传动轴设计指南

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271 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 ，简称等速节 （）。的分类如下（德国分类）:（固定端万向节）一一：椭圆截面滚道:圆形截面滚道:尖拱形截面滚道（移动端万向节）一一：双偏置式万向节: 三球销式万向节: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（仅钢球滚道截面形状不同）:矚莖m * 宀 H 讨 空ni . .1 _ 4-. t 去人Outer racel US RintInner race1.3.1.3移动端球笼式等速万向节（）,如下图所示：内.蚌i球筒形盍hitler race1.3.1.4 移动端球笼式等速万向节（）,如下图所示：滑套密3寸运t an三叉轴承分总成gidm f tmse/n bly轴承架% pi tiers抬环贰曲帝甘卄收TP Housiiiii1.3.1.5 移动端球笼式等速万向节（）：固定节防尘罩阻尼减震圈防尘罩移动节 花键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1编号零件号零件名称单车数量1S12-2203020右等速节驱动轴总成12S12-2203010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2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。A变速箱端连接示意图B刖轮毂端连接示意图Z 2的外球笼花键插入左前转向节带盘式制动器总成3的前轮将左等速节驱动毂的花键槽中，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27010Nm。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 入轴轴在A平面上作旋转运动。输出轴=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 d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d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d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d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。x人渝直亶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：第一万向节两轴间夹 角与第二万向节两轴间夹角相等；第一万向节的从动叉与第二万向节的主动叉 12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，只要存在轴间夹角或，万向节 12 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（3040）,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。的传动与轴间夹角没有关系，如下图所示（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：DRIVE SHAFT的设计DRIVE SHAFT LAYOUT研讨基本尺寸图 E/ROOM LAYOUTDRIVE SHAFTS格研讨开发流程设计宴求规格图的做成强度耐笑.振动噪音试验设计材想书Power PI ant出力年辆各部尺寸车辆重量Speci f icat i 口口的设定评价方法设计改艮改艮方案的具体化y确认试验 2.2基本的设计参数制定改良效果的确认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，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，F 2 11。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。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。左驱动轴序号位置固定节中心坐标参考移动节中心坐标移距以滑岀为负）摆角（空间夹角）1上跳极限(597.90, -632.05, 102.86)(563.865, -293.5, 38.999)0. 82112. 0372满载C599.665, -632.887, 44.369)5. 725. 9883半载C599.844, -632.219, 36.968)6. 4055. 9614空载(600.23, -630, 19.518)8. 0396. 8285下跳极限(601.11, -617.12, -34.72)13. 40713. 77347mm右驱动轴序号位置固定节中心坐标参考移动节中心坐标移距以滑岀为负）摆角（空间夹角）1上跳极限(597.90, 632.05, 102.86)(563.865, -57.5, 38.999)-6. 076. 0442满载(599.665, 632.887, 44.369)-4. 0413. 0193半载(599.844, 632.219, 36.968)-3.36434空载(600.23, 630, 19.518)-1.4393. 4415下跳极限(601.11, 617.12, -34.72)1 6996. 9L=687.3mm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： 4 22. 发动机参数型号：1.3，排量：1.297L最大功率P : 61 6000max最大扭矩T : 114 38004500E max3变速箱参数5 13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4.056前轴荷Qq O满载轴何740、5轮胎参数轮胎型号175/60R14,滚动半径R 0.273mR二、万向节强度计算1 最大驱动力矩T(由发动机最大输出力矩T 传递而来)EGMAXE max, T x i= E max G EGMAXZ114 x 3.545 x 4.0562=820( Nm)i =i x i前轮或后轮驱动G F FD根据行驶方向，最大速比需考虑：i = i前进-F11i = i侄U车R-l2驱动轴最大附着扭矩(由地面附着力通过轮胎传递而来) 前轮驱动：Q 740T= Qf xR xR x9.8xf = x0.273x 1x9.8x 1 = 990(Nm)A max2Ss 2乘用车非乘用车1.01.2前轮驱动后轮驱动1.01.23驱动轴需要承载的最大力矩手动变速：因为：T 200HznL234321右轴：f 沁 0.202 x 107 x、D2 + d 2 = 0.202 x 107 x 辽=110.3Hz 图5距离比的作用效果600从图 5 可以看出，当减震圈安装在传动轴中部1/3区域时，其作用效果并无多大差 异；当减震圈安装位置超出传动轴中部1/ 3区域时，其改善作用显著降低。不过，如果 减震圈必须安装在传动轴中部1/3以外的区域，我们可以通过显著加大质量比、改变调 谐比等措施强化减震圈的作用效果。2. 减震系统的结构形式按照配置方式，分为内置式和外置式两种，如图 6、7 所示。内置式减震圈通常位于轴管式传动轴内，结构简单，但装配工艺较为复杂。外置式 减震圈通常用于中间轴是实心轴或者直径较小的空心轴上，装配工艺简单，但减震圈的 结构尺寸及安装位置往往受到底盘空间的制约。轴管支架檬胶件银圈图6内置式减振圈装置突轴夹*9 夹缠ffl7外置罠减振圈装置2.2.6.2 空心管传动轴为了提高传动轴的故有频率，可以将实心轴杆换成空心轴如下图所示，其计算公式 在2.2.2 中模态计算已经有所讲解。2.3 台架试验根据2.2 计算得出的万向节性能参数需要依靠台架试验进行验证，以确保理论计 算与实际试验的测量结果相一致。试验的标准可以参照企业标准、行业标准或者国标来 制定，也可以与万向节生产厂家共同制定。2.3.1 等速万向节驱动轴台架试验等速万向节驱动轴台架试验可参考奇瑞公司企业标准.04.279 及奇瑞等速驱动轴总 成技术条件。试验项目如下：性能试验包括静扭强度试验、扭转疲劳试验、耐久性磨损 寿命试验、护套常温性能试验、护套高温性能试验、护套低温性能试验、护套旋转膨胀 量试验、表面防护试验及中性盐雾试验等；功能试验包括圆周扭转间隙试验、轴向间隙 试验、旋转力矩试验、摆动力矩试验、摆角试验、位移量试验、滑移线试验、移动力试 验等。2.3.2 十字轴式万向节传动轴台架试验十字轴式万向节传动轴总成台架试验可参考行业标准523 ( 3741)。试验项目如下：(1) 静态跳动量试验将传动轴安装在试验装置上，用手或其它方法慢速旋转，测量其相对旋转轴心跳动 量。(2) 剩余不平衡量将传动轴安装在试验装置上，按规定的转速旋转，测量其剩余不平衡量。(3) 临界转速试验将传动轴安装在试验装置上，使它旋转或激振，测量临界转速或共振频率。(4) 扭转间隙试验将传动轴安装在试验装置上，一端固定，另一端施加规定扭矩，测量其周向间隙。(6) 静扭转刚性试验将传动轴安装在试验装置上，测定其静扭转刚度。(7) 静扭转强度试验将传动轴安装在试验装置上，测定它的静扭转强度。(8) 冲击强度试验将传动轴安装在试验装置上，测定其冲击强度。(9) 扭转疲劳试验将传动轴安装在试验装置上，测定其扭转疲劳寿命。(10) 万向节磨损试验将传动轴安装在试验装置上，使其传动，确定其耐磨性及擦伤性。(11) 滑动花键磨损试验将传动轴安装在试验装置上，使滑动花键滑动，确定其耐磨性及耐擦伤性。3 材料及加工用于轿车的等速万向节工作环境十分恶劣，要经受高温气候、低温气候的侵袭及老 化、泥土、砂石、灰尘、油脂的浸泡、腐蚀和冲击，长时间承受高强度、满负荷、高转 速工作。因而要求选用优质材料、采用特种工艺，确保各零部件性能，并能保证密封 性。有足够的安全系数强度、韧性、刚度要好，即具有可靠性和耐久性。润滑良好， 使用能耐高温、低温、高气压低挥发，不易变质的润滑油脂。工作过程中不能产生噪 音和异响。因而钟形壳选用53 或55 号钢，以提高耐磨性、抗扭强度。星形套、保持架 材质为优质低碳合金渗碳钢 20。钢球采用 15。轴杆所用棒料选用优质碳素合金结构钢 40。三销轴叉、轴承架选用优质低碳合金渗碳钢 20。轴承外圈、滚针选用 15。差动弹 簧圈选用 65。两端防尘罩根据运动情况,固定端采用聚脂防尘罩(),移动端采用聚氯丁 二烯橡胶()，保证具有良好的机械性能，能耐高温、低温、酸、碱、油和耐老化性，工 艺加工性好，气密性、减震性高。主要零部件中，钟形壳外花键的热处理变形对产品的 使用性能有重要影响，因而一方面选用优质材料和稳定的正火预先热处理，另一方面花 键采用无切削加工，引进国外花键冷轧机，并进行中频感应热处理。4 图纸模式4.1 尺寸公差形状和位置的未注公差按1184，线性尺寸的未注公差按1804，角度的未注公差按 11335,表面粗糙度符号按1311302,形状和位置公差按11821101。4.1 文字说明十字轴式万向节传动轴技术要求可参照 29082-92。等速万向节传动轴图纸上的说明 包括技术要求、万向节花键参数、零部件明细表、移距摆角曲线图4部分。技术要求的 内容应包含:1. 产品外观2. 表面处理3. 万向节最大摆角4. 总成旋转间隙5. 总成屈服强度、总成静扭强度、总成疲劳强度6. 润滑脂的种类、加注位置及加注量7. 标记标识