淺談汽車驅動軸設計與校核

李亞東 魏國鑫

摘 要：驅動軸是汽車傳動系統中的關鍵部件，設計過程較為復雜。本文主要從驅動軸結構選型設計、驅動軸設計參考點、校核計算等方面進行總結和介紹。

關鍵詞：驅動軸;設計;校核

0 概述

驅動軸是一種傳遞傳動、扭矩的軸總成，負責將變速箱的扭力傳遞到前輪轂總成。一旦驅動軸結構類型方案確定后，再根據整車及懸架等有關結構參數確定其結構尺寸，然后根據懸掛運動學原理確定驅動軸及萬向節的長度尺寸及內、外節的轉角和伸縮行程，還要進行內部結構、尺寸和強度等的設計計算和試驗驗證，確保在各種復雜工況下均能達到設計和使用要求。

1 驅動軸結構選型設計

以整車類別、發動機參數、變速箱參數、質量參數、輪胎參數作為設計輸入。等速驅動軸總成是典型的結構設計，獨立懸架轉向驅動橋結構特點是兩側的車輪各自獨立的與車架或車身彈性連接，所以必須配置兩個結構相同等速驅動軸總成。當汽車在不平路面上行駛而受到沖擊時，就可以借助可軸向伸縮的萬向節來吸收沖擊能量，從而緩和傳到機體上的沖擊，以保證兩前輪始終同時著路，具有一定的緩沖作用。

（1）一般前橋內側的可軸向伸縮的萬向節有交叉滾道式、三柱軸式和雙偏置式等幾種萬向節，極限轉角可達20°，伸縮量可達±20 mm。

（2）由于前橋還要擔負轉向的任務，轉向時，前輪要繞著轉向節轉動一個角度，在這種情況下，外側的前輪由等速萬向節可以保證前橋的半軸和差速器之間等角速傳遞動力。這時一般選用最常見的球籠式萬向節，其極限轉角可達40°。

（3）球籠式萬向節與輪轂聯結的典型結構，球籠式萬向節鐘形殼的外花鍵軸部分與前輪轂內花鍵配合，軸端通過鎖緊螺母和墊圈鎖緊。鐘形殼和輪轂均有密封圈，由于輪轂同時承受徑向和軸向載荷，一般常用一對圓錐滾子軸承或者雙列角接觸球軸承，其外徑與轉向節內徑過渡配合，輪轂法蘭盤與驅動輪輻板通過螺栓聯結，這樣鐘形殼、輪轂和驅動輪成為一體，進而完成驅動和轉向的功能。

（4）固定型等速萬向節布置在車輪處，通過鐘形殼外花鍵與前輪轂內花鍵聯結，又通過鐘形殼中間部位的基準面與前輪轂的制口端面軸向定位。而伸縮型等速萬向節則布置在變速箱處，通過筒形殼外花鍵與差速器中半軸齒輪聯結，又通過筒形殼中間部位的基準面與變速箱殼體某制口端面軸向定位，示意圖如下所示：

2 驅動軸設計參考點

驅動軸的性能計算主要是萬向節的性能計算，這取決于整車的質量參數、發動機的參數、傳動系的參數及輪胎的參數等，主要涉及靜扭轉強度、扭轉疲勞強度、耐久性磨損壽命。

（1）由于懸掛系統的上下運動結構，使萬向節的角度發生變化，同時從變速箱端到車輪端的驅動軸有效工作長度發生，這就要求驅動軸位于變速箱的萬向節具備一定量的軸向伸縮滑移功能，同時具有一定量的擺角，以保證懸掛系統可以正常傳遞動力。

（2）在驅動軸內外端萬向節的主要結構及接口尺寸確定之后，萬向節的中心點也就確定了。

（3）萬向節強度計算，主要對驅動軸最大驅動力矩、最大附著力矩、需要承載的最大力矩、應用力矩等進行核算確定。

（4）萬向節結構參數和規格，隨著萬向節技術的不斷發展和成熟，各個廠家生產的萬向節規格與參數逐漸系列化和標準化，但性能和磨損壽命差異較大。

（5）耐久性磨損壽命校核，因整車經常處于空載和滿載之間的工況行駛，所以選擇空載和滿載時內球籠軸間夾角均值為研究對象，輸入壽命目標值，使用Palmgren/Miner原理進行計算。

3 驅動軸校核計算

（1）臨界轉速校核。當驅動軸的轉速接近它的彎曲自然振動頻率時，即出現共振現象，其撓度急劇增加，致使驅動軸折斷，這個轉速即為驅動軸的臨界轉速。因此在設計時應考慮驅動軸的最大工作轉速必須低于臨界轉速。根據傳動最大扭矩、額定轉速和傳動軸長度，確定傳動軸臨界轉速，可通過理論公式計算得出，由于傳動軸平衡的誤差影響，實際臨界轉速要低于計算值，因此需要引入安全系數，一般取值2.9。

（2）強度校核。1）確定扭轉強度，理論計算的最大扭轉應力應小于許用扭轉應力，由于計算的傳動軸在使用中起著半軸的作用，因而其要求與半軸相同，一般半軸扭轉許應力為490～588 MPa。2）按驅動最大轉矩和減速器速比來計算載荷。3）按驅動輪打滑來計算載荷。4）確定驅動軸最大承受載荷。5）確定驅動軸總成最小扭轉屈服強度，屈服安全系數一般取1.7。6）確定驅動軸的計算載荷。7）確定驅動軸總成最小靜扭強度。

（3）剛度校核。根據車型總布置方案，通過傳動軸等剛度、扭轉角的校核進行扭轉剛度校核，來確定傳動軸直徑是否滿足整車性能要求。

（4）使用壽命校核。通過運用理論公式，依據發動機及傳動系統墓本參數核算驅動角度系數、各檔驅動軸轉速、各檔驅動軸轉矩、各檔小時壽命等，比對驅動軸的使用壽命是否滿足三包法規，同時滿足國家標準和公司標準。

（5）確定中間軸桿最小公稱直徑。根據計算得出的驅動軸總成的屈服強度和最小靜扭破壞強度，按照JB/T 10189-2010《汽車用等速驅動軸及其總成》標準，可以確定驅動軸中間軸桿最小公稱設計直徑。

4 結束語

汽車驅動軸設計與校核不僅局限于理論層面計算分析，還需結合試驗和試制的方式進行設計驗證，以便提升汽車驅動軸整體設計質量。

參考文獻：

[1]王望予，張建文.汽車設計[M].4版.北京：機械工業出版社，2004.

[2]王文斌.機械設計手冊（新版）[M].北京：機械工業出版社，2007.