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        汽車等速萬向節(jié)傳動軸總成結(jié)構(gòu)主參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2021-07-29 07:11:56石寶樞蔡星原張榮校張方貴毛陽鑫張獻(xiàn)剛
        汽車零部件 2021年7期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化設(shè)計(jì)

        石寶樞,蔡星原,張榮校,張方貴,毛陽鑫,張獻(xiàn)剛

        (1.浙江順加汽車配件有限公司,浙江溫州 325409;2.洛陽科通重工機(jī)械有限公司,河南洛陽 471003)

        0 引言

        等速萬向節(jié)傳動軸總成是汽車前(后)橋傳動系統(tǒng)中至關(guān)重要的、核心的安全部件。由于現(xiàn)代汽車能源結(jié)構(gòu)的多元化,特別是外部環(huán)境惡劣、路況復(fù)雜,再加上原汽車等速萬向節(jié)傳動軸的設(shè)計(jì)時,基本上是仿制以往的國外樣品,結(jié)構(gòu)不合理 ,而且技術(shù)落后,滿足不了傳動軸總成乃至整車可靠性等要求,經(jīng)常出現(xiàn)可靠性差、不耐沖擊、先期損壞等質(zhì)量問題。所以必須用最優(yōu)化原理和數(shù)值計(jì)算等方法,對影響等速萬向節(jié)傳動軸性能的一系列結(jié)構(gòu)主參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        1 整車對傳動軸總成的新要求

        整車對等速萬向節(jié)傳動軸總成有如下的新要求:

        (1)由于路況復(fù)雜、外部環(huán)境惡劣,要求傳動軸總成必須有更高的可靠性。

        (2)要求傳動軸總成有更高的承載能力和耐久性,即長壽命。

        (3)為使整車具有良好的舒適性,傳動軸總成應(yīng)具有良好的平穩(wěn)性、減小振動和噪聲,特別是新能源汽車,由于啟動力矩大,要求傳動軸總成具有更好的耐沖擊性。

        (4)由于整車布置的需要,整車留給等速萬向節(jié)傳動軸總成的空間非常有限,為此,要求傳動軸總成盡可能小型化。

        (5)由于整車節(jié)能減排的要求,傳動軸總成應(yīng)盡可能輕量化。

        (6)要求等速萬向節(jié)傳動軸總成具有傳遞轉(zhuǎn)矩精確、靈敏,擺角大、伸縮量大等專業(yè)技術(shù)要求。

        (7)對傳動軸總成要有良好的外觀質(zhì)量和耐腐蝕等要求。

        2 傳動軸總成的主要結(jié)構(gòu)型式

        汽車用等速萬向節(jié)傳動軸總成的典型結(jié)構(gòu)是:固定型等速萬向節(jié)+傳動軸+伸縮型等速萬向節(jié)。而固定型等速萬向節(jié)一般均采用球籠式等速萬向節(jié)(BJ型),伸縮型等速萬向節(jié)主要有三球銷式等速萬向節(jié) (TJ型)、雙偏置式等速萬向節(jié)(DOJ型)、交叉槽式等速萬向節(jié)(LJ型)等結(jié)構(gòu)型式。圖1是BJ型與TJ型的組合;圖2是BJ型與DOJ型的組合;圖3是BJ型與LJ型的組合。

        圖1 BJ型與TJ型的組合式傳動軸總成

        圖2 BJ型與DOJ型的組合式傳動軸總成

        圖3 BJ型與LJ型的組合式傳動軸總成

        3 傳動軸總成的優(yōu)化設(shè)計(jì)

        3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

        傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程就是人工試湊和定性分析比較的過程,并不是根據(jù)某種理論精確計(jì)算出來的,實(shí)踐證明,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案,大部分都有改進(jìn)、提升的余地,并不是最佳的設(shè)計(jì)方案。而作為一項(xiàng)設(shè)計(jì),不僅要求方案可行、合理,而且應(yīng)該是某項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的理想方案,并從大量可行設(shè)計(jì)方案中尋找一種最優(yōu)化方案。從而實(shí)現(xiàn)以理論設(shè)計(jì)代替經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),以精確計(jì)算代替近似計(jì)算,以優(yōu)化設(shè)計(jì)代替一般的安全壽命的可行性設(shè)計(jì)。

        3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟

        (1)列出設(shè)計(jì)變量

        文中列出等速萬向節(jié)傳動軸總成中最重要的一系列幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量。

        (2)給出約束條件

        設(shè)計(jì)空間是所有設(shè)計(jì)方案的集合,但這些設(shè)計(jì)方案有些是工程上所不能接受的,所以一個可行設(shè)計(jì)必須滿足某些設(shè)計(jì)限制條件,即約束條件。如汽車等速萬向節(jié)傳動軸必須滿足整車給定的空間、規(guī)格及外形結(jié)構(gòu)和尺寸;必須滿足各種等速萬向節(jié)幾何結(jié)構(gòu)的原理要求;必須滿足各種等速萬向節(jié)專業(yè)性能要求;必須滿足各種等速萬向節(jié)可靠性質(zhì)量要求;必須滿足各種等速萬向節(jié)工藝性能要求;各種等速萬向節(jié)傳動軸總成零部件幾何尺寸取值和精度必須滿足標(biāo)準(zhǔn)化的要求;必須滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。

        (3)建立目標(biāo)函數(shù)

        等速萬向節(jié)傳動軸所有結(jié)構(gòu)參數(shù)及匹配可使產(chǎn)品可靠性實(shí)現(xiàn)最佳??梢员硎境稍O(shè)計(jì)變量的一個可計(jì)算函數(shù)。

        (4)抽象成數(shù)學(xué)模型

        在明確設(shè)計(jì)變量的約束條件、目標(biāo)函數(shù)之后,優(yōu)化設(shè)計(jì)問題可以表示成一般數(shù)學(xué)形式。

        (5)求解

        在建立目標(biāo)函數(shù)和數(shù)學(xué)模型后即對各參數(shù)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解,即求極值(最大及最小)。

        3.3 傳動軸總成優(yōu)化設(shè)計(jì)

        3.3.1 球籠式等速萬向節(jié)

        球籠式等速萬向節(jié)各主要參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系式,文獻(xiàn)[1-3]均已列出。文中給出最常用的極限轉(zhuǎn)角為47°時的一系列主參數(shù)的具體關(guān)系式。

        如果鐘形殼最大外徑Dz已知,則球籠式等速萬向節(jié)各主要參數(shù)的具體計(jì)算式分別為:

        (1)鋼球直徑為:

        Dw=0.2Dz

        (1)

        式中:Dz為鐘形殼最大外徑,mm;

        Dw為鋼球直徑,mm。

        (2)傳動軸公稱直徑為:

        d=1.5Dw

        (2)

        式中:d為傳動軸的公稱直徑,mm。

        (3)球組節(jié)圓直徑為:

        DQj=3.5Dw

        (3)

        式中:DQj為球籠式等速萬向節(jié)球組節(jié)圓直徑,mm。

        (4)鐘形殼球面中心至外端面的距離為:

        L1=Dw

        (4)

        式中:L1為鐘形殼溝道中心至外端面的距離,mm。

        即球面中心位于溝道寬度中心處。

        (5)鐘形殼溝道軸向長度為:

        L=2Dw

        (5)

        式中:L為鐘形殼溝道軸向長度,mm。

        (6)鐘形殼和星型套溝道至其球面中心距離(偏心距)為:

        eQ=0.25Dw

        (6)

        式中:eQ為鐘形殼和星型套溝道與其球面中心的距離,mm。

        (7)鐘形殼溝道底部直徑為:

        Dkg=4.5Dw

        (7)

        式中:Dkg為鐘形殼溝道底部直徑,mm。

        (8)星型套溝道底部直徑為:

        Dxg=2.5Dw

        (8)

        式中:Dxg為星型套溝道底部直徑,mm。

        (9)星型套寬度為:

        BQx=d

        (9)

        式中:BQx為星型套寬度,mm。

        (10)星型套溝道中心與寬度中心的距離為:

        (10)

        式中:h為星型套溝道中心與寬度中心的距離,mm;

        αmax為球籠等速萬向節(jié)最大擺角,(°)。

        (11)當(dāng)最大轉(zhuǎn)角αmax=47°時:

        h=0.04Dw

        (11)

        3.3.2 雙偏置式等速萬向節(jié)

        雙偏置式等速萬向節(jié)各結(jié)構(gòu)主參數(shù)分別為:

        (1)鋼球直徑為:

        Dw=0.22Dt

        (12)

        式中:Dw為鋼球直徑,mm;

        Dt為筒形殼最大外徑,mm。

        (2)球組節(jié)圓直徑為:

        Dsj=3.25Dw

        (13)

        式中:Dsj為球組節(jié)圓直徑,mm。

        (3)星型套寬度為:

        Bsx=1.3Dw

        (14)

        式中:Bsx為星型套寬度,mm。

        (4)偏心保持架內(nèi)、外球面中心至寬度中心的距離均為:

        (15)

        式中:Es為偏心保持架內(nèi)、外球面中心,mm;

        θ為偏心角,一般θ=14°~15°。

        (5)偏心保持架內(nèi)球面軸向長度為:

        Bj=Bsx

        (16)

        式中:Bj為偏心保持架內(nèi)球面軸向長度,mm。

        (6)偏心保持架總寬度為:

        Bs=Bsx+2Es

        (17)

        式中:Bs為偏心保持架總寬度,mm。

        (7)偏心保持架內(nèi)球面直徑為:

        (18)

        式中:Di為偏心保持架內(nèi)球面直徑,mm。

        (8)偏心保持架外球面直徑為:

        (19)

        式中:De為偏心保持架外球面直徑,mm。

        3.3.3 交叉槽式等速萬向節(jié)

        交叉槽式等速萬向節(jié)結(jié)構(gòu)主參數(shù)分別為

        (1)鋼球直徑為:

        Dw=0.18Dc

        (20)

        式中:Dw為鋼球直徑,mm;

        Dc為外圈寬度,mm。

        (2)外圈寬度為:

        Bc=2Dw

        (21)

        (3)六交叉槽與軸線的夾角優(yōu)化設(shè)計(jì)為12°~14°。

        3.3.4 三球銷式等速萬向節(jié)

        三球銷式等速萬向節(jié)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為

        (1)球環(huán)的外球面直徑為:

        dQ=0.45Dk

        (22)

        式中:dQ為球環(huán)外球面直徑,mm。

        (2)球環(huán)寬度為:

        (23)

        式中:BQ為球環(huán)寬度,mm。

        (3)滾針組節(jié)圓直徑為:

        Dpw=0.6dQ

        (24)

        式中:Dpw為滾針組節(jié)圓直徑,mm。

        (4)滾針直徑可根據(jù)三柱槽殼和球環(huán)直徑的大小取標(biāo)準(zhǔn)值,可按表1選取。

        表1 滾針直徑的選取 mm

        (5)每列滾針數(shù)

        每列滾針數(shù)可按下式初步確定

        (25)

        式中:Z為每列滾針數(shù)。

        (6)滾針間平均間隙和總間隙

        每兩相鄰滾針間的平均間隙為:

        (26)

        式中:f為每兩相鄰滾針間的平均間隙,mm。

        總間隙為:

        (27)

        式中:εc為滾針總間隙,mm。

        滾針間平均間隙f和總間隙εc應(yīng)按表2設(shè)計(jì)計(jì)算。

        表2 滾針間平均間隙和總間隙 mm

        4 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的效果

        按上述原理和方法設(shè)計(jì)了100余款各種汽車等速萬向節(jié)傳動軸總成,為驗(yàn)證是否達(dá)到整車的性能要求,先后進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)疲勞和周期循環(huán)壽命等臺架試驗(yàn)。并與同類型、同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行對比,通過對大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析,得出:同結(jié)構(gòu)、同系列、同規(guī)格的汽車等速萬向節(jié)傳動軸總成,優(yōu)化設(shè)計(jì)較非優(yōu)化設(shè)計(jì),其承載能力可提升35%~40%。

        等速萬向節(jié)傳動軸的使用壽命是承載能力的函數(shù),并且是呈非線性的立方關(guān)系。顯然,函數(shù)(使用壽命)的改變量約等于自變量(承載能力)改變量的3倍。即,若等速萬向節(jié)傳動軸的承載能力提升40%會使其壽命提升120%,或者說經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的汽車等速萬向節(jié)傳動軸總成的使用壽命是非優(yōu)化設(shè)計(jì)的2.2倍。

        多年的使用效果,亦和上述的結(jié)論吻合。例如:在重慶以山路、坡路為主的道路環(huán)境中,幾年前非優(yōu)化的出租車用等速萬向節(jié)傳動軸總成,經(jīng)常發(fā)生各種各樣的質(zhì)量問題,可靠性差、使用壽命較短。各傳動軸的經(jīng)銷商只能向客戶保用5萬km。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后,質(zhì)量問題大幅度降低,甚至長時間使用后,仍無質(zhì)量問題。顯然,可靠性、使用壽命大幅度提升,很多出租車行駛超30萬km,仍未見異常。這一使用效果,更加證明了優(yōu)化設(shè)計(jì)的汽車等速萬向節(jié)傳動軸可靠性、實(shí)用性等優(yōu)勢凸顯。

        5 結(jié)束語

        優(yōu)化設(shè)計(jì)的汽車等速萬向節(jié)傳動軸是對該領(lǐng)域技術(shù)理論、產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的原創(chuàng)性創(chuàng)新和顛覆性的突破??梢愿淖兤噦鲃虞S產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和技術(shù)格局,打破國外在該領(lǐng)域核心技術(shù)的壟斷地位,推動汽車傳動軸產(chǎn)品的更新?lián)Q代和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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