基于轻卡某重载版车型万向传动轴设计分析

孙庆义

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于轻卡某重载版车型万向传动轴设计分析

孙庆义

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽车万向传动轴装置的作用是实现一对轴线相交且相对位置经常变化的转轴之间的动力传递。文章基于轻卡某重载版 3845mm轴距的产品，首先对万向节及中间支撑等万向传动轴的主要零部件进行介绍，然后利用发动机扭矩、变速箱速比确定万向传动轴规格，最后将钢板弹簧刚度等相关参数用作图法对万向传动轴的当量夹角等参数进行设计确认。

轻卡；万向传动轴；作图法；当量夹角

引言

发动机动力总成所产生的原动力，经过变速箱减速增大扭矩或换向后，通过传动轴装置传递到后桥总成，进而驱动后轮旋转，克服前进阻力。对于轻型载货汽车而言，传动轴长度小于1500mm时，大多可以采用单根传动轴，而长度大于1500mm时，一般轴管临界转速不能满足要求，进而采用两根或多根传动轴。与变速器相连接的传动轴总成称为中间传动轴，而直接与后桥总成相连的传动轴总成则称之为后桥传动轴。中间传动轴上装有弹性支承元件，包括中间轴承、弹性元件、托架，弹性支承元件可以吸收振动，并允许传动轴相对车架运动。

万向传动轴的设计要求：保证所连接的两轴相对位置在预计范围内变动时，能可靠的传递动力；保证所连接两轴尽可能等速运转，由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪音；传动轴效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等。

1 万向传动轴的主要零部件

带有十字轴式万向节的轴管或两十字轴式万向节是直接连接的，用来把发动机的扭矩和旋转运动传递给驱动轴的总成。传动轴、花键轴、滑动叉、中间支承和万向节叉等共同组成了传动轴总成，具体结构如图1：

图1 传动轴总成结构

1.1 十字轴

在两轴夹角不变或改变时，能够将扭矩和旋转运动从一根轴传到另一根轴的关节式的机械装置。

1.2 万向节

在同一平面内具有四个径向均布轴颈的中间传动元件，万向节具体结构如图2：

图2 万向节结构

1.3 中间支撑

传动轴中间支承总成是传动轴一个非常重要的零部件，一般都包括金属冲压件和橡胶件总成（包括轴承）两个总成件。如图3所示：

图3 中间支撑

2 万向传动轴规格确定

2.1 传动轴规格

根据整车匹配的动力总成和驱动桥轴荷确定传动轴承受的扭矩Tse：以输入端发动机最大转矩和变速器—挡传动比来确定。

式中：Tse—发动机最大转矩；i1—变速器一档速比；η—发动机到传动轴之间的传动效率，取1；n—为计算驱动桥数；Kd—猛踩离合所产生的动载荷系数，根据《汽车设计》十字轴万向节篇，一般商用车Kd=1；

根据总布置设计要求发动机最大输出扭矩Tse=500N·m，X型变速箱速比如下：

表1

传动轴最大扭矩为：

根据传动轴平台，选择额定扭矩为2800-3600 N·m的φ90x3的轴管，外径为90mm，壁厚为3mm。

2.2 轴管强度计算

轴管强度计算公式为：

式中：D-轴管外径；d-轴管内径；

带入数据得：τ=88.27MPa。

轴管最大许用扭转应力为180MPa，故安全系数为2.04，大于1.5，满足设计要求。

3 作图法校核传动轴

3.1 传动轴当量夹角校核

该款车型为3845mm轴距，传动轴总长度大于1500mm，采用双联传动轴结构设计。传动轴双联结构设计要求：传动轴相位按照++-或者+-+进行布置，可以获得较小的当量夹角，且任何时候当量夹角αe不大于3°；在满载工况下，单个传动轴万向节布置角度不允许大于4°；在空载或极限工况下，单个传动轴万向节布置角度不允许大于 7°；另外，应使万向节传动两端夹角尽量相等或接近。传动轴布置示意图如图4：

图4 传动轴布置示意图

该款车型传动轴相位采用+-+，当量夹角 αe计算公式如下：

式中：α1—第1根传动轴与发动机（变速箱）曲轴中心的夹角；α2—第1根传动轴中心线与第2根传动轴的夹角；α3—第2根传动轴中心线与后桥凸缘中心线的夹角；

根据该款车型总布置方案说明书所规定的整车参数，结合已选定的传动轴规格和确定后桥中心坐标的作图法，可确定传动轴万向节输入轴与输出轴之间的夹角。

表2

图5 传动轴校核图

如图5所示，可得满载以及极限载状态下当量夹角如下：

表3

由上表可知三种状态下的当量夹角均小于3°，满足设计要求。

3.2 传动轴临界转速校核

由图5知后桥传动轴长度为1058mm，临界转速计算如下：

式中：L-传动轴长度（两万向节中心线距离）mm。

安全系数大于2，满足设计要求。

4 结论

本次设计开发过程参考以往车型采用经验法和匹配设计相结合的设计方法，充分的利用了相关的参数，确保了设计的严谨性。零部件设计基于“通用化、模块化、标准化、系列化”要求，降低了零部件开发的成本、缩短了开发周期。对今后的产品设计研发工作打下了良好的基础。

[1] 陈家瑞.汽车构造[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2] 张洪欣.汽车设计[M].北京:机械工业出版社,1998.

[3] 余志生.汽车理论[M].北京:机械工业出版社,2004.

[4] 张金柱.汽车原理与构造[M].北京:化学工业出版社,2016 .

Design and analysis of universal transmission shaft based on light truck heavy plate model

Sun Qingyi
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

Automobile universal transmission shaft device is a rotating shaft on the dynamic between the intersection and the relative position of constantly changing transmission. In this paper, a 3845mm light truck wheelbase based products, first of all the main components of the universal joint and intermediate support universal transmission shaft are introduced, and then use the engine torque, transmission speed determine universal transmission the shaft size, stiffness and other related parameters on the mapping method of universal drive shaft equivalent angle and other parameters were designed to confirm.

light truck; universal transmission shaft; the mapping method; equivalent angle

U462.1

A

1671-7988 (2017)21-55-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.020

CLC NO.: U462.1

A

1671-7988 (2017)21-55-03

孙庆义（1993-），男，助理工程师，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司轻型车研究所，主要从事汽车底盘方面的设计工作。