重型汽車的傳動軸設(shè)計探討

程秀華，李煥

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

重型汽車的傳動軸設(shè)計探討

程秀華，李煥

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

在汽車上，萬向傳動裝置由萬向節(jié)、傳動軸和支承裝置組成。它用于不同軸心的兩軸間或工作過程中相對位置不斷改變的兩根軸之間的動力傳遞。本文主要對重型汽車的傳動軸從長度確定、設(shè)計計算等幾個方面進行了探討。

傳動軸；傳動軸長度；傳動軸當量夾角

CLC NO.：U463.216Document Code:AArticle ID:1671-7988(2014)07-36-03

前言

在汽車上，萬向傳動裝置由萬向節(jié)、傳動軸和支承裝置組成。它用于不同軸心的兩軸間或工作過程中相對位置不斷改變的兩根軸之間的動力傳遞。前置發(fā)動機后輪驅(qū)動的汽車在行駛過程中，由于懸架的不斷變化，因此它們之間需要用可伸縮的萬向傳動軸聯(lián)接。這時當聯(lián)接的距離較近時，常采用兩個萬向節(jié)和一根可伸縮的傳動軸；當距離較遠時，常將傳動軸分成兩根或三根，用三個或四個萬向節(jié)，且后面一根傳動軸可伸縮，中間傳動軸應有支承。萬向節(jié)所聯(lián)的兩軸之間的夾角，對一般載貨汽車不應超過15°～20°，對于4×4越野汽車(特別是短軸距越野車)和6×4 驅(qū)動的中、后橋之間的傳動軸，最大夾角達30°～35°。設(shè)計時應使汽車滿載靜止時十字軸萬向節(jié)的工作角度不大于3°～5°，特殊場合不超過8°。在一些越野汽車上，由于整車布置困難，前橋傳動軸夾角也不宜超過12°。

表1 十字軸萬向節(jié)夾角α的允許范圍

汽車萬向傳動裝置應滿足如下基本要求：

（1）聯(lián)接的兩軸相對位置在預計范圍內(nèi)變動時能可靠地傳遞扭矩；

（2）所聯(lián)接的兩軸盡可能等速旋轉(zhuǎn)，由于兩軸之間存在的夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動和噪聲降到許可范圍內(nèi)；

（3）傳動效率高，壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造維修方便。

1、傳動軸的結(jié)構(gòu)形式

傳動軸由十字軸滾針軸承總成、軸管、萬向節(jié)叉及滑動花鍵等部件組成(見圖1)。對于長軸距汽車的分段傳動軸，還需要有中間支承(見圖2)。

2、傳動軸的設(shè)計

2.1 傳動軸扭矩的選用

根據(jù)以下公式來選用不同屈服扭矩的傳動軸：

式中：T——傳動軸計算扭矩，N·m；

Temax——發(fā)動機的最大扭矩，N·m；

ig1、ig2——變速器的一檔傳動比和分動器的

低檔傳動比；

Kd——動載系數(shù)，取1.5；

MS——傳動軸屈服扭矩，N·m。

2.2 傳動軸長度的確定

2.2.1 多根傳動軸傳動時各傳動軸長度的確定

對于多根傳動軸傳動，設(shè)計原則是與驅(qū)動橋或分動器相聯(lián)的傳動軸為長度可變化的伸縮傳動軸(帶兩個萬向節(jié))，其余傳動軸為中間傳動軸(帶中間支承，帶一個萬向節(jié)，且長度不可變)。對于中間傳動軸與變速器輸出軸或中間傳動軸之間的夾角，不能大于3°；對于伸縮傳動軸兩端的夾角，滿載時不能大于5°，特殊情況下不能大于8°。設(shè)計時在傳動軸最高轉(zhuǎn)速＜0.7 倍傳動軸臨界轉(zhuǎn)速的前提下，盡可能選用較長的伸縮傳動軸，以減小伸縮傳動軸兩端的夾角。

L1-飛輪殼后端面到A 點距離；L2-變速器離合器殼安裝面到輸出法蘭面距離；

L3、L6、L8-傳動軸十字軸中心到傳動軸法蘭面距離；

L10-汽車滿載時車橋中心線到車架縱梁上翼面距離。α 1-第1 傳動軸與變速器輸出軸夾角；

α2-第2 傳動軸與第1傳動軸夾角；

通過圖3所示，根據(jù)車架上橫梁的位置，在盡可能選用較長伸縮傳動軸的設(shè)計原則下，選擇合適的橫梁來安裝支承角板，支承角板的下部與中間傳動軸的中間支承相聯(lián)。為了避免傳動軸及支承角板品種過多，安裝支承角板的橫梁在車架上的安裝位置盡可能統(tǒng)一，安裝支承角板的橫梁種類也要盡可能少。確定支承角板的前后安裝位置后，通過調(diào)節(jié)支承角板的高度來調(diào)整角度α1、α2、α3，在滿足α1≤3°、α2≤5°、α3≤5°(特殊情況下α2、α3≤8°)及與其它零部件的間隙不小于20mm 的前提下，使α1、α2、α3的值盡可能小。待傳動軸夾角符合設(shè)計要求后，支承角板高度以及傳動軸長度也就確定下來了。其中第1傳動軸的長度(單位mm)為L3+L4，第2傳動軸的最短長度(單位mm，伸縮量為110mm)為L6+L7+L8-(30～50)，減去30～50mm 的原因是為了保證驅(qū)動橋前后擺動時傳動軸不致頂死以及便于裝配。

2.2.2單根傳動軸傳動時傳動軸長度的確定

當變速器輸出軸法蘭面到驅(qū)動軸輸入軸法蘭面的距離L≤2170mm，就可以用一根傳動軸傳動，此時傳動軸的最小長度(單位mm)為L-(30～50)；對于中后驅(qū)動橋之間的傳動軸，其最小長度(單位mm)為L' -(25～40)，其中L為中間驅(qū)動橋輸出軸法蘭面到后驅(qū)動橋輸入軸法蘭面的距離。

2.2.3伸縮傳動軸長度校核

汽車驅(qū)動橋在行駛過程中會發(fā)生上下跳動及前后移動，因此連接驅(qū)動橋的傳動軸長度必須是可變的(也就是具有一定的伸縮量)。下面用一個4×2 牽引車傳動軸跳動圖來說明

伸縮傳動軸長度的校核過程。由于驅(qū)動橋前后移動量很小(一般10mm 以內(nèi))，因此在校核傳動軸長度時驅(qū)動橋的前后移動可以忽略，就考慮驅(qū)動橋上下跳動時傳動軸長度的變化。如圖4所示，BC為汽車滿載時傳動軸位置，BC＇為驅(qū)動橋向下跳動到最大極限位置時傳動軸位置。為了簡化計算，將BC作為傳動軸的最短長度，BC＇作為傳動軸的最長長度，則BC＇-BC為傳動軸所需的伸縮量，該值一般為20～40mm。傳動軸的設(shè)計最短長度為BC＇-(30～50)，取最短值，即傳動軸設(shè)計最短長度為BC＇-50；重型卡車伸縮傳動軸的伸縮量絕大部分為110mm(在保證可靠傳遞設(shè)計扭矩的前提下，伸縮量越大越好，以適應不同長度的變速器，但過大的伸縮量會增加成本及縮短傳動軸壽命)，則該車型的傳動軸設(shè)計長度變化范圍為BC＇-50～BC＇+60，傳動軸實際長度變化范圍為BC＇～BC＇ +40，實際長度變化在設(shè)計長度變化范圍之內(nèi)，傳動軸設(shè)計長度符合該車型的要求。其它車型伸縮傳動軸長度校核也是按上述方法進行，即通過作圖法進行校核。

2.2.4 傳動軸當量夾角的計算

傳動軸當量夾角計算公式如下：

其中θ —當量夾角；

線辣椒可受菟絲子寄生危害。枝條被寄生物纏繞而生縊痕，生育不良，由于菟絲子生長迅速而繁茂，極易把整個辣椒田覆蓋，嚴重時辣椒植株嫩稍和全株枯死。

θi—第i 個萬向節(jié)兩軸線夾角(i=1,2,3…n),i 為奇數(shù)時夾角符號為“+”，偶數(shù)時夾角符號為“-”。

以圖3來舉例說明傳動軸當量夾角的計算。

圖3所示車型滿載時的傳動軸當量夾角為

要確保傳動軸當量夾角θ ≤3°，才能避免傳動軸系統(tǒng)的震動。

3、傳動軸的設(shè)計計算

3.1 傳動軸總成的臨界轉(zhuǎn)速

在確定傳動軸軸管尺寸和總成長度時，必須保證傳動軸有足夠的強度和足夠高的臨界轉(zhuǎn)速，以便傳動軸在低速大扭矩和高速行駛時都能正常可靠地工作。

實際生產(chǎn)的傳動軸不可能絕對平衡，高速轉(zhuǎn)動時，傳動軸質(zhì)量偏心產(chǎn)生的離心力吸引起傳動軸的彎曲振動。當傳動軸的轉(zhuǎn)速等于它自身的彎曲振動固有頻率時，便發(fā)生共振，振幅急劇增加，甚至使傳動軸彎曲折斷，此時的轉(zhuǎn)速稱為傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速。

式中：D、d——傳動軸的外徑和內(nèi)徑，mm

L——傳動軸的支承長度，取兩萬向節(jié)的中心距，mm

由于計算臨界轉(zhuǎn)速的公式是近似的，另外，傳動軸使用中的磨損，平衡的破壞等，都會使傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速下降。因此，設(shè)計傳動軸時，為安全起見，要使傳動軸的最高工作轉(zhuǎn)速小于0.7nk。

3.2 傳動軸軸管

傳動軸軸管主要用來傳遞扭矩，高速旋轉(zhuǎn)的傳動軸要求軸管質(zhì)量分布均勻，易于動平衡，因此通常采用20號低碳鋼板卷制的電焊鋼管。隨著金屬材料的發(fā)展，目前又有強度更高的電焊鋼管可供選用。

傳動軸軸管的斷面尺寸除保證有足夠高的臨界轉(zhuǎn)速外，還應保證有足夠的扭轉(zhuǎn)強度。軸管扭轉(zhuǎn)應力τ

式中：D，d——軸管外徑和內(nèi)徑，mm；

T——傳動軸計算扭矩，N·mm；

按照上式計算得出的傳動軸扭轉(zhuǎn)應力τ不應大于300MPa。

4、傳動軸總成的技術(shù)要求

（1）傳動軸總成必須通過動平衡，許用不平衡量不應低于GB/T 9239-1988 中規(guī)定的G40平衡品質(zhì)等級要求。

（2）在傳動軸軸管上任意一點測量的最大跳動應在0.30mm～0.80mm，上限適合于轉(zhuǎn)速高、長度大的傳動軸。

（3）傳動軸兩端萬向節(jié)叉的軸承孔中心線應位于同一平面，允許的偏差不大于1°。

（4）萬向節(jié)實際最大轉(zhuǎn)角不得大于設(shè)計轉(zhuǎn)角。

（5）檢查軸管與焊接叉、花毽軸焊縫的焊接強度時，檢驗扭矩不小于傳動軸總成的屈服扭矩。

傳動軸主要是在汽車傳動系統(tǒng)中對動力進行傳遞，保證整車能正常行駛。本文主要是對傳動軸的初步設(shè)計進行探討。

[1] 吉林工業(yè)大學汽車教研室.《汽車設(shè)計》.機械工業(yè)出版社.1983.

[2]《汽車工程手冊》編輯委員會.《汽車工程手冊·設(shè)計篇》.人民交通出版社2001.

[3] 陳家瑞.《汽車構(gòu)造》.機械工業(yè)出版社.2008.

[4] 王霄峰. 《汽車底盤設(shè)計》.清華大學出版社.2010.

Research on the drive shaft design for heavy-duty vehicle

Cheng Xiuhua, Li Huan
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

Universal driving device contain of universal joint，drive shaft and supporting device on the vehicle. It is used for transfer power between twin-shaft at the different axle center or between variable twin-shaft on relative position during working.this paper describes the research of drive shaft about determination of length，calculation of design for heavy-duty vehicle.

drive shaft；drive shaft length；equivalent angle of drive shaft

U463.216

A

1671-7988(2014)07-36-03

程秀華，工程師，就職于陜西重型汽車有限公司，主要從事整車設(shè)計。