孟祥偉

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

引言

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)型轎車大都采用前輪驅(qū)動(dòng)的布置型式，等速驅(qū)動(dòng)軸是其中的關(guān)鍵部件之一，將發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)變速箱輸出的動(dòng)力輸出到車輪，從而驅(qū)動(dòng)整車前進(jìn)或倒退，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與工作性能的好壞直接影響到整車的工作可靠性。等速驅(qū)動(dòng)軸一端與變速箱相連接，可以軸向滑動(dòng)和擺動(dòng)，稱為移動(dòng)節(jié)；另一端與輪轂單元相連接，不能軸向滑動(dòng)，可以繞中心點(diǎn)擺動(dòng)，稱為固定節(jié)。

圖1 等速驅(qū)動(dòng)軸總成

移動(dòng)節(jié)與變速箱、固定節(jié)與輪轂單元都是靠漸開線花鍵連接并傳遞動(dòng)力。因此，漸開線花鍵的強(qiáng)度決定等速驅(qū)動(dòng)軸傳遞動(dòng)力的能力，在等速驅(qū)動(dòng)軸方案設(shè)計(jì)階段需要對(duì)漸開線花鍵強(qiáng)度進(jìn)行校核。主要從花鍵齒面接觸強(qiáng)度、花鍵齒根彎曲強(qiáng)度、花鍵齒根剪切強(qiáng)度三個(gè)方面校核分析。

1 花鍵的受力分析

圖2 漸開線花鍵連接的理論位置

發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力，經(jīng)離合器、變速箱傳遞到驅(qū)動(dòng)軸，通過驅(qū)動(dòng)軸傳遞到車輪，花鍵只承受轉(zhuǎn)矩T，不承受壓軸力。在傳遞的轉(zhuǎn)矩T的作用下，一側(cè)的齒面彼此接觸、側(cè)隙相等。同時(shí)，由于漸開線花鍵的自定心作用，內(nèi)花鍵與外花鍵的兩軸線仍是同軸的，如圖2所示。所有花鍵齒傳遞轉(zhuǎn)矩，承受同樣大小的載荷，如圖3所示。

圖3 漸開線花鍵載荷分配

2 花鍵載荷計(jì)算

2.1 輸入轉(zhuǎn)矩T計(jì)算

式中：η—變速器傳動(dòng)效率，取0.95。

Imax—變速器最大總速比。

2.2 名義切向力Ft計(jì)算

2.3 單位載荷W計(jì)算

3 齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算

3.1 齒面壓應(yīng)力σH計(jì)算

式中：

3.2 齒面需用壓應(yīng)力[σH]計(jì)算

式中：σ0.2—花鍵材料屈服強(qiáng)度。

SH—齒面接觸強(qiáng)度系數(shù),一般取 1.25～1.5.較重要的及淬火的花鍵取較大值，一般的未經(jīng)淬火的花鍵取較小值。驅(qū)動(dòng)軸花鍵表面一般進(jìn)行淬火處理，SH取1.5。

K1—考慮由于傳動(dòng)系統(tǒng)外部因素而產(chǎn)生的動(dòng)力過載影響系數(shù)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)軸花鍵，輸入和輸出端均平穩(wěn)工作，K1取1.0。

K2—當(dāng)花鍵副承受壓軸力時(shí)，考慮花鍵副齒側(cè)配合間隙對(duì)各鍵齒上所受載荷影響的系數(shù)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)軸花鍵，壓軸力為零，只承受轉(zhuǎn)矩，K2取1.0。

K3—考慮花鍵的齒距累積誤差（分度誤差）影響各鍵齒載荷分配不均的系數(shù)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)軸花鍵，花鍵精度等級(jí)按GB/T3478.1標(biāo)準(zhǔn)為6級(jí)，K3取1.1。

K4—考慮由于花鍵的齒向誤差和安裝后花鍵副的同軸度誤差、以及受載后花鍵扭轉(zhuǎn)變形，影響各鍵齒沿軸向受載不均勻的系數(shù)。對(duì)于驅(qū)動(dòng)軸花鍵，K4取1.2。

3.3 計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足下條件，則判定花鍵齒面接觸強(qiáng)度合格

4 齒根彎曲強(qiáng)度計(jì)算

4.1 齒根彎曲應(yīng)力σF計(jì)算

式中：SFn—花鍵齒根危險(xiǎn)截面（最大彎曲應(yīng)力處）的玄齒厚，mm。

S—分度圓齒厚

4.2 齒根需用彎曲應(yīng)力[σF]計(jì)算

式中：σb—花鍵材料抗拉強(qiáng)度。

SF—彎曲強(qiáng)度的計(jì)算安全系數(shù)。對(duì)漸開線花鍵取1.0～1.5，驅(qū)動(dòng)軸花鍵取SF為1.25。

4.3 計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足下條件，則判定花鍵齒根彎曲強(qiáng)度合格

5 齒根剪切強(qiáng)度計(jì)算

5.1 齒根最大剪切應(yīng)力τFmax計(jì)算

式中：ρ—齒根圓角半徑，一般指外花鍵齒根圓弧最小曲率半徑。驅(qū)動(dòng)軸花鍵一般為0.5mm。

5.2 齒根需用剪切強(qiáng)度[τF]計(jì)算

5.3 計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足下條件，則判定花鍵齒根剪切強(qiáng)度合格

6 應(yīng)用實(shí)例

某車型動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出，經(jīng)變速器傳遞到驅(qū)動(dòng)軸花鍵上，動(dòng)力總成相關(guān)參數(shù)如表 1所示。驅(qū)動(dòng)軸花鍵材料為20CrMnTiH。其抗拉強(qiáng)度σb≥1080MPa，其屈服強(qiáng)度σ0.2≥835MPa，花鍵副參數(shù)如表1所示。

表1 動(dòng)力總成相關(guān)參數(shù)

表2 花鍵副參數(shù)

6.1 花鍵載荷計(jì)算

輸入轉(zhuǎn)矩：

名義切向力：

單位載荷：

6.2 齒面接觸強(qiáng)度校核

齒面壓應(yīng)力：

齒面需用壓應(yīng)力：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，滿足σH≤[σH]條件，花鍵齒面接觸強(qiáng)度滿足要求。

6.3 齒根彎曲強(qiáng)度校核

齒根彎曲應(yīng)力計(jì)算：

需用彎曲應(yīng)力：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，滿足σF≤[σF]條件，花鍵齒根彎曲強(qiáng)度滿足要求。

6.4 齒根剪切強(qiáng)度校核

齒根最大剪切應(yīng)力計(jì)算：

需用剪切應(yīng)力：

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，滿足τFmax＞[τF]條件，花鍵齒根剪切強(qiáng)度滿足要求。

6.5 結(jié)論

通過以上校核，本花鍵齒面接觸強(qiáng)度、齒根彎曲強(qiáng)度、齒根剪切強(qiáng)度均滿足要求，本花鍵滿足使用要求。

7 總結(jié)

本文對(duì)等速驅(qū)動(dòng)軸漸開線花鍵受力做出了分析，并在此基礎(chǔ)上提出了花鍵強(qiáng)度的校核方法，從三個(gè)方面預(yù)估等速驅(qū)動(dòng)軸花鍵對(duì)整車要求的符合量。為設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)之初對(duì)軸的強(qiáng)度和尺寸作出較為準(zhǔn)確的判斷提供依據(jù)。

以上校核從理論上判定該驅(qū)動(dòng)軸花鍵滿足整車使用要求。但是，實(shí)際使用狀況較復(fù)雜，一般情況下還要通過實(shí)車裝配和實(shí)車路試驗(yàn)證是否滿足使用要求以及強(qiáng)度要求。

[1] 劉維信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京.清華大學(xué)出版社.2001.

[2] 劉維信.機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)（第二版)[M].北京.清華大學(xué)出版社.1994.

[3] 王望予.汽車設(shè)計(jì)(第4版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2004.

[4] 孟祥偉.汽車等速驅(qū)動(dòng)軸校核方法研究與應(yīng)用[J].客車技術(shù),2010,(5):39-42.