浅谈某轻卡车型的传动轴匹配设计

佟 杰

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

浅谈某轻卡车型的传动轴匹配设计

佟 杰

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

汽车万向传动装置的功用是能在轴间夹角及相互位置经常发生变化的转轴之间传递动力，它主要由万向节、传动轴和中间支承组成，文章首先阐述了万向传动轴的主要结构组成、功能及工作原理，然后利用详细数据计算，将传动轴轴管临界转速、扭转应力以及当量夹角等校核匹配，并根据计算匹配结果，选择合适的传动轴规格，对传动系统匹配设计有借鉴意义。

传动轴；匹配设计

Abstract:Cars drive unit is able to transfer power between the shaft that is the angle and the mutual position changes frequently. It mainly consists of universal joints, drive shaft and intermediate support. First, this paper describes constitute the main structure,functions and working principle of the universal shaft. Secondly, with detailed data calculation, designed to fit into the shaft tube critical speed, torsional stress and the angle, etc. Based on the calculated results of design, select the appropriate specifications of the drive shaft. It has reference value on the transmission system.

Keywords: transmission shaft; matching design

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-66-03

1 引言

1.1 万向传动轴的概述与构成

万向传动装置是用来在工作过程中轴间夹角及相对位置不断改变的两根轴间传递动力的装置。其作用是连接不在同一直线上的变速器输出轴和主减速器输入轴，并保证在两轴之间的夹角和距离经常变化的情况下，仍能可靠地传递动力。

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。

传动轴一般由万向节、传动轴和中间支撑组成。

1.2 传动轴装置的设计要求

传动轴的设计必须保证所连接的两轴的夹角及相对位置在一定范围内变化时，能够可靠而稳定地传递动力，并且所连接的两轴需要尽可能等速运转，因万向节夹角而产生的载荷振动和噪声须在允许范围内，在使用车速范围内不能产生共振现象。同时，万向传动装置还应当满足汽车必要的动力性和经济性指标，满足轮廓尺寸和质量小、制造成本低、维修方便等要求。

2 传动轴匹配设计

2.1 整车相关参数

某轻卡车型的相关参数如下：

表1 整车参数表

2.2 传动轴的匹配设计

2.2.1 传动轴承受的扭矩计算

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：

1）以输入端发动机最大转矩和变速器—挡传动比来确定

式中：Temax—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；

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；因此该车型传动轴最大输入扭矩

2）以输出端驱动轮打滑来确定

式中：G—为满载状态下驱动桥上的静载荷（N)；

m—汽车最大加速度时的后轴荷转移系数，取1.1～1.2；

φ—轮胎与路面间的附着系数，一般轮胎的公路用汽车，在良好的混泥土取0.85；

rr—轮胎滚动半径；

ηm—主减速器主动齿轮和车轮之间的传动效率；

i0—主减速比；

im－为主减速器从动齿轮到车轮之间的传动比；

因此该车型传动轴输入扭矩：

其中m=1.2，ηm=1，im=1。

3）根据传动轴承受扭矩的原则应该选择取 Tse和 Tss中较小的为传动轴的计算输入扭矩 TJ，因此 TJ=Tse=1555.8 N·m。

根据传动轴平台定义和本车型传动轴的最大计算输入扭矩可知，传动轴规格选用Φ76×2.5，传动轴外径为76mm，壁厚2.5mm。

2.2.2 传动轴当量夹角计算

2.2.2.1 传动轴当量夹角计算理论依据

传动轴万向节输入轴与输出轴之间有夹角时，输入轴和输出轴之间具有角速度差，且随着角度的增大，角速度差越大，由此产生的系统振动也越大。

图1 万向节输入与输出示意图

传动轴万向节输入轴、输出轴的夹角与角速度关系如下：

因此，在传动轴布置时，应按以下原则来布置：

图2 传动轴布置示意图

1）任何时候当量夹角αe不大于3°；

式中：α1—第一根传动轴与发动机（变速箱）曲轴中心的夹角；

αi-1—第i根传动轴中心线与第i-1根传动轴的夹角；

αi—第i根传动轴中心线与后桥凸缘中心线的夹角；

2）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°；

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。

2.2.2.2 车型传动轴当量夹角计算

根据整车参数，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 传动轴夹角计算参数表

依据发动机定位点、仰角和变速箱轴向长度，可计算或者根据作图法得到变速箱末端（驻车制动器）中心点坐标为X=1288.9，Z=-227.5；然后根据板簧吊耳中心距计算软件和后桥中心点坐标作图法或计算法，可确定不同工况下后桥法兰中心点坐标；再根据四横梁位置、中间传动轴与发动机轴线夹角（一般情况下保证a1为0°），确定中间轴承托架的中心位置，具体作图法如下：

图3 车型传动轴校核示意图

根据作图法计算校核结果如下：

表3 传动轴夹角布置

从传动轴校核结果可以看出：传动轴的空载、满载、超载的当量夹角均小于 3°符合要求。为使一传夹角与发动机轴线在同一直线上，需在四横梁上处增加18mm垫铁或者吊挂。

同时，根据校核结果可知中后传动轴长度：

中间传动轴总成长度为527 mm；

2.2.3 传动轴轴管临界转速计算

当传动轴工作转速接近于其弯曲自然振动频率时，即出现共振现象，以至于振幅急剧增加而引起传动轴折断时的转速称为临界转速。

式中：nk—临界转速；

d—轴管内径；

D—轴管外径；

L—传动轴长度；

因此该车型传动轴临界转速如下：

由于制造中的动平衡控制不好，以及使用过程中的磨损，会导致nk下降，新的传动轴折断转速n折断比nk还要低，n折断/nk=0.92，行驶十万公里后比值降为0.69。因此轻卡设计中，应使传动轴工作转速<0.7倍临界转速nk≥1.5倍工作转速。

当传动轴轴管规格一定时，轴管长度越长转速越低，因此该车型后桥传动轴总成临界转速安全系数满足要求时，中间传动轴总成一定满足设计要求。

其中发动机最高转速3200rpm，变速箱超档速比0.783。

2.2.4 结论

经上述校核计算和传动轴与变速箱、后桥尺寸匹配关系可知：传动轴为双联式十字轴连接，轴管外径为 76mm，壁厚2.5mm；凸缘高（法兰面至十字轴中心距离）为55mm；中间轴承托架为四孔固定，高度 66.5mm；与变速箱、后桥连接的法兰面止口为Φ80，分度圆Φ100；中间传动轴长527mm，满载时后桥传动轴长 1093mm；四横梁出传动轴吊挂垫铁厚 18mm。同时按照此布置，传动轴强度、当量夹角和临界转速等都满足设计要求。

[1] 余志生.汽车理论.[M]机械工业出版社,2000.

[2] 王望予.汽车设计.[M]机械工业出版社,2000.

[3] （日）武田信之.载货汽车设计.[M]人民交通出版社,1997.

[4] 陈家瑞.汽车构造.[M]机械工业出版社,2000.

[5] 臧杰 阎岩.汽车构造·下册.[M]机械工业出版社,2010.

A brief discussion on the design of the transmission shaft of a light truck model

Tong Jie
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-66-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.023

佟杰（1982-），女，助理工程师。就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。