李亞?wèn)| 魏國(guó)鑫

摘 要：驅(qū)動(dòng)軸是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)過(guò)程較為復(fù)雜。本文主要從驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)參考點(diǎn)、校核計(jì)算等方面進(jìn)行總結(jié)和介紹。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)軸;設(shè)計(jì);校核

0 概述

驅(qū)動(dòng)軸是一種傳遞傳動(dòng)、扭矩的軸總成，負(fù)責(zé)將變速箱的扭力傳遞到前輪轂總成。一旦驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)類型方案確定后，再根據(jù)整車及懸架等有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定其結(jié)構(gòu)尺寸，然后根據(jù)懸掛運(yùn)動(dòng)學(xué)原理確定驅(qū)動(dòng)軸及萬(wàn)向節(jié)的長(zhǎng)度尺寸及內(nèi)、外節(jié)的轉(zhuǎn)角和伸縮行程，還要進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)、尺寸和強(qiáng)度等的設(shè)計(jì)計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，確保在各種復(fù)雜工況下均能達(dá)到設(shè)計(jì)和使用要求。

1 驅(qū)動(dòng)軸結(jié)構(gòu)選型設(shè)計(jì)

以整車類別、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、變速箱參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)、輪胎參數(shù)作為設(shè)計(jì)輸入。等速驅(qū)動(dòng)軸總成是典型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獨(dú)立懸架轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是兩側(cè)的車輪各自獨(dú)立的與車架或車身彈性連接，所以必須配置兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同等速驅(qū)動(dòng)軸總成。當(dāng)汽車在不平路面上行駛而受到?jīng)_擊時(shí)，就可以借助可軸向伸縮的萬(wàn)向節(jié)來(lái)吸收沖擊能量，從而緩和傳到機(jī)體上的沖擊，以保證兩前輪始終同時(shí)著路，具有一定的緩沖作用。

（1）一般前橋內(nèi)側(cè)的可軸向伸縮的萬(wàn)向節(jié)有交叉滾道式、三柱軸式和雙偏置式等幾種萬(wàn)向節(jié)，極限轉(zhuǎn)角可達(dá)20°，伸縮量可達(dá)±20 mm。

（2）由于前橋還要擔(dān)負(fù)轉(zhuǎn)向的任務(wù)，轉(zhuǎn)向時(shí)，前輪要繞著轉(zhuǎn)向節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，在這種情況下，外側(cè)的前輪由等速萬(wàn)向節(jié)可以保證前橋的半軸和差速器之間等角速傳遞動(dòng)力。這時(shí)一般選用最常見(jiàn)的球籠式萬(wàn)向節(jié)，其極限轉(zhuǎn)角可達(dá)40°。

（3）球籠式萬(wàn)向節(jié)與輪轂聯(lián)結(jié)的典型結(jié)構(gòu)，球籠式萬(wàn)向節(jié)鐘形殼的外花鍵軸部分與前輪轂內(nèi)花鍵配合，軸端通過(guò)鎖緊螺母和墊圈鎖緊。鐘形殼和輪轂均有密封圈，由于輪轂同時(shí)承受徑向和軸向載荷，一般常用一對(duì)圓錐滾子軸承或者雙列角接觸球軸承，其外徑與轉(zhuǎn)向節(jié)內(nèi)徑過(guò)渡配合，輪轂法蘭盤(pán)與驅(qū)動(dòng)輪輻板通過(guò)螺栓聯(lián)結(jié)，這樣鐘形殼、輪轂和驅(qū)動(dòng)輪成為一體，進(jìn)而完成驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的功能。

（4）固定型等速萬(wàn)向節(jié)布置在車輪處，通過(guò)鐘形殼外花鍵與前輪轂內(nèi)花鍵聯(lián)結(jié)，又通過(guò)鐘形殼中間部位的基準(zhǔn)面與前輪轂的制口端面軸向定位。而伸縮型等速萬(wàn)向節(jié)則布置在變速箱處，通過(guò)筒形殼外花鍵與差速器中半軸齒輪聯(lián)結(jié)，又通過(guò)筒形殼中間部位的基準(zhǔn)面與變速箱殼體某制口端面軸向定位，示意圖如下所示：

2 驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)參考點(diǎn)

驅(qū)動(dòng)軸的性能計(jì)算主要是萬(wàn)向節(jié)的性能計(jì)算，這取決于整車的質(zhì)量參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)、傳動(dòng)系的參數(shù)及輪胎的參數(shù)等，主要涉及靜扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度、耐久性磨損壽命。

（1）由于懸掛系統(tǒng)的上下運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，使萬(wàn)向節(jié)的角度發(fā)生變化，同時(shí)從變速箱端到車輪端的驅(qū)動(dòng)軸有效工作長(zhǎng)度發(fā)生，這就要求驅(qū)動(dòng)軸位于變速箱的萬(wàn)向節(jié)具備一定量的軸向伸縮滑移功能，同時(shí)具有一定量的擺角，以保證懸掛系統(tǒng)可以正常傳遞動(dòng)力。

（2）在驅(qū)動(dòng)軸內(nèi)外端萬(wàn)向節(jié)的主要結(jié)構(gòu)及接口尺寸確定之后，萬(wàn)向節(jié)的中心點(diǎn)也就確定了。

（3）萬(wàn)向節(jié)強(qiáng)度計(jì)算，主要對(duì)驅(qū)動(dòng)軸最大驅(qū)動(dòng)力矩、最大附著力矩、需要承載的最大力矩、應(yīng)用力矩等進(jìn)行核算確定。

（4）萬(wàn)向節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)和規(guī)格，隨著萬(wàn)向節(jié)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，各個(gè)廠家生產(chǎn)的萬(wàn)向節(jié)規(guī)格與參數(shù)逐漸系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，但性能和磨損壽命差異較大。

（5）耐久性磨損壽命校核，因整車經(jīng)常處于空載和滿載之間的工況行駛，所以選擇空載和滿載時(shí)內(nèi)球籠軸間夾角均值為研究對(duì)象，輸入壽命目標(biāo)值，使用Palmgren/Miner原理進(jìn)行計(jì)算。

3 驅(qū)動(dòng)軸校核計(jì)算

（1）臨界轉(zhuǎn)速校核。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速接近它的彎曲自然振動(dòng)頻率時(shí)，即出現(xiàn)共振現(xiàn)象，其撓度急劇增加，致使驅(qū)動(dòng)軸折斷，這個(gè)轉(zhuǎn)速即為驅(qū)動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)軸的最大工作轉(zhuǎn)速必須低于臨界轉(zhuǎn)速。根據(jù)傳動(dòng)最大扭矩、額定轉(zhuǎn)速和傳動(dòng)軸長(zhǎng)度，確定傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速，可通過(guò)理論公式計(jì)算得出，由于傳動(dòng)軸平衡的誤差影響，實(shí)際臨界轉(zhuǎn)速要低于計(jì)算值，因此需要引入安全系數(shù)，一般取值2.9。

（2）強(qiáng)度校核。1）確定扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，理論計(jì)算的最大扭轉(zhuǎn)應(yīng)力應(yīng)小于許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，由于計(jì)算的傳動(dòng)軸在使用中起著半軸的作用，因而其要求與半軸相同，一般半軸扭轉(zhuǎn)許應(yīng)力為490～588 MPa。2）按驅(qū)動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩和減速器速比來(lái)計(jì)算載荷。3）按驅(qū)動(dòng)輪打滑來(lái)計(jì)算載荷。4）確定驅(qū)動(dòng)軸最大承受載荷。5）確定驅(qū)動(dòng)軸總成最小扭轉(zhuǎn)屈服強(qiáng)度，屈服安全系數(shù)一般取1.7。6）確定驅(qū)動(dòng)軸的計(jì)算載荷。7）確定驅(qū)動(dòng)軸總成最小靜扭強(qiáng)度。

（3）剛度校核。根據(jù)車型總布置方案，通過(guò)傳動(dòng)軸等剛度、扭轉(zhuǎn)角的校核進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度校核，來(lái)確定傳動(dòng)軸直徑是否滿足整車性能要求。

（4）使用壽命校核。通過(guò)運(yùn)用理論公式，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)墓本參數(shù)核算驅(qū)動(dòng)角度系數(shù)、各檔驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速、各檔驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩、各檔小時(shí)壽命等，比對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的使用壽命是否滿足三包法規(guī)，同時(shí)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和公司標(biāo)準(zhǔn)。

（5）確定中間軸桿最小公稱直徑。根據(jù)計(jì)算得出的驅(qū)動(dòng)軸總成的屈服強(qiáng)度和最小靜扭破壞強(qiáng)度，按照J(rèn)B/T 10189-2010《汽車用等速驅(qū)動(dòng)軸及其總成》標(biāo)準(zhǔn)，可以確定驅(qū)動(dòng)軸中間軸桿最小公稱設(shè)計(jì)直徑。

4 結(jié)束語(yǔ)

汽車驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)與校核不僅局限于理論層面計(jì)算分析，還需結(jié)合試驗(yàn)和試制的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，以便提升汽車驅(qū)動(dòng)軸整體設(shè)計(jì)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

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