傳動軸設計指南

萬向節(jié)和傳動軸設計指南萬向節(jié)和傳動軸設計指南#移動節(jié)擺角和移距關(guān)系曲線：以左 GI節(jié)為例steeringwhiMlan^lfr■0 StMriiigMl洌1anglfr■-494deg Stwringvvheel =*494de烏Itry//藥° Gearbox-sideAnglevs.Pumping-LeftWheel20.015.010.05.0-0<20.0 ' -15.0 ' -100 ' -5.0 'O.'O' 50 ' 100 ' 15.0 ' 20.0tothedifferential<-punnpingleft[mm]->tottiewheel§2.2.5十字軸萬向節(jié)的強度校核在設計十字軸萬向節(jié)時，應保證十字軸頸有足夠的抗彎強度。設諸滾針對十字軸頸作用力的合力為F,貝T2rcos:式中T—傳動軸計算扭矩，取按兩種情況計算的轉(zhuǎn)矩（按發(fā)動機最大扭矩、變速器一檔和按滿載驅(qū)動輪附著系數(shù)為0.8計算）的較小者；r—合力作用線與十字軸中心間的距離；:—萬向節(jié)的最大夾角；十字軸頸根部的彎曲應力為：32dfs

二（d：-d；）式中di—十字軸軸頸直徑；d2—十字軸油道孔直徑；s—力作用點到軸頸根部的距離。彎曲應力應不大于250?350N/mm2。十字軸軸頸的剪應力：

4F4 4兀（di-d2）剪應力應不大于80?120N/mm2。滾針軸承的接觸應力：式中d—滾針直徑（mr）L—滾針工作長度（mr）di—如前所述（mr）Fn—在力F作用下一個滾針所受的最大載荷（N）4.6FiZ式中i—滾針列數(shù)；Z—每列中的滾針數(shù)。當滾針和十字軸軸頸表面硬度在HRC58以上時，許用接觸應力為3000?3200N/mm2。2?傳動軸臨界轉(zhuǎn)速的計算在選擇傳動軸長度和斷面尺寸時，應考慮使傳動軸有足夠高的臨界轉(zhuǎn)速。假設傳動軸斷面為均勻一致、兩端自由支承的彈性梁，由機械振動理論可知，對應其彎曲振動的一階固有頻率的臨界轉(zhuǎn)速為：nK=1.210nK=1.2108,D2dL2式中nK—臨界轉(zhuǎn)速（r/min）；L—傳動軸長度，即兩萬向節(jié)中心之間的距離（mr）Dd—傳動軸軸管的外徑和內(nèi)徑（mr）臨界轉(zhuǎn)速與最大轉(zhuǎn)速之比為安全系數(shù)：6nKnmax3.傳動軸軸管扭轉(zhuǎn)強度的計算軸管的扭轉(zhuǎn)應力：干_16DT：D4-d4式中，T—傳動軸計算扭矩；D、d如前所述。按上式算出的扭轉(zhuǎn)應力不應大于 300N/mm2。4?傳動軸扭轉(zhuǎn)振動的校核萬向節(jié)的角加速度過大時，會引起過大的慣性力矩，從而可能引起傳動系的扭轉(zhuǎn)振動，為不致引起可感覺的振動，一般要求萬向節(jié)的最大角加速度小于 1000rad/s2，也可寫成萬向節(jié)夾角:與角速度「乘積小于31.6。5?傳動軸伸縮花鍵齒側(cè)擠壓應力Tj 2-j [二j]（N/mm）j DiD2Di—D2zljI4八2丿式中：Z—花鍵齒數(shù)；L—鍵齒有效長度，mm;[ -j]—許用擠壓應力，當花鍵齒面硬度大于 HRC35時，伸縮花鍵取[-j]=25?50N/mm2,非滑動花鍵取[；.]=50?100N/mm2?！?.2.6NVH性能計算隨著科學技術(shù)與制造工藝的發(fā)展及物質(zhì)生活水平的提高，汽車乘坐舒適性問題日益引起人們的重視，解決好NVH（噪聲、振動、異響）問題是改善汽車乘坐舒適性的重要內(nèi)容，在這之中調(diào)控傳動軸的異常振動是解決車輛 NVH問題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而安裝減震圈和使用空心管是調(diào)控傳動軸異常振動的主要手段?！?.2.6.1減震圈減震圈是一個質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)，其作用是調(diào)控傳動軸一階彎曲模態(tài)引起的異常振動，但不會影響傳動軸的平衡、扭轉(zhuǎn)等特性。恰當?shù)恼{(diào)節(jié)減震圈的質(zhì)量、剛度、阻尼等參數(shù)，可以阻斷異常振動的傳播途徑，取得優(yōu)異的降噪防振效果。傳動軸的振動通過外端萬向節(jié)、輪轂、懸掛將激振能量傳遞至車身，車身面板受激共振后又將振動能傳入車身腔體，腔體受激共振及發(fā)出隆隆的低頻噪聲。另外，內(nèi)萬向

節(jié)及差速器齒輪嚙合轉(zhuǎn)動的不平衡性還會引起車輛產(chǎn)生波動式耦合噪聲和刺耳的尖叫聲音。此問題可以通過在傳動軸上安裝減震圈來解決。如圖 1所示，可以看出安裝減震圈后明顯的改變和調(diào)控了傳動軸的振動特性曲線。so. O4O40 I | 】 I 1000 2000 3QM 4000 5000 6QW岌請機輔速Erpm)圖1減振圈的作用效果與傳動軸一樣，由鋼鐵質(zhì)量、橡膠彈簧組成的減震圈也是一個具有本身故有頻率的振動系統(tǒng)。減震圈與傳動軸構(gòu)成的組合系統(tǒng)將具有兩個共振頻率，分別位于原傳動軸的共振點兩側(cè)，而且組合系統(tǒng)的兩個新共振頻率及振幅可以通過減震圈的質(zhì)量、固有頻率和阻尼系數(shù)來調(diào)制。減震圈的特征參數(shù)可以優(yōu)化調(diào)節(jié)的減震圈特性參數(shù)包括：鋼圈質(zhì)量、共振頻率、阻尼系數(shù)及安裝位置在這些參數(shù)中，只有鋼圈質(zhì)量可以隨意選取，其余參數(shù)應根據(jù)傳動軸系統(tǒng)動態(tài)響應的優(yōu)化算法來確定。⑴減震圈的質(zhì)量減震圈的質(zhì)量，通常用其與傳動軸等效質(zhì)量之比來表示。該質(zhì)量比控制著傳動軸減震圈系統(tǒng)的兩個共振頻率之間的距離，一般情況下質(zhì)量比越大兩共振峰值相距越遠。如圖2所示：0Lr30201?0Lr30201?Q I ■? ■ 」 1000 20003000 50006000rpm?圖2質(zhì)量比的作用效杲對于一階彎曲模態(tài)來說，傳動軸的等效質(zhì)量近似等于中間軸桿質(zhì)量的一半。舉例來

說，質(zhì)量比為0.25意味著減震圈的質(zhì)量大約為傳動軸中間軸桿質(zhì)量的 1/8。從圖2可以看出，質(zhì)量比大，可以在較大的帶寬內(nèi)發(fā)揮減震圈的抑制傳動軸振動的作用，但是實際上減震圈質(zhì)量的大小要受到成本、重量及安裝空間的制約，不可能太大。⑵減震圈的共振頻率減震圈的共振頻率與汽車傳動軸共振頻率之比稱為調(diào)諧比。 調(diào)諧比的變化不但影響兩峰值點的軸向位置，而且影響兩峰值點的相對大小。兩峰值點的間距由質(zhì)量比決定，基本保持不變，如圖3所示：501000 200G 3000 40005000 6000（rpm）圖3調(diào)諧比的作用效果從圖3可以看出，當調(diào)諧比大于1時，系統(tǒng)的振動特性曲線向高頻段移動，高端峰值減小，低端峰值增大；當調(diào)諧比小于1時，結(jié)果正好相反；當調(diào)諧比等于1時，理論上可以取得最大的汽車傳動軸振動響應抑制作用。但是當發(fā)動機低速運轉(zhuǎn)時，路噪和風噪相對較強，所以實際上我們通常選取的減震圈調(diào)諧比總是小于 1。⑶減震圈的阻尼特性減震圈的阻尼大小對其使用效果起著舉足輕重的作用， 通常用耗散因子表示阻尼的大小。汽車傳動軸本身的阻尼主要來源于等速萬向節(jié)內(nèi)部的摩擦損耗，其一階彎曲模態(tài)的耗散因子一般為0.1?0.15。增大減震圈的耗散因子可以減小傳動軸的共振峰值，女口圖4所示。當減震圈的耗散因子等于或小于傳動軸本身的耗散因子時， 組合系統(tǒng)的一個或兩個共振峰值將非常接近原傳動軸的一階共振峰值。 因此，減震圈的耗散因子不能小于0.12，最好大于0.2。

1020102020003000^00050006000rpm)圖4阻尼比的作用效果⑷減震圈的安裝位置從理論上來說最佳安裝位置在傳動軸中部，但實際上由于周圍空間的限制，減震圈通常安裝在固定節(jié)附近，如圖5所示，表示不同安裝位置的減震圈傳動軸系統(tǒng)傳遞給輪轂的作用力大小。6001000 2000 3000WOO5000600發(fā)勒機報建(rpm)圖5跆離比的作用效杲從圖5可以看出，當減震圈安裝在傳動軸中部1/3區(qū)域時，其作用效果并無多大差異；當減震圈安裝位置超出傳動軸中部1/3區(qū)域時，其改善作用顯著降低。不過，如果減震圈必須安裝在傳動軸中部1/3以外的區(qū)域，我們可以通過顯著加大質(zhì)量比、改變調(diào)諧比等措施強化減震圈的作用效果。減震系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式按照配置方式，分為內(nèi)置式和外置式兩種，如圖 6、7所示

內(nèi)置式減震圈通常位于軸管式傳動軸內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單，但裝配工藝較為復雜。外置式減震圈通常用于中間軸是實心軸或者直徑較小的空心軸上，裝配工藝簡單，但減震圈的結(jié)構(gòu)尺寸及安裝位置往往受到底盤空間的制約。軸管**檬膠件鋼圏実輸夾豪徹膠件知ffl6內(nèi)置式減振圈裝笛軸管**檬膠件鋼圏実輸夾豪徹膠件知ffl6內(nèi)置式減振圈裝笛圖7外置式減振圈袋置§2.262空心管傳動軸為了提高傳動軸的故有頻率，可以將實心軸桿換成空心軸如下圖所示，其計算公式在§2.2.2中模態(tài)計算已經(jīng)有所講解。§2.3臺架試驗根據(jù)§2.2計算得出的萬向節(jié)性能參數(shù)需要依靠臺架試驗進行驗證，以確保理論計算與實際試驗的測量結(jié)果相一致。試驗的標準可以參照企業(yè)標準、行業(yè)標準或者國標來制定，也可以與萬向節(jié)生產(chǎn)廠家共同制定?！?.3.1等速萬向節(jié)驅(qū)動軸臺架試驗等速萬向節(jié)驅(qū)動軸臺架試驗可參考奇瑞公司企業(yè)標準 Q/SQR.04.279及奇瑞等速驅(qū)動軸總成技術(shù)條件。試驗項目如下：性能試驗包括靜扭強度試驗、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗、耐久性磨損壽命試驗、護套常溫性能試驗、護套高溫性能試驗、護套低溫性能試驗、護套旋轉(zhuǎn)膨脹量試驗、表面防護試驗及中性鹽霧試驗等；功能試驗包括圓周扭轉(zhuǎn)間隙試驗、軸向間隙試驗、旋轉(zhuǎn)力矩試驗、擺動力矩試驗、擺角試驗、位移量試驗、滑移線試驗、移動力試驗等?！?.3.2十字軸式萬向節(jié)傳動軸臺架試驗十字軸式萬向節(jié)傳動軸總成臺架試驗可參考行業(yè)標準 QC/T523(JB3741)。試驗項目如下：靜態(tài)跳動量試驗將傳動軸安裝在試驗裝置上，用手或其它方法慢速旋轉(zhuǎn)，測量其相對旋轉(zhuǎn)軸心跳動量。剩余不平衡量將傳動軸安裝在試驗裝置上，按規(guī)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，測量其剩余不平衡量。臨界轉(zhuǎn)速試驗將傳動軸安裝在試驗裝置上，使它旋轉(zhuǎn)或激振，測量臨界轉(zhuǎn)速或共振頻率。扭轉(zhuǎn)間隙試驗將傳動軸安裝在試驗裝置上，一端固定，另一端施加規(guī)定扭矩，測量其周向間隙。靜扭轉(zhuǎn)剛性試驗將傳動軸安裝在試驗裝置上，測定其靜扭轉(zhuǎn)剛度。靜扭轉(zhuǎn)強度試驗將傳動軸安裝在試驗裝置上，測定它的靜扭轉(zhuǎn)強度。沖擊強度試驗將傳動軸安裝在試驗裝置上，測定其沖擊強度。扭轉(zhuǎn)疲勞試驗將傳動軸安裝在試驗裝置上，測定其扭轉(zhuǎn)疲勞壽命。萬向節(jié)磨損試驗將傳動軸安裝在試驗裝置上，使其傳動，確定其耐磨性及擦傷性?；瑒踊ㄦI磨損試驗將傳動軸安裝在試驗裝置上，使滑動花鍵滑動，確定其耐磨性及耐擦傷性。§3材料及加工用于轎車的等速萬向節(jié)工作環(huán)境十分惡劣，要經(jīng)受高溫氣候、低溫氣候的侵襲及老化、泥土、砂石、灰塵、油脂的浸泡、腐蝕和沖擊，長時間承受高強度、滿負荷、高轉(zhuǎn)速工作。因而要求選用①優(yōu)質(zhì)材料、采用特種工藝，確保各零部件性能，并能保證密封性。②有足夠的安全系數(shù)強度、韌性、剛度要好，即具有可靠性和耐久性。③潤滑良好，使用能耐高溫、低溫、高氣壓低揮發(fā)，不易變質(zhì)的潤滑油脂。④工作過程中不能產(chǎn)生噪音和異響。因而鐘形殼選用cf53或55號鋼，以提高耐磨性、抗扭強度。星形套、保持架材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)低碳合金滲碳鋼20CrMnTi。鋼球采用GCr15軸桿所用棒料選用優(yōu)質(zhì)碳素合金結(jié)構(gòu)鋼40Gr。三銷軸叉、軸承架選用優(yōu)質(zhì)低碳合金滲碳鋼 20CrMnTi。軸承外圈、滾針選用GCr15差動彈簧圈選用65Mn兩端防塵罩根據(jù)運動情況,固定端采用聚脂防塵罩（TPEE,移動端采用聚氯丁二烯橡膠（CR），保證具有良好的機械性能，能耐高溫、低溫、酸、堿、油和耐老化性，工藝加工性好，氣密性、減震性高。主要零部件中，鐘形殼外花鍵的熱處理變形對產(chǎn)品的使用性能有重要影響， 因而一方面選用優(yōu)質(zhì)材料和穩(wěn)定的正火預先熱處理，另一方面花鍵采用無切削加工，引進國外花鍵冷軋機，并進行中頻感應熱處理?！?圖紙模式§4.1尺寸公差形狀和位置的未注公差按GB/T1184-k,線性尺寸的未