传动轴设计指南

万向节和传动轴设计指南1奇瑞汽车有限公司乘研三院底盘部设计指南编制：梁晋审核：吕波涛批准：冯贺平万向节和传动轴设计指南2目录§1概述……………………………………………………………………………………2§1.1万向节和传动轴综述……………………………………………………………2§1.2万向节的类型及适用范围………………………………………………………2§1.3万向节结构及工作原理…………………………………………………………2§2设计构想………………………………………………………………………………8§2.1设计原则和开发流程……………………………………………………………8§2.2基本的设计参数制定……………………………………………………………9§2.3台架试验…………………………………………………………………………25§3材料及加工……………………………………………………………………………26§4图纸模式………………………………………………………………………………27§4.1尺寸公差…………………………………………………………………………27§4.1文字说明…………………………………………………………………………27万向节和传动轴设计指南3§1概述§1.1万向节和传动轴综述汽车上的万向节传动常由万向节和传动轴组成，主要用来在工作过程中相对位置不断改变的两根轴间传递动力。万向节传动应保证所连接两轴的相对位置在预计范围内变化时，能可靠的传递动力；保证所连接两轴尽可能同步（等转速）运转；允许相邻两轴存在一定的角度；允许存在一定轴向的移动。§1.2万向节的类型及适用范围万向节按其在扭转方向上是否由明显的弹性可分为刚性万向节和挠性万向节。刚性万向节又可分为不等速万向节（常用的十字轴式），准等速万向节（双联式、三销轴式等）和等速万向节（球叉式、球笼式等）。等速万向节，其英文名称为ConstantVelocityUniversalJoint，简称等速节（CVJ）。CVJ的分类如下（德国分类）:FixedJoint(固定端万向节)——AC：椭圆截面滚道——RF:圆形截面滚道——UF：尖拱形截面滚道PlungingJoint(移动端万向节)——DOJ：双偏置式万向节——GI:三球销式万向节——VLJ：斜滚道球笼万向节以上是乘用车常用等速节的英文及德文缩写，对应着不同的结构与性能，这在下边的章节中会提到。在发动机前置后轮驱动（或全轮驱动）的汽车上，由于工作时悬架变形，驱动桥主减速器输入轴与变速器（或分动器）输出轴间经常有相对运动，因此普遍采用万向节传动。在转向驱动桥中，由于驱动轮又是转向轮，左右半轴间的夹角随行驶需要而不断变化，这时多采用球叉式和球笼式等速万向节传动。当后驱动桥为独立悬架结构时，也必须采用万向节传动。万向传动装置除用于汽车的传动系外，还可用于动力输出装置和转向操纵机构。因为轿车普遍采用等速万向节，所以本设计指南重点介绍等速节驱动轴。§1.3万向节结构及工作原理万向节和传动轴设计指南4§1.3.1万向节结构§1.3.1.1十字轴式刚性万向节,如下图所示：§1.3.1.2固定端球笼式等速万向节,如下图所示（AC/RF/UF仅钢球滚道截面形状不同）：§1.3.1.3移动端球笼式等速万向节（DOJ）,如下图所示：万向节和传动轴设计指南5§1.3.1.4移动端球笼式等速万向节（GI）,如下图所示：§1.3.1.5移动端球笼式等速万向节（VL）：万向节和传动轴设计指南6§1.3.1.6等速驱动轴结构上图所示为常见的轿车等速驱动轴结构，包括固定端万向节与移动端万向节及中间花键轴杆，万向节由防尘罩进行密封，内部充入润滑油脂，防尘罩通过卡箍联接固定到万向节与轴杆上，轴杆上装有阻尼减震圈，其作用是在工作中衰减轴杆的振动，从而降低噪声，这个效果也可以通过将轴杆制成空心来实现。驱动轴两侧的花键与轮毂和差速器分别配合联接。传动系的动力经过移动节、轴杆传递到固定节，移动节具有可轴向伸缩的功能，但允许的轴间角度较小；固定节不可以轴向伸缩，但具有较大的轴间角度,以适应转向要求。§1.3.2等速驱动轴的安装方法以奇瑞公司S12+1.3L车型为例，如下所示：固定节防尘罩卡箍阻尼减震圈防尘罩移动节差速弹簧圈花键螺纹花键轴杆1万向节和传动轴设计指南7将左等速节驱动轴总成2的内球笼花键插入变速箱输出端。依靠弹性挡圈涨开与变速箱限位固定。如图A所示。将左等速节驱动轴总成2的外球笼花键插入左前转向节带盘式制动器总成3的前轮毂的花键槽中，如图B所示，通过驱动轴锁紧螺母4将驱动轴总成与前轮毂相连，螺母锁紧力矩270±10N·m。使用工具对准驱动轴外球笼槽口处将驱动轴锁紧螺母4外缘砸入最终锁紧。安装过程中注意对防尘罩的保护，避免被尖锐外物划伤。右等速节驱动轴总成1的安装同左等速节驱动轴总成2的装配方式。§1.3.3万向节的工作原理§1.3.3.1十字轴万向节的工作原理编号零件号零件名称单车数量1S12-2203020AB/BB右等速节驱动轴总成12S12-2203010AB/BB左等速节驱动轴总成13S21-3001007左前转向节带盘式制动器总成14S21-2203205螺母2234变速箱差速弹簧圈34A变速箱端连接示意图B前轮毂端连接示意图万向节和传动轴设计指南8传统型式的万向节，主动轴（即动力输入轴）与从动轴（即动力输出轴）之间通过十字形的关节联接，可以传递不同角度方向上的回转运动。其数学模型如下图所示，输入轴＝ａ轴在A平面上作旋转运动。输出轴＝ｂ轴在B平面上作旋转运动。a轴和b轴在同一条直线上时，a轴和b轴的转速相同。a轴和b轴之间有一定的角度旋转时，当ａ轴从V旋转到W位置（转角为45°）时，b轴从V´旋转到W´位置（转角大于45°）。当ａ轴从W继续旋转到X位置（转角为45°）时，b轴从W´旋转到X´位置（小于45°）。在此90°区间内，从动轴转速大于主动轴转速，且先加速后减速，当a轴转到90°时，b轴也转到90°。当ａ轴从X旋转到Y位置（转角为45°）时，b轴从X´旋转到Y´位置（转角小于45°）。当ａ轴从Y继续旋转到Z位置（转角为45°）时，b轴从Y´旋转到Z´位置（大于45°）。在此90°区间内，从动轴转速小于主动轴转速，且先减速后加速，当a轴转到90°时，b轴也转到90°。下一个180°的运动情况重复上述过程。由此可见，主动轴以等角速转动时，从动轴转动则是时快时慢，即指单个十字轴万向节在有夹角时传动具有不等速性。这里所谓的“传动的不等速性”，是指从动轴在运转一周的过程中角速度不均而言，而主、从动轴的平均转速是相等的，即主动轴转过一周，从动轴也转过一周。单个十字轴万向节在有夹角时传动具有不等速性，将使从动轴及与其相连的传动部件产生扭转振动，从而产生附加的交变载荷，会影响传动系零部件寿命。为了实现两轴间的等角速传动必须使用两个十字节，并且满足以下两个条件：①第一万向节两轴间夹角1与第二万向节两轴间夹角2相等；②第一万向节的从动叉与第二万向节的主动叉处于同一平面内。这样，第一个十字节的不等速效应就会被第二个十字节的不等速效应所抵消，最终取得两轴等速的效果。在双十字节使用中，针对每一个十字节而言，只要存在轴间夹角1或2，万向节在工作过程中内部零件之间就有相对运动，因而导致摩擦损失，降低传动效率。夹角越大，则效率越低。§1.3.3.2等速万向节的工作原理万向节和传动轴设计指南9上述双万向节传动虽能近似地解决等速传动问题，但在某些情况下，例如转向驱动桥的分段半轴间，在布置上受轴向尺寸限制，不可能布置双万向节，而且转向轮要求偏转角度大（30°～40°），因而上述双万向节传动已经难以适应，况且十字节的运转噪声大，转向效果也差。所以需要利用一个万向节便能实现等角速传动，因而出现了等速万向节。CVJ的传动与轴间夹角没有关系，如下图所示（AC节），当输入轴A与输出轴B的轴间夹角发生变化时，6个传动钢球的中心始终位于夹角的平分面上，因此，钢球中心到A、B轴的垂线段长度相等，而钢球在A轴的回转面A面与在B轴的回转面B面的啮合点位于钢球中心，所以两轴的角速度相同。§2设计构想§2.1设计原则和开发流程对于转向驱动桥,前轮既是转向轮又是驱动轮,作为转向轮,要求驱动轴固定节能在最大转向角范围内任意偏转到某一角度;作为驱动轮,则要求驱动轴在车轮偏转过程中不间断地把动力从差速器传递到车轮。因此转向驱动桥的驱动轴不能制成整体而要分段,中间用万向节连接,以适应汽车行驶时驱动轴各段的交角不断变化的需要。若采用独立悬架,则在靠近差速器处也需要有万向节;若采用非独立悬架,只需要在转向轮附近装一个万向节。等速驱动轴设计开发流程见下图：万向节和传动轴设计指南10§2.2基本的设计参数制定驱动轴基本的设计参数包括万向节的结构和规格，与差速器和轮毂的接口尺寸、万向节中心距、移距-摆角参数，强度、刚度和耐久性寿命的计算校核，NVH性能计算等等。一般来讲驱动轴的布置是在强度、刚度及耐久性计算完毕，选定万向节结构和规格后进行的，但是考虑到以上计算中使用到的一些参数是在布置后确定下来的，所以我们首先介绍驱动轴的布置。§2.2.1驱动轴的布置在结构上，由于悬挂系统的上下运动，使万向节的角度发生变化，同时从变速箱端到车轮端的驱动轴有效工作长度发生变化，如下图所示，ｒ2＞ｒ1。针对这一变化，要求驱动轴位于变速箱侧的万向节具备一定量的轴向伸缩滑移功能，同时具有一定量的摆角，以保证悬挂系统工作时可以正常的传递动力。这个滑移和摆角功能经过量化，便成为了移动节的移距-摆角功能曲线。万向节和传动轴设计指南11下面以奇瑞公司S18+1.3L的驱动轴布置为例进行说明。S18+1.3L驱动轴的布置流程在驱动轴内外端万向节的主要结构及接口尺寸确定之后，万向节的中心点也就确定了。在Catia软件中将外球笼数模与前转向节带盘式制动器总成、前滑柱的数模在整车坐标系下进行装配。模拟前悬架的运动行程，从而找到前悬架上跳极限、满载、半载、空载、下跳极限时所对应的外球笼中心点坐标，并将其记录下来。同时，将内球笼与差速器的数模在整车坐标系下进行装配，找到内球笼的中心点坐标，并将其记录下来。（注：因内球笼为移动节，在滑移过程中其转动中心的位置是动态变化的，所以这里记录的只是一个参考中心点的坐标）如下图所示：根据以上布置图，记录左、右驱动轴万向节的中心点在各个运动位置的坐标，并测量相应位置的内外端万向节中心距，编制如下表所示的布置数据。通常选择满载与空载位置下的内外端万向节中心距的平均值作为轴杆的特征长度，以此长度为半径，各位置固定节中心为球心，求得与差速器轴线的交点，此交点与参考移动节中心的位移为移距（滑出为负），然后将固定节中心与相应交点连线，测量连线与差速器轴线的夹角。外球笼因为不具有伸缩滑移功能，所以只测量轴杆与轮毂轴线的夹角。左轴右轴万向节和传动轴设计指南12将上表中所测量的各位置移距与摆角数据，与所选定的移动节的移距-摆角功能曲线做对比，如果测量的数据合理的分布在功能曲线内，即表示布置成功，否则便要重新调整轴杆长度或者选择新的万向节结构。§2.2.2驱动轴的性能参数计算驱动轴的性能计算主要是万向节的性能计算，决定于整车的质量参数、发动机的参数、传动系的参数及轮胎的参数等等，主要涉及静扭转强度、扭转疲劳强度、耐久性磨损寿命及NVH性能等等。以奇瑞公司S18+1.3L车型驱动轴性能计算为例进行说明，如下：一、设计输入参数1.车辆类别：242.发动机参数型号：1.3NA,排量：1.297L最大功率maxP：61KW/6000RPM最大扭矩maxET：114Nm/3800～4500RPM3．变速箱参数QR513MHA变速箱参数(汽油机)项目传动比一档速比3.545二档速比2.050三档速比1.423四档速比1.065五档速比0.865倒档速比3.364主减速比4.0564．质量参数万向节和传动轴设计指南13前轴荷RQ（Kg）满载轴荷7405．轮胎参数轮胎型号175/60R14,滚动半径RR0.273m二、万向节强度计算1．最大驱动力矩EGMAXT（