高英杰，王 凱，楊 武

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

整車傳動軸選型和布置是整車設(shè)計中的重要組成部分，傳動軸布置合理可以有效地降低傳動軸振動，減少沖擊，整車乘坐舒適性提高。

傳動軸設(shè)計應(yīng)滿足以下基本要求：

（1）保證所連接的兩軸的夾角及相對位置在一定范圍內(nèi)變化時，能可靠而穩(wěn)定地傳遞動力[1]。

（2）保證所連接的兩軸盡可能等速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷、振動和噪聲應(yīng)在允許的范圍內(nèi)，在使用車速范圍內(nèi)不應(yīng)產(chǎn)生共振現(xiàn)象[1]。（3）傳動效率高，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，維修容易等[1]。

1 傳動軸的結(jié)構(gòu)形式

傳動軸由萬向節(jié)、花鍵軸叉、花鍵護(hù)套、止口、軸管、萬向節(jié)叉、擋圈、連接叉組成（如圖1），十字軸式萬向節(jié)由十字軸、注油嘴、防塵罩、油封、滾針、尼龍墊圈、軸承鋼碗組成（如圖2）。長軸距汽車有時還需要布置中間傳動軸[2]。

圖1 傳動軸總成

圖2 十字軸式萬向節(jié)

整車布置為發(fā)動機(jī)前置后輪驅(qū)動或全輪驅(qū)動時，因?yàn)閼壹苌舷绿鴦樱兯倨骰蚍謩悠鞯妮敵鲚S與驅(qū)動橋輸入軸軸線之間的相對位置不斷變化，所以一般采用可伸縮的十字軸萬向傳動軸。

2 傳動軸設(shè)計

2.1 萬向節(jié)當(dāng)量夾角設(shè)計

萬向節(jié)是傳動軸的重要組成部分，其布置形式是決定傳動軸振動大小因素之一。十字軸萬向節(jié)所聯(lián)兩軸之間的夾角，原則上越小越好，角度越小傳動軸效率越高、使用壽命越長。對于中間傳動軸與變速器輸出軸或中間傳動軸之間的夾角要求小于1°，對于伸縮傳動軸兩端的夾角要求3°～5°，特殊場合（如橋間傳動軸）不超過8°。在4×4及6×6等全驅(qū)車上，相比非全驅(qū)車布置困難，分動器到前橋與分動器到后橋的傳動軸夾角最好不超過12°。

確定傳動軸萬向節(jié)夾角后，則需計算當(dāng)量夾角：

式中，α1、α2、α3為各萬向節(jié)的夾角。正負(fù)號是這樣規(guī)定的：當(dāng)?shù)谝蝗f向節(jié)的主動叉處在各軸軸線所在的平面內(nèi)，在其余的萬向節(jié)中，如果其主動叉與此平面重合定義為正，反之，定義為負(fù)[1]。

在布置傳動軸時，當(dāng)量夾角要盡量小，設(shè)計時應(yīng)保證空載和滿載工況下的αe不大于3 °。此外，應(yīng)該限制角加速度幅值，對于小轎車，≤350 rad/s2；對于商用車，

2.2 傳動軸軸管設(shè)計

2.2.1 臨界轉(zhuǎn)速

為了傳動軸在低速大扭矩和高速行駛時都能正?？煽康毓ぷ?，必須保證傳動軸有足夠的強(qiáng)度和足夠高的臨界轉(zhuǎn)速，此時要充分考慮傳動軸的長度。

實(shí)際生產(chǎn)的傳動軸不可能絕對平衡，高速轉(zhuǎn)動時，傳動軸質(zhì)量偏心產(chǎn)生的離心力會引起傳動軸的彎曲振動。當(dāng)傳動軸的轉(zhuǎn)速等于它自身的彎曲振動固有頻率時，便發(fā)生共振，振幅急劇增加，甚至使傳動軸彎曲折斷，此時的轉(zhuǎn)速稱為傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速，它決定于傳動軸的尺寸、結(jié)構(gòu)及其支承情況[3]。

如果傳動軸沿全長截面尺寸理論相同，兩端自由剛性支承，那么傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速nk為：

式中：D為傳動軸軸管的外徑，mm；d為傳動軸軸管的內(nèi)徑，mm；L為傳動軸的支承長度（取萬向節(jié)中心距），mm。

為了安全起見，要使傳動軸的最高工作轉(zhuǎn)速小于0.7nk。臨界轉(zhuǎn)速的公式是近似的，傳動軸在使用過程中會出現(xiàn)磨損，平衡被破壞等，這些都會使傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速下降。

2.2.2 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

傳動軸軸管還應(yīng)保證有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度。軸管的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力τc（MPa）應(yīng)滿足：

式中，T1為傳動軸計算扭矩；[τc]為許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，[τc]=300 MPa。

3 傳動軸布置設(shè)計

汽車總布置設(shè)計時，應(yīng)充分考慮傳動軸的長度和夾角及它們的變化范圍。設(shè)計時應(yīng)注意，傳動軸處于最大值時，花鍵套與花鍵軸要有充足的配合長度；處于長度最小時，花鍵套與花鍵軸不會頂死。夾角的大小影響萬向節(jié)十字軸、滾針軸承的壽命；傳動效率，十字軸旋轉(zhuǎn)的不均勻性。

下面以某型6×6越野汽車傳動軸布置為例，校核傳動軸計算扭矩、布置傳動軸。

3.1 傳動軸扭矩計算

通過計算扭矩選擇傳動軸規(guī)格，如果計算扭矩小于實(shí)際扭矩，傳動軸在使用過程中會出現(xiàn)萬向節(jié)花鍵異常磨損、軸管變形，甚至零部件斷裂，導(dǎo)致車輛不能行駛；若計算扭矩大于實(shí)際扭矩，傳動軸質(zhì)量增加價格上漲，造成資源浪費(fèi)。

3.1.1 整車相關(guān)計算參數(shù)

表1 整車相關(guān)計算參數(shù)

3.1.2 計算方法

傳動軸額定扭矩可采用傳動軸的設(shè)計計算扭矩為試驗(yàn)扭矩，也就是發(fā)動機(jī)最大扭矩計算值和最大附著力計算的扭矩值，取二者中較小的扭矩Tmin作為額定扭矩。

（1）發(fā)動機(jī)最大扭矩計算方法。

變速器到分動器間最大扭矩Tmax為：

分動器到第一橋間最大扭矩Tφ1為：

分動器到第二橋間最大扭矩Tφ2為：

第二、三橋間最大扭矩Tφ3為：

（2）最大附著力計算扭矩。

分動器到第一橋間最大扭矩Tφ1為：

第二、三橋間最大扭矩Tφ3為：

分動器到第二橋間最大扭矩Tφ2為：

變速器到分動器間最大扭矩Tmax為：

取（1）（2）中較小的扭矩Tmin作為額定扭矩：

確定額定扭矩后，需計算傳動軸屈服扭矩，屈服扭矩可按照下式計算：

Kd為動載系數(shù)，選取原則為公路運(yùn)輸車輛的動載系數(shù)選1.5～1.8，礦用車及專用車的動載系數(shù)選1.8～2.0，本次越野車設(shè)計選取2.0。經(jīng)計算：

計算出屈服扭矩后，可將結(jié)果帶入（3）式，確定選取的傳動軸是否合適。

3.2 傳動軸長度布置

根據(jù)整車軸距及發(fā)動機(jī)定位、變速器長度、分動器布置、驅(qū)動橋法蘭輸入長度確定整車需要的傳動軸長度，通常采用作圖法（如圖3）：

圖3 傳動軸長度布置圖

如圖3所示，A點(diǎn)為發(fā)動機(jī)曲軸中心線與前橋中心線所在橫向平面交點(diǎn)，L1為A點(diǎn)到車架下翼面距離，α為曲軸中心線傾斜角度。L2為飛輪殼后端面到A點(diǎn)距離，L3為變速器離合器殼安裝面到輸出法蘭面的距離，L4為傳動軸十字軸中心到傳動軸法蘭面的距離[3]，L5為前后輸出法蘭面距離，L6為分動器輸入法蘭與輸出法蘭中心距，L7為車輛滿載時前橋中心到車架下翼面的距離，L8為前橋法蘭面到橋中心距離，L9為車輛滿載時后Ⅰ橋中心到車架下翼面的距離，L10為后Ⅰ橋前法蘭面到后Ⅰ橋中心距離，L11為后Ⅰ橋后法蘭面到后Ⅰ橋中心距離，L12為后Ⅱ橋法蘭面到后Ⅱ橋中心距離，β1、β2、β3為各自傳動軸的萬向節(jié)夾角。

通過以上作圖法即可得出變速器-分動器傳動軸軸管長度L變-分，分動器到后Ⅰ橋傳動軸軸管長度L分-后Ⅰ，后Ⅰ橋到后Ⅱ橋傳動軸軸管長度L橋-橋，分動器到前橋傳動軸軸管長度L分-Ⅰ。

上述中, L1，L2，L3，α統(tǒng)一稱為發(fā)動機(jī)定位參數(shù)，L5，L6為分動器參數(shù)，L7，L8，L9，L10為驅(qū)動橋參數(shù)，不同車型及布置方式不同影響上述參數(shù)。

4 結(jié)論

本次設(shè)計的傳動軸經(jīng)過臺架靜扭、疲勞壽命試驗(yàn)，30 000公里越野可靠性試驗(yàn)，驗(yàn)證該車傳動軸設(shè)計合理，滿足使用要求。通過本文的介紹，可為越野車傳動軸的設(shè)計、選型提供參考、依據(jù)。