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基于载货汽车传动轴的应用研究 孙永将 张 铖 （南京依维柯汽车有限公司） 摘 要 本文以载货汽车传动轴为研究对象，以传动轴的安全性、NVH、轻量化为目 的，通过传动轴在整车上的布置需求，确认出其主要设计参数，完成传动轴的优化 设计，为今后传动轴在整车上的设计应用及失效模式分析提供依据。 关键词：传动轴 安全性 NVH 轻量化 载货汽车 前 言 1 传动轴的安全设计 传动轴是载货汽车的一个重要运动部件，其 在不同轴心的两轴间甚至在工作过程中相对位置 不断变化的两轴间传递动力，工作环境比较恶劣， 因此对传动轴材料及性能的安全性有着较高的要 求。 随着汽车技术与制造工艺的发展以及人们物 质生活水平的提高，汽车乘坐舒适性问题日益引 起人们的重视，解决好 NVH（噪声、振动、异响） 问题是改善汽车乘坐舒适性的重要内容，在这之 中控制传动轴的异常振动也是解决车辆 NVH 问 题的关键环节之一。 另外随着传动轴的技术发展，在一些微型车 上已经采用碳纤维等复合材料来制作传动轴，从 而使其相比传统传动轴质量减轻了 60%左右，从 一定程度上起到轻量化的目的。 本文主要通过对载货汽车传动轴的设计使用 进行阐述，达到优化设计的目的，为传动轴在整车 上的设计应用及失效模式分析提供理论依据。 在现代载货汽车中，动力传动形式一般采用 前置后驱式，连接变速器与驱动桥的传动轴采用 轴管、万向节及滑动花键等部件组成；在进行传动 设计时，应根据整车设计和使用工况的要求来具 体设计，万向传动装置应满足如下要求： 1) 联接的两轴相对位置在预计范围内变动时 能够可靠地传递扭矩； 2) 所联接的两轴尽可能等速旋转，两轴之间 夹角所产生的附件载荷、振动和噪声应该降到许 可范围内； 3) 传动效率高，寿命长，结构简单，制造维修 方便。 1.1 整车布置要求 1.1.1 夹角要求 载货汽车由于货箱长度及驾驶室布置的多样 性，导致轴距范围相对较宽，目前普遍采用一根、 两根或者多根的传动轴形式；另外由于悬架在车 辆运行中变形较大，因此目前普遍采用的是可伸 缩的十字轴万向节传动轴。 （1）单个十字轴万向节夹角 α 推荐 十字轴式传动轴采用的是不等速万向节，其 特点是当主、从动轴之间存在夹角时，不能等速传 递转角差，使得主、从动轴的角速度轴性不相等； 如不计万向节的摩擦损失，主、从动轴转矩 T1 和 T2 存在以下关系： （3）多十字轴万向节传动 对于多轴车在考虑上述单个夹角的基础上， 还需要考虑当量夹角，因为万向节传动时的转角 差会引起动力总成支承和悬架弹性元件的振动， 还能引起与输出相连齿轮的冲击及噪声。因此在 设计时候总希望当量夹角尽可能的小，即： 2 2 2 2 2 T2= 1-sin αcos φ T1 cosα 具备夹角 α 时，T1/T2 的矢量互成一角度而不 能自行封闭，此时需要另外一个力矩，即弯曲力 矩，当高速旋转时候其不均匀性加剧产生了惯性 力矩，可能会超过结构许用值。经试验分析当夹角 由 4°增至 16°时，万向节中的滚针轴承寿命将 下降为原来的寿命的 1/4。 因此在载货汽车传动布置时候夹角 α 推荐 允许范围为：满载静止时不大于 6°，行驶中极限 夹角不大于 15°。 （2）双十字轴万向节传动 当输入轴和输出轴之间存在夹角 α 时，存在 如图 1 所示的两种布置形式（图 a 和图 c）；对两 种形式分别附件弯矩作用，形成图 b 和图 d 力矩 示意图，发现图 a 布置的传动轴所受弯矩方向相 同，不能彼此平衡，传动轴在高速旋转时候，存在 弯曲不平衡的风险。 图 1 万向节布置形式及弯矩分析 因此当双十字轴万向节传动时候，一般推荐 αe=姨｜α1±α2±α3±…｜ 载货汽车常见的多十字轴万向节传动一般为 两根式：中间传动轴 + 后桥传动轴；一般推荐为在 空满载两种工况下 αe≤3°。 1.1.2 传动轴动态校核 在完成整车传动轴的布置后，对于后桥传动 轴还需要进行传动轴跳动校核，如图 2，其目的在 于：①传动轴的上下跳动极限位置及最大摆角不 超推荐值（单边 20°）；②空载时单个万向节夹角 不超结构值；③传动花键伸缩量，检查是否脱开或 者顶死。 图 2 传动轴跳动校核 1.2 传动轴管选择 1.2.1 临界转速要求 在长度一定时，传动轴的断面尺寸应保证传 动轴具有足够的强度和足够高的临界转速，以防 止传动轴的工作转速接近弯曲固有振动频率时出 现共振现象，从而导致振幅急剧增加进而引起转 动轴折断。传动轴的临界转速为： 2 2 为：将万向节处于一个平面内，尽量保证 α1 与 α2 相等，并尽量采取图 c 形式布置。 nk=1.2×10 8 姨D +d 2 L nk 为传动轴临界转速（r/min）；L 为传动轴的 支承长度（mm），一般