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        汽車等速驅(qū)動(dòng)軸與變速箱聯(lián)接的緊定研究

        2012-08-29 12:06:02麥承賢
        裝備制造技術(shù) 2012年7期
        關(guān)鍵詞:花鍵軸凸緣半軸

        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(wàn)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?;ㄦI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?gòu)埓蠡謴?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(wàn)向節(jié)一直在進(jìn)行著萬(wàn)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(wàn)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(yǔ)

        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.

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