齊曉旭 郭健 徐旭初 徐定良

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）

一種驅(qū)動(dòng)軸長度與整車的匹配設(shè)計(jì)方法

齊曉旭 郭健 徐旭初 徐定良

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）

根據(jù)目前驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)中存在的在車輛極限工況下其實(shí)際需要長度無法準(zhǔn)確測量的問題，提出一種驅(qū)動(dòng)軸長度與整車匹配設(shè)計(jì)方法，即根據(jù)整車懸架硬點(diǎn)參數(shù)建立前懸架和驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)模型，得出驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)節(jié)所有工況構(gòu)成的擺角-位移V形曲線，由此判斷驅(qū)動(dòng)軸長度能否與整車相匹配。通過整車試驗(yàn)驗(yàn)證可知，試驗(yàn)結(jié)果與該方法的設(shè)計(jì)結(jié)果一致。

驅(qū)動(dòng)軸在主減速器和車輪輪轂之間聯(lián)接并傳遞扭矩，輪轂端一般使用固定節(jié)，即軸向不可滑移，主減速器端一般使用移動(dòng)節(jié)，即在擺動(dòng)過程中還可以軸向滑移，用來補(bǔ)償由于聯(lián)接件運(yùn)動(dòng)而引起的驅(qū)動(dòng)軸長度變化。在車輛正常運(yùn)行的各種工況下，驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)節(jié)既不能被拉脫，也不能出現(xiàn)碰撞干涉情況，才可以滿足整車性能。

但目前的測試手段無法測量出在車輛極限工況下實(shí)際需要的驅(qū)動(dòng)軸長度，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)軸長度偏長或偏短，使車輛無法正常運(yùn)行或發(fā)生事故。

1 常用移動(dòng)節(jié)擺角-位移邊界曲線

常用的移動(dòng)節(jié)有三球銷式、交叉槽式和雙偏置式3種。三球銷式移動(dòng)節(jié)結(jié)構(gòu)特征如圖1所示[1]，球環(huán)的外球面在三柱槽殼溝道內(nèi)自動(dòng)調(diào)心，且在三球銷架的三球銷軸上均可微量移動(dòng)，使3個(gè)球環(huán)在3個(gè)溝道內(nèi)既滾動(dòng)又滑動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)三球銷式移動(dòng)節(jié)在主、從動(dòng)軸同時(shí)有一定角位移和軸向位移的復(fù)雜工況下，仍能可靠傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩，其擺角-位移邊界曲線如圖2所示?；趫D1的高端三球銷式移動(dòng)節(jié)，其球環(huán)在三球銷架上可沿X、Y、Z這3個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使主、從動(dòng)軸可以在更大的角位移和軸向位移下工作，其擺角-位移邊界曲線具有更大的范圍，如圖3所示。

三球銷式移動(dòng)節(jié)3個(gè)滾道及三球銷架在圓周方向互成120°對(duì)稱，其移動(dòng)節(jié)擺角為傳動(dòng)軸軸線c與三柱槽殼中心線b的空間夾角，如圖4中α，α＞0，位移為三球銷架中心偏離滾道中心平面a的距離，如圖4中L；當(dāng)三球銷架被向外拉伸時(shí)L＜0，當(dāng)三球銷架被向內(nèi)推壓時(shí)L＞0，當(dāng)三球銷架位于滾道中心平面時(shí)L=0。其他類型移動(dòng)節(jié)擺角和位移的定義與此相同。

交叉槽式移動(dòng)節(jié)結(jié)構(gòu)特征如圖5所示，共6個(gè)滾道均勻分布，每兩個(gè)滾道成16°夾角，鋼球?yàn)閭髁υ跐L道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)主、從動(dòng)軸在一定的角位移和軸向位移下可靠工作，該移動(dòng)節(jié)擺角-位移邊界曲線如圖6所示。

雙偏置式移動(dòng)節(jié)結(jié)構(gòu)特征如圖7所示[2]，筒形殼在內(nèi)圓柱面上周向等分的開有6個(gè)與軸線平行且截面形狀為關(guān)于鋼球中心對(duì)稱的雙偏心圓弧內(nèi)滾道。此結(jié)構(gòu)可確保主、從動(dòng)軸同時(shí)有一定角位移和軸向位移的復(fù)雜工況下，仍能可靠傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩，該移動(dòng)節(jié)擺角-位移邊界曲線如圖8所示。

2 運(yùn)動(dòng)模型的建立

以某車型前懸架（麥弗遜懸架）為例建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，其車輪上跳極限為90 mm，下跳極限為70 mm，齒輪齒條式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，總行程為147 mm。運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中包括減振器、減振器限位橡膠塊、輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)、下擺臂、橫向穩(wěn)定桿、轉(zhuǎn)向器橫拉桿、驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)節(jié)、左驅(qū)動(dòng)半軸總成或右驅(qū)動(dòng)半軸總成等，其中右驅(qū)動(dòng)半軸總成不帶中間支撐。根據(jù)懸架各部件的硬點(diǎn)坐標(biāo)以及懸架、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等參數(shù)建立右驅(qū)動(dòng)半軸運(yùn)動(dòng)模型如圖9所示，在整車坐標(biāo)系中，左、右車輪懸架硬點(diǎn)對(duì)稱，因此只需建立右驅(qū)動(dòng)半軸總成運(yùn)動(dòng)模型。

3 驅(qū)動(dòng)軸長度與整車的匹配設(shè)計(jì)

整車前懸架和驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立后，得出隨車輛懸架實(shí)際運(yùn)行過程中驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)節(jié)在每個(gè)工況下的相對(duì)位移和擺角，再與該驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)節(jié)擺角-位移邊界曲線進(jìn)行比較，可以確定與整車相匹配的驅(qū)動(dòng)軸長度。

首先根據(jù)前艙布置初步確定一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸長度，根據(jù)所選用的驅(qū)動(dòng)軸移動(dòng)節(jié)規(guī)格和類型確定對(duì)應(yīng)的擺角-位移邊界曲線，如圖10所示，負(fù)值表示移動(dòng)節(jié)被拉伸，正值表示移動(dòng)節(jié)被壓縮。按照已經(jīng)建好的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型得出移動(dòng)節(jié)在各個(gè)工況下的擺角-位移V形曲線如圖11所示，其中中間位置曲線對(duì)應(yīng)動(dòng)力總成沒有左右擺動(dòng)的情況，左右兩側(cè)位置曲線對(duì)應(yīng)動(dòng)力總成左右擺動(dòng)位移到極限的情況，并且V形曲線中左、右兩個(gè)最高點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)車輪上、下運(yùn)動(dòng)到極限的工況。從圖中可以看出，某些數(shù)據(jù)點(diǎn)已經(jīng)超出移動(dòng)節(jié)的左側(cè)邊界曲線，即三球銷節(jié)被拉伸到移動(dòng)節(jié)滾道以外，說明在該工況下移動(dòng)節(jié)有脫落風(fēng)險(xiǎn)，必須增加驅(qū)動(dòng)軸長度。

調(diào)整運(yùn)動(dòng)模型，增加驅(qū)動(dòng)軸長度后重新計(jì)算得出的移動(dòng)節(jié)擺角-位移V形曲線如圖12所示。從圖12中可以看出，某些數(shù)據(jù)點(diǎn)已經(jīng)超出右側(cè)邊界曲線，即三球銷節(jié)被推到移動(dòng)節(jié)滾道以外，實(shí)際上三球銷節(jié)不可能被推出去，而是被移動(dòng)節(jié)滾道底部阻止，但在該工況下移動(dòng)節(jié)有碰撞干涉風(fēng)險(xiǎn)，即三球銷節(jié)撞擊移動(dòng)節(jié)滾道底部，出現(xiàn)異響影響駕駛品質(zhì)，因此必須縮短驅(qū)動(dòng)軸長度。

基于以上兩點(diǎn)，再調(diào)整驅(qū)動(dòng)軸長度重新計(jì)算得出驅(qū)動(dòng)軸擺角-位移V形曲線如圖13所示，可知所有數(shù)據(jù)全部在擺角-位移邊界曲線以內(nèi)，并且距離邊界曲線還有一定的安全余量，表明此時(shí)的驅(qū)動(dòng)軸長度為最佳尺寸，可以與整車相匹配。

4 計(jì)算實(shí)例

以圖9所建立的麥弗遜懸架驅(qū)動(dòng)半軸運(yùn)動(dòng)模型為例，該右驅(qū)動(dòng)半軸的鉸接點(diǎn)如圖14所示，根據(jù)驅(qū)動(dòng)半軸與差速器的相對(duì)布置位置，初選驅(qū)動(dòng)半軸與差速器中心線的交點(diǎn)（即由三球銷架、擋圈、卡簧、滾針和球環(huán)組成的移動(dòng)三球銷節(jié)在整車設(shè)計(jì)狀態(tài)下的坐標(biāo)位置）與固定節(jié)中心點(diǎn)之間的連線為驅(qū)動(dòng)半軸軸桿長度，該交點(diǎn)只能在差速器中心線上滑移，即移動(dòng)三球銷節(jié)在移動(dòng)節(jié)滾道內(nèi)滑動(dòng)，根據(jù)該三球銷式移動(dòng)節(jié)位移擺角邊界曲線（圖2），以滾道中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，在擺角為0°的情況下，三球銷節(jié)滑移行程為±25 mm。

當(dāng)車輛行駛時(shí)，輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)等隨車輪上下跳動(dòng)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)半軸固定節(jié)一起運(yùn)動(dòng)，通過固定節(jié)中心鉸接點(diǎn)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸軸桿運(yùn)動(dòng)，引起三球銷節(jié)在差速器中心線上的相對(duì)位移以及軸桿與差速器中心線擺角的變化。

通過運(yùn)動(dòng)模型控制器確定車輪上跳極限位移為+90 mm，轉(zhuǎn)向分別為0、73.5 mm、-73.5 mm時(shí)三球銷節(jié)位移和擺角分別為（0.468 mm，5.267°）、（0.601 mm，5.261°）、（0.66 mm，5.266°），對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模型如圖15所示。

同樣，車輪下跳極限-70 mm，轉(zhuǎn)向位移分別為0、73.5 mm、-73.5 mm時(shí)三球銷節(jié)位移和擺角分別為（-1.448 mm，8.018°）、（-2.192 mm，8.055°）、（-2.322 mm，7.952°），對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模型如圖16所示。

當(dāng)車輪跳動(dòng)為0，轉(zhuǎn)向分別為0、73.5 mm、-73.5 mm時(shí)三球銷節(jié)位移和擺角分別為（-4.894 mm，2.421°）、（-5.248 mm，2.473°）、（-5.342 mm，2.348°），對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模型如圖17所示。

以上3種極限工況下移動(dòng)三球銷節(jié)對(duì)應(yīng)的擺角和位移如圖18所示。

已知該車動(dòng)力總成左右擺動(dòng)最大位移均為10 mm，則三球銷節(jié)在滾道內(nèi)相對(duì)位移有較大變化，移動(dòng)節(jié)擺角基本不變，動(dòng)力總成左右最大偏移和無偏移時(shí)的擺角和位移如圖19所示。

The Matching Design Method of Drive Shaft Length to Vehicle

Qi Xiaoxu,Guo Jian,Xu Xuchu,Xu Dingliang
（SAIC MOTOR Technical Center）

In the extreme operating conditions,the demanded length of the currently designed drive shaft can’t be measured correctly.To solve this problem,a matching design method of drive shaft length to vehicle is proposed in this paper,that is,construct kinematic model of the front suspension and drive shaft according to suspension hard-point parameters,to derive the V-shaped oscillating angle-displacement curve constructed with all the conditions of the drive shaft,therefore to determine whether the drive shaft length is matched with vehicle.It is concluded from vehicle test that this test method is consistent with result of this design method.

Drive shaft length,Vehicle,Match design,Suspension parameter,Oscillating angle-displacement curve

驅(qū)動(dòng)軸長度 整車 匹配設(shè)計(jì) 懸架參數(shù) 擺角-位移曲線

U463.33

A

1000-3703（2015）06-0022-04