楊勇新，郭克剛，劉杰，高剛剛，郭鴻瑞

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一種重型汽車用萬向傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)

楊勇新，郭克剛，劉杰，高剛剛，郭鴻瑞

（陜西漢德車橋有限公司，陜西 西安 710201）

在全驅(qū)車輛中，萬向傳動(dòng)軸作為轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋中重要的傳動(dòng)件。其保證前輪既能在最大轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)任意轉(zhuǎn)向某一角度，并不間斷的傳遞動(dòng)力。這里介紹萬向傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)校核過程。

全驅(qū)車輛；轉(zhuǎn)向；動(dòng)力；萬向傳動(dòng)軸

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速增長，全驅(qū)重型車輛作為重型汽車的一部分，在我國汽車行業(yè)也得到了大力發(fā)展；其在國防以及民用的石油勘探、森林救火等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越大的作用；萬向傳動(dòng)軸作為整車轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋重要的零部件，其必須滿足車橋轉(zhuǎn)向、動(dòng)力傳遞、轉(zhuǎn)速等相關(guān)要求。下面從理論計(jì)算、三維校核等方面對完成傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)輸入

表1 輸入?yún)?shù)

設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋輪邊用萬向傳動(dòng)軸。輸入?yún)?shù)見表1。

2 校核計(jì)算

按地面附著條件計(jì)算傳動(dòng)軸扭矩：

傳動(dòng)軸承受的最大扭矩為5541Nm，這里按照6000Nm額定扭矩進(jìn)行設(shè)計(jì)，即額定=6000Nm。

2.1 半軸軸徑計(jì)算

式中：τ---半軸的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，MPa；

T---半軸的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，Nm；=k×額定

k---安全系數(shù)，1.8

d---半軸桿部最小直徑，mm

其中：

τ=0.5~06【σb】，這里取0.5

計(jì)算得：

min=38.53mm

半軸軸徑d ≥min，這里取d=40.5mm。

表2 半軸材料參數(shù)

2.2 半軸花鍵參數(shù)校核

半軸花鍵剪切應(yīng)力τs為：

半軸花鍵擠壓應(yīng)力σc為：

式中：DB---半軸花鍵（軸）外徑，mm；

dA---相配花鍵（孔）內(nèi)徑，mm；

z ---花鍵齒數(shù)；

LP---花鍵工作長度，mm；

b---花鍵齒寬，mm；

---載荷分布系數(shù)，取0.75。

其中：

剪切許用應(yīng)力【τ】=0.6~0.8【σb】，這里取0.6，則【τs】=1132.8 N/mm2。擠壓許用應(yīng)力【σ】=1.5~2.5【σb】，這里取1.5，則【σ】=2832N/mm2。

表3 半軸花鍵參數(shù)

經(jīng)計(jì)算得：

τs=176.9N/mm2＜【τs】，σc=455.3 N/mm2＜【σc】，花鍵強(qiáng)度滿足使用要求。

2.3 十字軸強(qiáng)度校核

十字軸根頸部的彎曲應(yīng)力σ和剪切應(yīng)力τ分別計(jì)算如下：

式中：d1---十字軸軸頸直徑，mm；

d2---十字軸軸頸油道孔直徑，mm；

S ---力作用點(diǎn)到軸頸根部的距離，mm；

max---十字軸的切向力與徑向力的合力，N；

R---力的作用截面到十字軸中心面的距離，mm；

--內(nèi)外半軸的夾角。

圖1 十字軸

其中：

彎曲應(yīng)力【σ】=【σb】，剪切應(yīng)力【τ】=0.6~0.8【σb】；S=b/2，R=(L-b)/2。

表4 十字軸相關(guān)參數(shù)

經(jīng)計(jì)算得：

σ=360.8＜【σ】，τ=253.4＜【τ】，十字軸強(qiáng)度滿足使用要求。

2.4 滾針軸承的選取

傳動(dòng)軸滾動(dòng)體為滾針，滾針軸承可根據(jù)JB/T3232、JB/T8925推薦，選取GB/T309內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軸承。軸承套尺寸一定時(shí)，應(yīng)選用小直徑滾針，同時(shí)增加滾針數(shù)量，以降低滾針與軸頸間的接觸應(yīng)力。但滾針直徑不得小于1.6mm，以免壓碎。理論上滾針越長，萬向節(jié)的承載能力越高，但滾針過長時(shí)，其歪斜帶來的不良影響亦越大，故其長度不宜超過十字軸軸頸。

十字軸滾針軸承在擺動(dòng)的工況下工作，因此允許較小的徑向間隙，以便有盡可能多的滾針同時(shí)參加工作，但其最小徑向間隙不應(yīng)小于0.005mm，建議（0.025-0.08）mm?？偟闹芟蜷g隙不應(yīng)大于0.5mm（即a≤0.5mm），以防歪斜。此傳動(dòng)軸滾針長度為11.8，滾針直徑為4，滾針數(shù)25。

圖2 滾針沿圓周布置的幾何關(guān)系

3 傳動(dòng)軸三維建模

萬向傳動(dòng)軸的相關(guān)件完成了理論校核計(jì)算。接著建立傳動(dòng)軸三維模型，同時(shí)校核其最大夾角。整車最大轉(zhuǎn)角42°，傳動(dòng)軸按最大夾角44°進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 萬向傳動(dòng)軸三維模型

4 有限元分析

理論計(jì)算完成后，通過有限元分析進(jìn)一步進(jìn)行校核。

4.1 加載說明

采用車輛前進(jìn)坐標(biāo)系，x軸指向車輛前進(jìn)方向，y軸指向前進(jìn)方向的左側(cè)，z軸豎直向上。采用mm，s，t有限元常用單位制。采用四面體單元?jiǎng)澐謱?shí)體網(wǎng)格。一端固定，另一端加載扭矩T。

4.2 傳動(dòng)軸應(yīng)力情況

圖4 半軸應(yīng)力分布

圖5 十字軸應(yīng)力分布

圖6 十字軸架應(yīng)力分布

表5 半軸材料參數(shù)

各主要零件最大應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了整橋裝配驗(yàn)證、靜強(qiáng)度試驗(yàn)及整車可靠性驗(yàn)證。在最大轉(zhuǎn)角情況下，傳動(dòng)軸可靈活轉(zhuǎn)動(dòng)；靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示，傳動(dòng)軸安全系數(shù)大于1.8；整車試驗(yàn)過程中，傳動(dòng)軸未發(fā)生故障。萬向傳動(dòng)軸滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

通過理論校核計(jì)算、三維校核、有限元分析，以及相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證，傳動(dòng)軸滿足設(shè)計(jì)需求。后期可按照此方法進(jìn)行萬向傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)。

[1] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社.2003.

[2] 羊拯民.傳動(dòng)軸和萬向節(jié)[M].人民交通出版社.

The design of a universal drive shaft for heavy duty vehicles

Yang Yongxin, Guo Kegang, Liu Jie, Gao Ganggang, Guo Hongrui

( Shaanxi Hande Axle Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710201 )

The universal drive shaft is an important transmission part of the steering drive axle in the All-drive vehicle. It can ensure the front wheel can arbitrarily turn to a certain angle in the maximum angle, and transmit power continuously. The design and verification process of universal drive shaft is introduced here.

All-drive vehicle; Steering; dynamic; Universal drive shaft

B

1671-7988(2018)20-165-03

U463.216+.2

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U463.216+.2

楊勇新，就職于陜西漢德車橋有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.060