力斷脫造成車輛行駛事故的關(guān)鍵，需要做到設(shè)計(jì)保證。

1 等速驅(qū)動(dòng)軸與變速箱的聯(lián)接型式

等速驅(qū)動(dòng)軸與變速箱之間，需要傳遞扭矩和轉(zhuǎn)速，就要對(duì)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的軸——變速箱的半軸齒輪和驅(qū)動(dòng)軸的輸入軸——進(jìn)行聯(lián)接。在這里，兩個(gè)軸是同軸的，這個(gè)聯(lián)接可以設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)易化的聯(lián)軸器。這樣的聯(lián)接在變速箱的差速器部位左右兩側(cè)各有一個(gè)，分別驅(qū)動(dòng)車輛的左右驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)輪轂和車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1 所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)軸與變速箱及車輪的布置示意圖

相對(duì)于變速箱的半軸齒輪和車輪的輪轂這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸來說，驅(qū)動(dòng)軸本身就是一個(gè)有補(bǔ)償性能的撓性聯(lián)軸器。前驅(qū)汽車的等速驅(qū)動(dòng)軸與變速箱之間的簡(jiǎn)易化的軸聯(lián)接，通常采用的是凸緣聯(lián)接和花鍵軸聯(lián)接。

1.1 凸緣聯(lián)接

凸緣聯(lián)接型式如圖2 所示，變速箱的動(dòng)力輸出端和驅(qū)動(dòng)軸的動(dòng)力輸入端都設(shè)計(jì)成凸緣，即帶有定心止口的法蘭，使用螺栓和螺母緊固。這種聯(lián)接型式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆卸方便，穩(wěn)固可靠。

圖2 凸緣聯(lián)接型式示意圖

1.2 花鍵軸聯(lián)接

花鍵軸聯(lián)接型式如圖3 所示。驅(qū)動(dòng)軸的軸端直接插入變速箱內(nèi)，與差速器的半軸齒輪接合，驅(qū)動(dòng)軸的軸端加工成一段花鍵軸，半軸齒輪加工有花鍵孔，軸和齒輪采用花鍵來接合傳遞動(dòng)力。花鍵軸在與齒輪花鍵孔配合長(zhǎng)度之外的頭部，加工有一個(gè)環(huán)槽，放入環(huán)形彈簧做定位環(huán)，將花鍵軸即等速驅(qū)動(dòng)軸緊定在變速箱內(nèi)，使其不能隨意松脫。

圖3 花鍵軸聯(lián)接型式示意圖

這種聯(lián)接型式接近于在凸緣聯(lián)接型式基礎(chǔ)上，將變速箱輸出聯(lián)接凸緣及軸轉(zhuǎn)移成驅(qū)動(dòng)軸的部分，使原屬于變速箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的輸出凸緣軸與半軸齒輪的聯(lián)接，轉(zhuǎn)移成驅(qū)動(dòng)軸與變速箱的兩大傳動(dòng)系統(tǒng)部件之間的聯(lián)接。這種花鍵軸聯(lián)接型式，相比成本更低，結(jié)構(gòu)也更簡(jiǎn)單。

凸緣聯(lián)接型式的驅(qū)動(dòng)軸與變速箱聯(lián)接，使用螺栓和螺母緊固，穩(wěn)固可靠，不需多做分析。花鍵軸聯(lián)接型式的驅(qū)動(dòng)軸與變速箱聯(lián)接，只靠驅(qū)動(dòng)軸花鍵上的定位環(huán)來緊定，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)軸裝配、拆卸過程，還需要壓縮定位環(huán)使配合的花鍵軸和孔能夠接合、脫離，下文將對(duì)此聯(lián)接緊定做逐步地分析研究。

2 等速驅(qū)動(dòng)軸裝配和拔出受力分析

2.1 定位環(huán)的功能及裝配過程變化

定位環(huán)是一種環(huán)形彈簧，如圖4 所示。其自由狀態(tài)時(shí)直徑為D1，受到徑向的力F 后，產(chǎn)生彈性變形，直徑收縮為D2，此時(shí)其直徑尺寸小于半軸齒輪花鍵孔小徑，可以在花鍵孔內(nèi)滑動(dòng)。

圖4 定位環(huán)受力直徑收縮示意圖

如圖5 所示，在驅(qū)動(dòng)軸對(duì)變速箱的裝配過程，定位環(huán)在A 點(diǎn)位置碰觸到半軸齒輪，受到裝配壓入力作用而受壓收縮直到B 點(diǎn)位置，然后滑動(dòng)到C 點(diǎn)位置，再隨著內(nèi)孔直徑變大而張開直到D 點(diǎn)位置，恢復(fù)自由狀態(tài)。定位環(huán)亦是在D 點(diǎn)位置起卡緊作用，將驅(qū)動(dòng)軸緊定在變速箱內(nèi)。

圖5 驅(qū)動(dòng)軸裝配、拆卸過程定位環(huán)位置變化示意圖

反之，驅(qū)動(dòng)軸從變速箱的拆卸過程，是在拆卸拔出力作用下，反方向從D 點(diǎn)壓縮到C 點(diǎn)，然后滑動(dòng)到B 點(diǎn)，再張大恢復(fù)到A 點(diǎn)而脫出。

2.2 裝配受力分析

在驅(qū)動(dòng)軸裝配過程，定位環(huán)受到壓入力作用而壓縮，壓縮時(shí)的定位環(huán)受力狀態(tài)如圖6（a）所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)軸裝配、拆卸過程定位環(huán)受力示意圖

圖中，

P 為驅(qū)動(dòng)軸裝配的壓入力；

N1為半軸齒輪對(duì)定位環(huán)的正壓反力；

f1為半軸齒輪對(duì)定位環(huán)滑動(dòng)的摩擦阻力；

F1為定位環(huán)壓縮產(chǎn)生的反彈張力；

β 為半軸齒輪對(duì)驅(qū)動(dòng)軸壓入導(dǎo)向的角度。根據(jù)力學(xué)知識(shí)，有

式中，

μ1為定位環(huán)壓入時(shí)壓縮滑動(dòng)的摩擦系數(shù)；

k 為定位環(huán)徑向壓縮彈性系數(shù)即剛度；

x1為定位環(huán)壓入直徑尺寸變化壓縮量。

由式（1）到式（4），可得

從式（5）可知，壓入力P 與定位環(huán)的彈性系數(shù)k、壓縮量x1、壓入導(dǎo)向角β、壓入摩擦系數(shù)μ1有關(guān)。

2.3 拆卸受力分析

在驅(qū)動(dòng)軸拆卸過程，定位環(huán)受到拔出力作用而壓縮，壓縮時(shí)的定位環(huán)受力狀態(tài)如圖6（b）所示。

圖中，

Q 為驅(qū)動(dòng)軸拆卸的拔出力；

N2為半軸齒輪對(duì)定位環(huán)的正壓反力；

f2為半軸齒輪對(duì)定位環(huán)滑動(dòng)的摩擦阻力；

F2為定位環(huán)壓縮產(chǎn)生的反彈張力，

θ 為半軸齒輪對(duì)驅(qū)動(dòng)軸拔出導(dǎo)向的角度。同樣，根據(jù)力學(xué)知識(shí)，有

式中，

μ2為定位環(huán)拔出時(shí)壓縮滑動(dòng)的摩擦系數(shù)；

x2為定位環(huán)拔出直徑尺寸變化壓縮量。

由式（6）到式（9），可得

從式（10）可知，拔出力Q 與定位環(huán)的彈性系數(shù)k、壓縮量x2、壓入導(dǎo)向角θ、壓入摩擦系數(shù)μ2有關(guān)。

2.4 壓入力與拔出力的關(guān)系

由式（5）、式（10），可得

定位環(huán)不管是壓入過程還是拔出過程，都需要將其直徑壓縮到等于半軸齒輪花鍵孔的小徑之后，才能通過花鍵配合部位，也就是說壓入壓縮量和拔出壓縮量是相等的，即x1= x2，則式（11）簡(jiǎn)化為

設(shè)定kj為拔出力對(duì)壓入力的比率系數(shù)，那么即有

通常地，定位環(huán)在壓入變速箱時(shí)，都會(huì)粘裹一層潤(rùn)滑油，這樣壓入、拔出的滑動(dòng)摩擦系數(shù)基本上是相等的，設(shè)定定位環(huán)相對(duì)半軸齒輪的有潤(rùn)滑的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為μ，即μ1=μ2=μ，則有

從式（16）可以看出，驅(qū)動(dòng)軸拔出力對(duì)壓入力的比率系數(shù)kj半軸齒輪花鍵孔的結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)，具體地說，就是與拔出導(dǎo)角、壓入導(dǎo)角相關(guān)。從圖7 可以看出，摩擦系數(shù)μ 變化，對(duì)比率系數(shù)kj的值的大小變化影響微小。

圖7 比率系數(shù)相對(duì)摩擦系數(shù)變化曲線圖

3 合理設(shè)定驅(qū)動(dòng)軸的壓入力和拔出力

從前驅(qū)汽車的生產(chǎn)流程來看，驅(qū)動(dòng)軸的裝配是在發(fā)動(dòng)機(jī)的模塊分裝線完成的，而且這一過程很難采用機(jī)械手，都是使用人工來完成。這就要求壓入力的大小，能夠讓操作者比較輕松地完成每一次裝配動(dòng)作，符合人機(jī)工程。

同時(shí)，驅(qū)動(dòng)軸的拆卸拔出力，也要滿足車輛行駛安全要求。車輛行駛中，懸掛系統(tǒng)的作用，使車身始終相對(duì)車輪上下跳動(dòng)變化，加上車輛轉(zhuǎn)向時(shí)車輪的角度變化，都使驅(qū)動(dòng)軸的內(nèi)側(cè)即聯(lián)結(jié)變速箱端的等速萬向節(jié)一直在進(jìn)行著萬向節(jié)軸交角變化和中間軸滑移運(yùn)動(dòng)。中間軸滑移運(yùn)動(dòng)，會(huì)拉扯萬向節(jié)護(hù)罩變形，產(chǎn)生拉扯力，拉扯力拉動(dòng)聯(lián)接的花鍵軸產(chǎn)生向外脫出的趨勢(shì)，當(dāng)拉扯力等于拆卸拔出力時(shí)，聯(lián)接的花鍵軸就會(huì)脫出。

以目前比較受歡迎的一款小排量轎車的聯(lián)接參數(shù)進(jìn)行實(shí)際計(jì)算，僅用各零件尺寸中值，不討論其尺寸公差，壓入和拔出的滑動(dòng)摩擦系數(shù)取相等，最終的設(shè)定及計(jì)算結(jié)果為：

壓入力P=150 N；

拔出力Q=418 N。

拔出力對(duì)壓入力的比率系數(shù)kj=2.79。

4 臺(tái)架試驗(yàn)檢測(cè)

4.1 壓入力、拔出力檢測(cè)

如圖8 所示，將驅(qū)動(dòng)軸與變速箱只取聯(lián)接部位，驅(qū)動(dòng)軸的花鍵軸端頭和變速箱的差速器，放置在測(cè)量臺(tái)，固定差速器，電子顯示測(cè)力器放在油缸推桿和壓頭中間連成一體，油缸運(yùn)動(dòng)壓、拉驅(qū)動(dòng)軸的花鍵軸端頭，形成裝配壓入和拆卸拔出的過程，測(cè)力器測(cè)量顯示的數(shù)據(jù)即是壓入力和拔出力的數(shù)值。

圖8 壓入力、拔出力測(cè)量圖

對(duì)5 次測(cè)量得到的數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 驅(qū)動(dòng)軸壓入力和拔出力的測(cè)量數(shù)值

數(shù)據(jù)顯示與理論分析計(jì)算的數(shù)據(jù)基本保持一致。

4.2 拉扯力檢測(cè)

測(cè)量驅(qū)動(dòng)軸自身中間軸滑動(dòng)和擺動(dòng)時(shí)拉動(dòng)橡膠護(hù)罩變形產(chǎn)生的拉扯力，如圖9 所示。

圖9 罩變形拉扯力

將驅(qū)動(dòng)軸的中間軸緊固，油缸連上花鍵軸端頭進(jìn)行拉拔，測(cè)試橡膠變形過程中的油缸拉力峰值，即是橡膠變形拉扯力。對(duì)5 次測(cè)量得到的數(shù)據(jù)如表2 所列。

表2 驅(qū)動(dòng)軸橡膠護(hù)罩變形拉扯力的測(cè)量數(shù)值

數(shù)據(jù)顯示，拉扯力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于驅(qū)動(dòng)軸拔出力，不會(huì)對(duì)車輛產(chǎn)生安全威脅。

5 結(jié)束語

花鍵軸式聯(lián)接是前驅(qū)汽車等速驅(qū)動(dòng)軸與變速箱之間聯(lián)接的普遍選擇，在確定了聯(lián)接的花鍵尺寸大小后，對(duì)聯(lián)接進(jìn)行卡緊定位的定位環(huán)設(shè)計(jì)，這設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是相當(dāng)重要的。

（1）驅(qū)動(dòng)軸裝配壓入力的大小，與定位環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，同時(shí)還與壓入導(dǎo)向角、摩擦系數(shù)有關(guān)。

（2）驅(qū)動(dòng)軸拆卸拔出力的大小，與定位環(huán)的設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)，同時(shí)還與拔出導(dǎo)向角、摩擦系數(shù)有關(guān)。

（3）拔出力對(duì)壓入力的比率系數(shù)，是穩(wěn)定的常數(shù)，由聯(lián)接零件半軸齒輪上壓入導(dǎo)向角、拔出導(dǎo)向角確定。

[1]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]劉延柱，楊海興，朱本華.理論力學(xué)（第2 版）[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]陳家瑞. 汽車構(gòu)造（第2 版）[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.