某型6×6越野汽車傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)

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(dòng)軸選型和布置是整車設(shè)計(jì)中的重要組成部分，傳動(dòng)軸布置合理可以有效地降低傳動(dòng)軸振動(dòng)，減少?zèng)_擊，整車乘坐舒適性提高。

傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)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(duì)位置在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，能可靠而穩(wěn)定地傳遞動(dòng)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(dòng)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(dòng)效率高，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，維修容易等[1]。

1 傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)形式

傳動(dòng)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(zhǎng)軸距汽車有時(shí)還需要布置中間傳動(dòng)軸[2]。

圖1 傳動(dòng)軸總成

圖2 十字軸式萬向節(jié)

整車布置為發(fā)動(dòng)機(jī)前置后輪驅(qū)動(dòng)或全輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，因?yàn)閼壹苌舷绿鴦?dòng)，變速器或分動(dòng)器的輸出軸與驅(qū)動(dòng)橋輸入軸軸線之間的相對(duì)位置不斷變化，所以一般采用可伸縮的十字軸萬向傳動(dòng)軸。

2 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)

2.1 萬向節(jié)當(dāng)量夾角設(shè)計(jì)

萬向節(jié)是傳動(dòng)軸的重要組成部分，其布置形式是決定傳動(dòng)軸振動(dòng)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(dòng)軸效率越高、使用壽命越長(zhǎng)。對(duì)于中間傳動(dòng)軸與變速器輸出軸或中間傳動(dòng)軸之間的夾角要求小于1°，對(duì)于伸縮傳動(dòng)軸兩端的夾角要求3°～5°，特殊場(chǎng)合（如橋間傳動(dòng)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(dòng)器到前橋與分動(dòng)器到后橋的傳動(dòng)軸夾角最好不超過12°。

確定傳動(dòng)軸萬向節(jié)夾角后，則需計(jì)算當(dāng)量夾角：

式中，α1、α2、α3為各萬向節(jié)的夾角。正負(fù)號(hào)是這樣規(guī)定的：當(dāng)?shù)谝蝗f向節(jié)的主動(dòng)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(dòng)叉與此平面重合定義為正，反之，定義為負(fù)[1]。

在布置傳動(dòng)軸時(shí)，當(dāng)量夾角要盡量小，設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)于小轎車，≤350 rad/s2；對(duì)于商用車，

2.2 傳動(dòng)軸軸管設(shè)計(jì)

2.2.1 臨界轉(zhuǎn)速

為了傳動(dòng)軸在低速大扭矩和高速行駛時(shí)都能正?？煽康毓ぷ鳎仨毐ＷC傳動(dòng)軸有足夠的強(qiáng)度和足夠高的臨界轉(zhuǎn)速，此時(shí)要充分考慮傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度。

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

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

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

為了安全起見，要使傳動(dòng)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(dòng)軸在使用過程中會(huì)出現(xiàn)磨損，平衡被破壞等，這些都會(huì)使傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速下降。

2.2.2 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

傳動(dòng)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(dòng)軸計(jì)算扭矩；[τc]為許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，[τc]=300 MPa。

3 傳動(dòng)軸布置設(shè)計(jì)

汽車總布置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度和夾角及它們的變化范圍。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意，傳動(dòng)軸處于最大值時(shí)，花鍵套與花鍵軸要有充足的配合長(zhǎng)度；處于長(zhǎng)度最小時(shí)，花鍵套與花鍵軸不會(huì)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(dòng)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(dòng)軸布置為例，校核傳動(dòng)軸計(jì)算扭矩、布置傳動(dòng)軸。

3.1 傳動(dòng)軸扭矩計(jì)算

通過計(jì)算扭矩選擇傳動(dòng)軸規(guī)格，如果計(jì)算扭矩小于實(shí)際扭矩，傳動(dòng)軸在使用過程中會(huì)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(jì)算扭矩大于實(shí)際扭矩，傳動(dòng)軸質(zhì)量增加價(jià)格上漲，造成資源浪費(fèi)。

3.1.1 整車相關(guān)計(jì)算參數(shù)

表1 整車相關(guān)計(jì)算參數(shù)

3.1.2 計(jì)算方法

傳動(dòng)軸額定扭矩可采用傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算扭矩為試驗(yàn)扭矩，也就是發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩計(jì)算值和最大附著力計(jì)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(dòng)機(jī)最大扭矩計(jì)算方法。

變速器到分動(dòng)器間最大扭矩Tmax為：

分動(dòng)器到第一橋間最大扭矩Tφ1為：

分動(dòng)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(jì)算扭矩。

分動(dòng)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(dòng)器到第二橋間最大扭矩Tφ2為：

變速器到分動(dòng)器間最大扭矩Tmax為：

?。?）（2）中較小的扭矩Tmin作為額定扭矩：

確定額定扭矩后，需計(jì)算傳動(dòng)軸屈服扭矩，屈服扭矩可按照下式計(jì)算：

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

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

3.2 傳動(dòng)軸長(zhǎng)度布置

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

圖3 傳動(dòng)軸長(zhǎng)度布置圖

如圖3所示，A點(diǎn)為發(fā)動(dòng)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(dòng)軸十字軸中心到傳動(dòng)軸法蘭面的距離[3]，L5為前后輸出法蘭面距離，L6為分動(dòng)器輸入法蘭與輸出法蘭中心距，L7為車輛滿載時(shí)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(shí)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(dòng)軸的萬向節(jié)夾角。

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

上述中, L1，L2，L3，α統(tǒng)一稱為發(fā)動(dòng)機(jī)定位參數(shù)，L5，L6為分動(dòng)器參數(shù)，L7，L8，L9，L10為驅(qū)動(dòng)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(jì)的傳動(dòng)軸經(jīng)過臺(tái)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(dòng)軸設(shè)計(jì)合理，滿足使用要求。通過本文的介紹，可為越野車傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)、選型提供參考、依據(jù)。