佟 杰

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

淺談某輕卡車型的傳動(dòng)軸匹配設(shè)計(jì)

佟 杰

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽車萬向傳動(dòng)裝置的功用是能在軸間夾角及相互位置經(jīng)常發(fā)生變化的轉(zhuǎn)軸之間傳遞動(dòng)力，它主要由萬向節(jié)、傳動(dòng)軸和中間支承組成，文章首先闡述了萬向傳動(dòng)軸的主要結(jié)構(gòu)組成、功能及工作原理，然后利用詳細(xì)數(shù)據(jù)計(jì)算，將傳動(dòng)軸軸管臨界轉(zhuǎn)速、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力以及當(dāng)量夾角等校核匹配，并根據(jù)計(jì)算匹配結(jié)果，選擇合適的傳動(dòng)軸規(guī)格，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)有借鑒意義。

傳動(dòng)軸；匹配設(shè)計(jì)

Abstract:Cars drive unit is able to transfer power between the shaft that is the angle and the mutual position changes frequently. It mainly consists of universal joints, drive shaft and intermediate support. First, this paper describes constitute the main structure,functions and working principle of the universal shaft. Secondly, with detailed data calculation, designed to fit into the shaft tube critical speed, torsional stress and the angle, etc. Based on the calculated results of design, select the appropriate specifications of the drive shaft. It has reference value on the transmission system.

Keywords: transmission shaft; matching design

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-66-03

1 引言

1.1 萬向傳動(dòng)軸的概述與構(gòu)成

萬向傳動(dòng)裝置是用來在工作過程中軸間夾角及相對(duì)位置不斷改變的兩根軸間傳遞動(dòng)力的裝置。其作用是連接不在同一直線上的變速器輸出軸和主減速器輸入軸，并保證在兩軸之間的夾角和距離經(jīng)常變化的情況下，仍能可靠地傳遞動(dòng)力。

發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力總成所產(chǎn)生的原動(dòng)力，經(jīng)過變速箱減速增大扭矩或換向后，通過傳動(dòng)軸裝置傳遞到后橋總成，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)后輪旋轉(zhuǎn)，克服前進(jìn)阻力。

傳動(dòng)軸一般由萬向節(jié)、傳動(dòng)軸和中間支撐組成。

1.2 傳動(dòng)軸裝置的設(shè)計(jì)要求

傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)必須保證所連接的兩軸的夾角及相對(duì)位置在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，能夠可靠而穩(wěn)定地傳遞動(dòng)力，并且所連接的兩軸需要盡可能等速運(yùn)轉(zhuǎn)，因萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的載荷振動(dòng)和噪聲須在允許范圍內(nèi)，在使用車速范圍內(nèi)不能產(chǎn)生共振現(xiàn)象。同時(shí)，萬向傳動(dòng)裝置還應(yīng)當(dāng)滿足汽車必要的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，滿足輪廓尺寸和質(zhì)量小、制造成本低、維修方便等要求。

2 傳動(dòng)軸匹配設(shè)計(jì)

2.1 整車相關(guān)參數(shù)

某輕卡車型的相關(guān)參數(shù)如下：

表1 整車參數(shù)表

2.2 傳動(dòng)軸的匹配設(shè)計(jì)

2.2.1 傳動(dòng)軸承受的扭矩計(jì)算

根據(jù)整車匹配的動(dòng)力總成和驅(qū)動(dòng)橋軸荷確定傳動(dòng)軸承受的扭矩：

1）以輸入端發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和變速器—擋傳動(dòng)比來確定

式中：Temax—發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；

i1—變速器一檔速比；

η—發(fā)動(dòng)機(jī)到傳動(dòng)軸之間的傳動(dòng)效率；

n—為計(jì)算驅(qū)動(dòng)橋數(shù)；

kd—猛踩離合所產(chǎn)生的動(dòng)載荷系數(shù)；

根據(jù)《汽車設(shè)計(jì)》十字軸萬向節(jié)篇，一般商用車kd＝1；因此該車型傳動(dòng)軸最大輸入扭矩

2）以輸出端驅(qū)動(dòng)輪打滑來確定

式中：G—為滿載狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)橋上的靜載荷（N)；

m—汽車最大加速度時(shí)的后軸荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，取1.1～1.2；

φ—輪胎與路面間的附著系數(shù)，一般輪胎的公路用汽車，在良好的混泥土取0.85；

rr—輪胎滾動(dòng)半徑；

ηm—主減速器主動(dòng)齒輪和車輪之間的傳動(dòng)效率；

i0—主減速比；

im－為主減速器從動(dòng)齒輪到車輪之間的傳動(dòng)比；

因此該車型傳動(dòng)軸輸入扭矩：

其中m=1.2，ηm=1，im=1。

3）根據(jù)傳動(dòng)軸承受扭矩的原則應(yīng)該選擇取 Tse和 Tss中較小的為傳動(dòng)軸的計(jì)算輸入扭矩 TJ，因此 TJ=Tse=1555.8 N·m。

根據(jù)傳動(dòng)軸平臺(tái)定義和本車型傳動(dòng)軸的最大計(jì)算輸入扭矩可知，傳動(dòng)軸規(guī)格選用Φ76×2.5，傳動(dòng)軸外徑為76mm，壁厚2.5mm。

2.2.2 傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角計(jì)算

2.2.2.1 傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角計(jì)算理論依據(jù)

傳動(dòng)軸萬向節(jié)輸入軸與輸出軸之間有夾角時(shí)，輸入軸和輸出軸之間具有角速度差，且隨著角度的增大，角速度差越大，由此產(chǎn)生的系統(tǒng)振動(dòng)也越大。

圖1 萬向節(jié)輸入與輸出示意圖

傳動(dòng)軸萬向節(jié)輸入軸、輸出軸的夾角與角速度關(guān)系如下：

因此，在傳動(dòng)軸布置時(shí)，應(yīng)按以下原則來布置：

圖2 傳動(dòng)軸布置示意圖

1）任何時(shí)候當(dāng)量夾角αe不大于3°；

式中：α1—第一根傳動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)（變速箱）曲軸中心的夾角；

αi-1—第i根傳動(dòng)軸中心線與第i-1根傳動(dòng)軸的夾角；

αi—第i根傳動(dòng)軸中心線與后橋凸緣中心線的夾角；

2）傳動(dòng)軸相位按照++-或者+-+進(jìn)行布置，可以獲得較小的當(dāng)量夾角，且任何時(shí)候當(dāng)量夾角αe不大于3°；

3）在滿載工況下，單個(gè)傳動(dòng)軸萬向節(jié)布置角度不允許大于 4°；在空載或極限工況下，單個(gè)傳動(dòng)軸萬向節(jié)布置角度不允許大于 7°；另外，應(yīng)使萬向節(jié)傳動(dòng)兩端夾角盡量相等或接近。

2.2.2.2 車型傳動(dòng)軸當(dāng)量夾角計(jì)算

根據(jù)整車參數(shù)，結(jié)合已選定的傳動(dòng)軸規(guī)格和確定后橋中心坐標(biāo)的作圖法，可確定傳動(dòng)軸萬向節(jié)輸入軸與輸出軸之間的夾角。

表2 傳動(dòng)軸夾角計(jì)算參數(shù)表

依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)定位點(diǎn)、仰角和變速箱軸向長(zhǎng)度，可計(jì)算或者根據(jù)作圖法得到變速箱末端（駐車制動(dòng)器）中心點(diǎn)坐標(biāo)為X=1288.9，Z=-227.5；然后根據(jù)板簧吊耳中心距計(jì)算軟件和后橋中心點(diǎn)坐標(biāo)作圖法或計(jì)算法，可確定不同工況下后橋法蘭中心點(diǎn)坐標(biāo)；再根據(jù)四橫梁位置、中間傳動(dòng)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線夾角（一般情況下保證a1為0°），確定中間軸承托架的中心位置，具體作圖法如下：

圖3 車型傳動(dòng)軸校核示意圖

根據(jù)作圖法計(jì)算校核結(jié)果如下：

表3 傳動(dòng)軸夾角布置

從傳動(dòng)軸校核結(jié)果可以看出：傳動(dòng)軸的空載、滿載、超載的當(dāng)量夾角均小于 3°符合要求。為使一傳夾角與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線在同一直線上，需在四橫梁上處增加18mm墊鐵或者吊掛。

同時(shí)，根據(jù)校核結(jié)果可知中后傳動(dòng)軸長(zhǎng)度：

中間傳動(dòng)軸總成長(zhǎng)度為527 mm；

2.2.3 傳動(dòng)軸軸管臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算

當(dāng)傳動(dòng)軸工作轉(zhuǎn)速接近于其彎曲自然振動(dòng)頻率時(shí)，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，以至于振幅急劇增加而引起傳動(dòng)軸折斷時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。

式中：nk—臨界轉(zhuǎn)速；

d—軸管內(nèi)徑；

D—軸管外徑；

L—傳動(dòng)軸長(zhǎng)度；

因此該車型傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速如下：

由于制造中的動(dòng)平衡控制不好，以及使用過程中的磨損，會(huì)導(dǎo)致nk下降，新的傳動(dòng)軸折斷轉(zhuǎn)速n折斷比nk還要低，n折斷/nk=0.92，行駛十萬公里后比值降為0.69。因此輕卡設(shè)計(jì)中，應(yīng)使傳動(dòng)軸工作轉(zhuǎn)速<0.7倍臨界轉(zhuǎn)速nk≥1.5倍工作轉(zhuǎn)速。

當(dāng)傳動(dòng)軸軸管規(guī)格一定時(shí)，軸管長(zhǎng)度越長(zhǎng)轉(zhuǎn)速越低，因此該車型后橋傳動(dòng)軸總成臨界轉(zhuǎn)速安全系數(shù)滿足要求時(shí)，中間傳動(dòng)軸總成一定滿足設(shè)計(jì)要求。

其中發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速3200rpm，變速箱超檔速比0.783。

2.2.4 結(jié)論

經(jīng)上述校核計(jì)算和傳動(dòng)軸與變速箱、后橋尺寸匹配關(guān)系可知：傳動(dòng)軸為雙聯(lián)式十字軸連接，軸管外徑為 76mm，壁厚2.5mm；凸緣高（法蘭面至十字軸中心距離）為55mm；中間軸承托架為四孔固定，高度 66.5mm；與變速箱、后橋連接的法蘭面止口為Φ80，分度圓Φ100；中間傳動(dòng)軸長(zhǎng)527mm，滿載時(shí)后橋傳動(dòng)軸長(zhǎng) 1093mm；四橫梁出傳動(dòng)軸吊掛墊鐵厚 18mm。同時(shí)按照此布置，傳動(dòng)軸強(qiáng)度、當(dāng)量夾角和臨界轉(zhuǎn)速等都滿足設(shè)計(jì)要求。

[1] 余志生.汽車?yán)碚?[M]機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2] 王望予.汽車設(shè)計(jì).[M]機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[3] （日）武田信之.載貨汽車設(shè)計(jì).[M]人民交通出版社,1997.

[4] 陳家瑞.汽車構(gòu)造.[M]機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[5] 臧杰 閻巖.汽車構(gòu)造·下冊(cè).[M]機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

A brief discussion on the design of the transmission shaft of a light truck model

Tong Jie
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)18-66-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.023

佟杰（1982-），女，助理工程師。就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。