一种重型汽车用万向传动轴设计

杨勇新，郭克刚，刘杰，高刚刚，郭鸿瑞



一种重型汽车用万向传动轴设计

杨勇新，郭克刚，刘杰，高刚刚，郭鸿瑞

（陕西汉德车桥有限公司，陕西 西安 710201）

在全驱车辆中，万向传动轴作为转向驱动桥中重要的传动件。其保证前轮既能在最大转角范围内任意转向某一角度，并不间断的传递动力。这里介绍万向传动轴的设计校核过程。

全驱车辆；转向；动力；万向传动轴

引言

随着我国经济快速增长，全驱重型车辆作为重型汽车的一部分，在我国汽车行业也得到了大力发展；其在国防以及民用的石油勘探、森林救火等领域中发挥着越来越大的作用；万向传动轴作为整车转向驱动桥重要的零部件，其必须满足车桥转向、动力传递、转速等相关要求。下面从理论计算、三维校核等方面对完成传动轴设计。

1 设计输入

表1 输入参数

设计一种转向驱动桥轮边用万向传动轴。输入参数见表1。

2 校核计算

按地面附着条件计算传动轴扭矩：

传动轴承受的最大扭矩为5541Nm，这里按照6000Nm额定扭矩进行设计，即额定=6000Nm。

2.1 半轴轴径计算

式中：τ---半轴的扭转应力，MPa；

T---半轴的计算转矩，Nm；=k×额定

k---安全系数，1.8

d---半轴杆部最小直径，mm

其中：

τ=0.5~06【σb】，这里取0.5

计算得：

min=38.53mm

半轴轴径d ≥min，这里取d=40.5mm。

表2 半轴材料参数

2.2 半轴花键参数校核

半轴花键剪切应力τs为：

半轴花键挤压应力σc为：

式中：DB---半轴花键（轴）外径，mm；

dA---相配花键（孔）内径，mm；

z ---花键齿数；

LP---花键工作长度，mm；

b---花键齿宽，mm；

---载荷分布系数，取0.75。

其中：

剪切许用应力【τ】=0.6~0.8【σb】，这里取0.6，则【τs】=1132.8 N/mm2。挤压许用应力【σ】=1.5~2.5【σb】，这里取1.5，则【σ】=2832N/mm2。

表3 半轴花键参数

经计算得：

τs=176.9N/mm2＜【τs】，σc=455.3 N/mm2＜【σc】，花键强度满足使用要求。

2.3 十字轴强度校核

十字轴根颈部的弯曲应力σ和剪切应力τ分别计算如下：

式中：d1---十字轴轴颈直径，mm；

d2---十字轴轴颈油道孔直径，mm；

S ---力作用点到轴颈根部的距离，mm；

max---十字轴的切向力与径向力的合力，N；

R---力的作用截面到十字轴中心面的距离，mm；

--内外半轴的夹角。

图1 十字轴

其中：

弯曲应力【σ】=【σb】，剪切应力【τ】=0.6~0.8【σb】；S=b/2，R=(L-b)/2。

表4 十字轴相关参数

经计算得：

σ=360.8＜【σ】，τ=253.4＜【τ】，十字轴强度满足使用要求。

2.4 滚针轴承的选取

传动轴滚动体为滚针，滚针轴承可根据JB/T3232、JB/T8925推荐，选取GB/T309内标准轴承。轴承套尺寸一定时，应选用小直径滚针，同时增加滚针数量，以降低滚针与轴颈间的接触应力。但滚针直径不得小于1.6mm，以免压碎。理论上滚针越长，万向节的承载能力越高，但滚针过长时，其歪斜带来的不良影响亦越大，故其长度不宜超过十字轴轴颈。

十字轴滚针轴承在摆动的工况下工作，因此允许较小的径向间隙，以便有尽可能多的滚针同时参加工作，但其最小径向间隙不应小于0.005mm，建议（0.025-0.08）mm。总的周向间隙不应大于0.5mm（即a≤0.5mm），以防歪斜。此传动轴滚针长度为11.8，滚针直径为4，滚针数25。

图2 滚针沿圆周布置的几何关系

3 传动轴三维建模

万向传动轴的相关件完成了理论校核计算。接着建立传动轴三维模型，同时校核其最大夹角。整车最大转角42°，传动轴按最大夹角44°进行设计。

图3 万向传动轴三维模型

4 有限元分析

理论计算完成后，通过有限元分析进一步进行校核。

4.1 加载说明

采用车辆前进坐标系，x轴指向车辆前进方向，y轴指向前进方向的左侧，z轴竖直向上。采用mm，s，t有限元常用单位制。采用四面体单元划分实体网格。一端固定，另一端加载扭矩T。

4.2 传动轴应力情况

图4 半轴应力分布

图5 十字轴应力分布

图6 十字轴架应力分布

表5 半轴材料参数

各主要零件最大应力小于材料的屈服强度。

5 试验验证

设计完成后，进行了整桥装配验证、静强度试验及整车可靠性验证。在最大转角情况下，传动轴可灵活转动；静强度试验结果显示，传动轴安全系数大于1.8；整车试验过程中，传动轴未发生故障。万向传动轴满足设计要求。

6 结论

通过理论校核计算、三维校核、有限元分析，以及相关的试验验证，传动轴满足设计需求。后期可按照此方法进行万向传动轴的设计。

[1] 刘惟信.汽车设计[M].清华大学出版社.2003.

[2] 羊拯民.传动轴和万向节[M].人民交通出版社.

The design of a universal drive shaft for heavy duty vehicles

Yang Yongxin, Guo Kegang, Liu Jie, Gao Ganggang, Guo Hongrui

( Shaanxi Hande Axle Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710201 )

The universal drive shaft is an important transmission part of the steering drive axle in the All-drive vehicle. It can ensure the front wheel can arbitrarily turn to a certain angle in the maximum angle, and transmit power continuously. The design and verification process of universal drive shaft is introduced here.

All-drive vehicle; Steering; dynamic; Universal drive shaft

B

1671-7988(2018)20-165-03

U463.216+.2

B

1671-7988(2018)20-165-03

U463.216+.2

杨勇新，就职于陕西汉德车桥有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.20.060