汽车起重机传动轴的轻量化设计

（安徽柳工起重机有限公司，安徽 蚌埠 233000）

1 概述

在保证性能、安全性和节约成本的前提下，实现零部件的轻量化，是发展趋势之一。根据轻量化的设计理念，汽车起重机的传动轴也需分析研究，制定出切实可行的轻量化实施方案。传动轴的功用为可靠的传递动力，每台汽车起重机一般具有3 根传动轴，如图1 所示。大吨位多桥汽车起重机每台所需的传动轴数量多达十几根。

图1 汽车起重机传动轴布置图

2 轻量化设计方案

通常，汽车起重机传动轴普遍采用十字轴式万向节传动轴，具有结构简单、传动可靠、效率高等优点，汽车起重机传动轴由法兰盘、万向节、伸缩花键（或中间支承）以及轴管组成，如图2 所示；法兰盘、万向节、伸缩花键、中间支承零部件基本已实现通用化、标准化，不易进行较大的改进，本文以某三轴汽车起重机为研究对象，通过改变轴管的截面积和材质，实现汽车起重机传动轴的轻量化设计。

改进前、后传动轴轴管参数如表1 所示。

图2 传动轴结构示意图

表1 改进前、后传动轴轴管参数

由表1 可见，更传动轴轴管改截面积和材质，3根传动轴总共可降低质量8.6kg，原传动轴Ⅰ、传动轴Ⅱ、传动轴Ⅲ的质量分别为35kg、43kg、28kg，改进后可轻量化约8.1%，降重效果较明显。

3 设计分析

传动轴轴管截面变化后，实现了传动轴轻量化设计的目的，但是需分析校核改进后的传动轴在性能、成本等方面是否改善，否则轻量化设计失去了价值。在传动轴布置不变的条件下，评价传动轴的指标为传动轴的轴管的扭转强度、传动轴的临界转速以及轴管的焊接的焊缝性能；成本的变化主要是轴管原材料的变化。

3.1 扭转强度校核

因传动轴功用为动力的传递，轴管的受力主要为扭转载荷，由材料力学知识有

式中τmax——轴管的最大扭转应力；

Tmax——传动轴的额定传递扭矩；传动轴Ⅰ、传动轴Ⅱ、传动轴Ⅲ的传递扭矩分别为18 000Nm、18 000Nm、12 000Nm；

Wt——轴管抗扭截面系数；

Dc——轴管的外径；

dc——轴管的内径。

轴管强度安全系数n=τmax/[τ]。

其中：[τ]为材料的许用剪切应力，[τ]=（0.6～0.8）σs，取系数为0.7；σs为材料的屈服极限，轴管CZ460、700QZ 材料的屈服极限分别为460MPa、690MPa。

带入数据得到，改进前、后工作过程中传动轴Ⅰ、传动轴Ⅱ、传动轴Ⅲ的剪切应力和安全系数见表2。轴管壁厚减薄，更改为高强度材质的轴管，扭转的强度可以加强。

表2 改进前、后轴管强度参数

3.2 临界转速校核

式中nk——传动轴的临界转速；

Lc——传动轴的支撑长度。

带入数据，得到改进前的传动轴Ⅰ、传动轴Ⅱ、传动轴Ⅲ临界转速见表3。

在传动轴长度、轴管外径一定时，轴管的壁厚越薄，传动轴的临界转速越高，传动轴能在更高速下平稳运行；反之，轴管越厚，传动轴自重大，更容易在低转速达到传动轴弯曲固有频率，临界转速更低。

表3 改进前、后临界转速

3.3 焊缝校核

传动轴的轴管通过焊接的方式连接万向节叉与突元或者万向节叉与花键套。焊缝的剪切应力为

式中τh——焊缝的剪切应力；

F——焊缝处的切向力；

k——焊缝的高度，改进前传动轴Ⅰ、传动轴Ⅱ、传动轴Ⅲ焊缝高度分别为7mm、7mm、6mm；改进后焊缝高度分别为5mm、5mm、4mm；

nh——焊缝的安全系数；

[τ′]——焊缝的许用剪切应力。

改进前、后焊缝强度参数如表4 所示。可见，焊缝高度变小了，但是选用高强度轴管配合的焊丝可以保证焊缝的强度，并得到在一定程度上加强。

表4 改进前、后焊缝强度参数

3.4 成本分析

改进后的轴管价格分析如表5 所示。可见通过改变轴管的厚度，每台汽车起重机可以节约成本33.63 元，按年产3 000 台汽车起重机计算，轴管规格变化，可节约成本约10 万元/年。

表5 轴管价格分析

4 结语

通过减小传动轴轴管的壁厚，并采用高强度材质，在保证性能的前提下，可实现传动轴轻量化设计的目的，降低成本，具有一定实用价值。