某型6×6越野汽車傳動軸設計

高英杰，王 凱，楊 武

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

整車傳動軸選型和布置是整車設計中的重要組成部分，傳動軸布置合理可以有效地降低傳動軸振動，減少沖擊，整車乘坐舒適性提高。

傳動軸設計應滿足以下基本要求：

（1）保證所連接的兩軸的夾角及相對位置在一定范圍內變化時，能可靠而穩定地傳遞動力[1]。

（2）保證所連接的兩軸盡可能等速運轉。由于萬向節夾角而產生的附加載荷、振動和噪聲應在允許的范圍內，在使用車速范圍內不應產生共振現象[1]。（3）傳動效率高，使用壽命長，結構簡單，制造方便，維修容易等[1]。

1 傳動軸的結構形式

傳動軸由萬向節、花鍵軸叉、花鍵護套、止口、軸管、萬向節叉、擋圈、連接叉組成（如圖1），十字軸式萬向節由十字軸、注油嘴、防塵罩、油封、滾針、尼龍墊圈、軸承鋼碗組成（如圖2）。長軸距汽車有時還需要布置中間傳動軸[2]。

圖1 傳動軸總成

圖2 十字軸式萬向節

整車布置為發動機前置后輪驅動或全輪驅動時，因為懸架上下跳動，變速器或分動器的輸出軸與驅動橋輸入軸軸線之間的相對位置不斷變化，所以一般采用可伸縮的十字軸萬向傳動軸。

2 傳動軸設計

2.1 萬向節當量夾角設計

萬向節是傳動軸的重要組成部分，其布置形式是決定傳動軸振動大小因素之一。十字軸萬向節所聯兩軸之間的夾角，原則上越小越好，角度越小傳動軸效率越高、使用壽命越長。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要求小于1°，對于伸縮傳動軸兩端的夾角要求3°～5°，特殊場合（如橋間傳動軸）不超過8°。在4×4及6×6等全驅車上，相比非全驅車布置困難，分動器到前橋與分動器到后橋的傳動軸夾角最好不超過12°。

確定傳動軸萬向節夾角后，則需計算當量夾角：

式中，α1、α2、α3為各萬向節的夾角。正負號是這樣規定的：當第一萬向節的主動叉處在各軸軸線所在的平面內，在其余的萬向節中，如果其主動叉與此平面重合定義為正，反之，定義為負[1]。

在布置傳動軸時，當量夾角要盡量小，設計時應保證空載和滿載工況下的αe不大于3 °。此外，應該限制角加速度幅值，對于小轎車，≤350 rad/s2；對于商用車，

2.2 傳動軸軸管設計

2.2.1 臨界轉速

為了傳動軸在低速大扭矩和高速行駛時都能正常可靠地工作，必須保證傳動軸有足夠的強度和足夠高的臨界轉速，此時要充分考慮傳動軸的長度。

實際生產的傳動軸不可能絕對平衡，高速轉動時，傳動軸質量偏心產生的離心力會引起傳動軸的彎曲振動。當傳動軸的轉速等于它自身的彎曲振動固有頻率時，便發生共振，振幅急劇增加，甚至使傳動軸彎曲折斷，此時的轉速稱為傳動軸的臨界轉速，它決定于傳動軸的尺寸、結構及其支承情況[3]。

如果傳動軸沿全長截面尺寸理論相同，兩端自由剛性支承，那么傳動軸的臨界轉速nk為：

式中：D為傳動軸軸管的外徑，mm；d為傳動軸軸管的內徑，mm；L為傳動軸的支承長度（取萬向節中心距），mm。

為了安全起見，要使傳動軸的最高工作轉速小于0.7nk。臨界轉速的公式是近似的，傳動軸在使用過程中會出現磨損，平衡被破壞等，這些都會使傳動軸的臨界轉速下降。

2.2.2 扭轉強度

傳動軸軸管還應保證有足夠的扭轉強度。軸管的扭轉應力τc（MPa）應滿足：

式中，T1為傳動軸計算扭矩；[τc]為許用扭轉應力，[τc]=300 MPa。

3 傳動軸布置設計

汽車總布置設計時，應充分考慮傳動軸的長度和夾角及它們的變化范圍。設計時應注意，傳動軸處于最大值時，花鍵套與花鍵軸要有充足的配合長度；處于長度最小時，花鍵套與花鍵軸不會頂死。夾角的大小影響萬向節十字軸、滾針軸承的壽命；傳動效率，十字軸旋轉的不均勻性。

下面以某型6×6越野汽車傳動軸布置為例，校核傳動軸計算扭矩、布置傳動軸。

3.1 傳動軸扭矩計算

通過計算扭矩選擇傳動軸規格，如果計算扭矩小于實際扭矩，傳動軸在使用過程中會出現萬向節花鍵異常磨損、軸管變形，甚至零部件斷裂，導致車輛不能行駛；若計算扭矩大于實際扭矩，傳動軸質量增加價格上漲，造成資源浪費。

3.1.1 整車相關計算參數

表1 整車相關計算參數

3.1.2 計算方法

傳動軸額定扭矩可采用傳動軸的設計計算扭矩為試驗扭矩，也就是發動機最大扭矩計算值和最大附著力計算的扭矩值，取二者中較小的扭矩Tmin作為額定扭矩。

（1）發動機最大扭矩計算方法。

變速器到分動器間最大扭矩Tmax為：

分動器到第一橋間最大扭矩Tφ1為：

分動器到第二橋間最大扭矩Tφ2為：

第二、三橋間最大扭矩Tφ3為：

（2）最大附著力計算扭矩。

分動器到第一橋間最大扭矩Tφ1為：

第二、三橋間最大扭矩Tφ3為：

分動器到第二橋間最大扭矩Tφ2為：

變速器到分動器間最大扭矩Tmax為：

取（1）（2）中較小的扭矩Tmin作為額定扭矩：

確定額定扭矩后，需計算傳動軸屈服扭矩，屈服扭矩可按照下式計算：

Kd為動載系數，選取原則為公路運輸車輛的動載系數選1.5～1.8，礦用車及專用車的動載系數選1.8～2.0，本次越野車設計選取2.0。經計算：

計算出屈服扭矩后，可將結果帶入（3）式，確定選取的傳動軸是否合適。

3.2 傳動軸長度布置

根據整車軸距及發動機定位、變速器長度、分動器布置、驅動橋法蘭輸入長度確定整車需要的傳動軸長度，通常采用作圖法（如圖3）：

圖3 傳動軸長度布置圖

如圖3所示，A點為發動機曲軸中心線與前橋中心線所在橫向平面交點，L1為A點到車架下翼面距離，α為曲軸中心線傾斜角度。L2為飛輪殼后端面到A點距離，L3為變速器離合器殼安裝面到輸出法蘭面的距離，L4為傳動軸十字軸中心到傳動軸法蘭面的距離[3]，L5為前后輸出法蘭面距離，L6為分動器輸入法蘭與輸出法蘭中心距，L7為車輛滿載時前橋中心到車架下翼面的距離，L8為前橋法蘭面到橋中心距離，L9為車輛滿載時后Ⅰ橋中心到車架下翼面的距離，L10為后Ⅰ橋前法蘭面到后Ⅰ橋中心距離，L11為后Ⅰ橋后法蘭面到后Ⅰ橋中心距離，L12為后Ⅱ橋法蘭面到后Ⅱ橋中心距離，β1、β2、β3為各自傳動軸的萬向節夾角。

通過以上作圖法即可得出變速器-分動器傳動軸軸管長度L變-分，分動器到后Ⅰ橋傳動軸軸管長度L分-后Ⅰ，后Ⅰ橋到后Ⅱ橋傳動軸軸管長度L橋-橋，分動器到前橋傳動軸軸管長度L分-Ⅰ。

上述中, L1，L2，L3，α統一稱為發動機定位參數，L5，L6為分動器參數，L7，L8，L9，L10為驅動橋參數，不同車型及布置方式不同影響上述參數。

4 結論

本次設計的傳動軸經過臺架靜扭、疲勞壽命試驗，30 000公里越野可靠性試驗，驗證該車傳動軸設計合理，滿足使用要求。通過本文的介紹，可為越野車傳動軸的設計、選型提供參考、依據。