汽车等速驱动轴与变速箱联接的紧定研究

2012-08-29麦承贤

装备制造技术 2012年7期

麦承贤

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

前驱汽车作为乘用车的主体，日益深入普及到人们的工作生活当中，车辆的行驶安全和功能保证，是车辆设计时首要前提。前驱汽车的驱动轴，是动力传动系统中的关键部件，有变向传动和内部滑移伸缩功能，其将变速箱内差速器的半轴齿轮所输出的扭矩和转速接入，经变向之后，传到前轮毂，驱动车轮转动而使汽车行驶。驱动轴大都设计使用等速万向节，所以也常叫做等速驱动轴。等速驱动轴和变速箱之间的联接结构设计，是关系到汽车行驶中动力传递是否稳固，会否出现动力断脱造成车辆行驶事故的关键，需要做到设计保证。

1 等速驱动轴与变速箱的联接型式

等速驱动轴与变速箱之间，需要传递扭矩和转速，就要对两个旋转的轴——变速箱的半轴齿轮和驱动轴的输入轴——进行联接。在这里，两个轴是同轴的，这个联接可以设计成简易化的联轴器。这样的联接在变速箱的差速器部位左右两侧各有一个，分别驱动车辆的左右驱动轴进行转动，进而驱动轮毂和车轮转动，如图1 所示。

图1 驱动轴与变速箱及车轮的布置示意图

相对于变速箱的半轴齿轮和车轮的轮毂这两个旋转轴来说，驱动轴本身就是一个有补偿性能的挠性联轴器。前驱汽车的等速驱动轴与变速箱之间的简易化的轴联接，通常采用的是凸缘联接和花键轴联接。

1.1 凸缘联接

凸缘联接型式如图2 所示，变速箱的动力输出端和驱动轴的动力输入端都设计成凸缘，即带有定心止口的法兰，使用螺栓和螺母紧固。这种联接型式结构简单，拆卸方便，稳固可靠。

图2 凸缘联接型式示意图

1.2 花键轴联接

花键轴联接型式如图3 所示。驱动轴的轴端直接插入变速箱内，与差速器的半轴齿轮接合，驱动轴的轴端加工成一段花键轴，半轴齿轮加工有花键孔，轴和齿轮采用花键来接合传递动力。花键轴在与齿轮花键孔配合长度之外的头部，加工有一个环槽，放入环形弹簧做定位环，将花键轴即等速驱动轴紧定在变速箱内，使其不能随意松脱。

图3 花键轴联接型式示意图

这种联接型式接近于在凸缘联接型式基础上，将变速箱输出联接凸缘及轴转移成驱动轴的部分，使原属于变速箱内部结构的输出凸缘轴与半轴齿轮的联接，转移成驱动轴与变速箱的两大传动系统部件之间的联接。这种花键轴联接型式，相比成本更低，结构也更简单。

凸缘联接型式的驱动轴与变速箱联接，使用螺栓和螺母紧固，稳固可靠，不需多做分析。花键轴联接型式的驱动轴与变速箱联接，只靠驱动轴花键上的定位环来紧定，同时在驱动轴装配、拆卸过程，还需要压缩定位环使配合的花键轴和孔能够接合、脱离，下文将对此联接紧定做逐步地分析研究。

2 等速驱动轴装配和拔出受力分析

2.1 定位环的功能及装配过程变化

定位环是一种环形弹簧，如图4 所示。其自由状态时直径为D1，受到径向的力F 后，产生弹性变形，直径收缩为D2，此时其直径尺寸小于半轴齿轮花键孔小径，可以在花键孔内滑动。

图4 定位环受力直径收缩示意图

如图5 所示，在驱动轴对变速箱的装配过程，定位环在A 点位置碰触到半轴齿轮，受到装配压入力作用而受压收缩直到B 点位置，然后滑动到C 点位置，再随着内孔直径变大而张开直到D 点位置，恢复自由状态。定位环亦是在D 点位置起卡紧作用，将驱动轴紧定在变速箱内。

图5 驱动轴装配、拆卸过程定位环位置变化示意图

反之，驱动轴从变速箱的拆卸过程，是在拆卸拔出力作用下，反方向从D 点压缩到C 点，然后滑动到B 点，再张大恢复到A 点而脱出。

2.2 装配受力分析

在驱动轴装配过程，定位环受到压入力作用而压缩，压缩时的定位环受力状态如图6（a）所示。

图6 驱动轴装配、拆卸过程定位环受力示意图

图中，

P 为驱动轴装配的压入力；

N1为半轴齿轮对定位环的正压反力；

f1为半轴齿轮对定位环滑动的摩擦阻力；

F1为定位环压缩产生的反弹张力；

β 为半轴齿轮对驱动轴压入导向的角度。根据力学知识，有

式中，

μ1为定位环压入时压缩滑动的摩擦系数；

k 为定位环径向压缩弹性系数即刚度；

x1为定位环压入直径尺寸变化压缩量。

由式（1）到式（4），可得

从式（5）可知，压入力P 与定位环的弹性系数k、压缩量x1、压入导向角β、压入摩擦系数μ1有关。

2.3 拆卸受力分析

在驱动轴拆卸过程，定位环受到拔出力作用而压缩，压缩时的定位环受力状态如图6（b）所示。

图中，

Q 为驱动轴拆卸的拔出力；

N2为半轴齿轮对定位环的正压反力；

f2为半轴齿轮对定位环滑动的摩擦阻力；

F2为定位环压缩产生的反弹张力，

θ 为半轴齿轮对驱动轴拔出导向的角度。同样，根据力学知识，有

式中，

μ2为定位环拔出时压缩滑动的摩擦系数；

x2为定位环拔出直径尺寸变化压缩量。

由式（6）到式（9），可得

从式（10）可知，拔出力Q 与定位环的弹性系数k、压缩量x2、压入导向角θ、压入摩擦系数μ2有关。

2.4 压入力与拔出力的关系

由式（5）、式（10），可得

定位环不管是压入过程还是拔出过程，都需要将其直径压缩到等于半轴齿轮花键孔的小径之后，才能通过花键配合部位，也就是说压入压缩量和拔出压缩量是相等的，即x1= x2，则式（11）简化为

设定kj为拔出力对压入力的比率系数，那么即有

通常地，定位环在压入变速箱时，都会粘裹一层润滑油，这样压入、拔出的滑动摩擦系数基本上是相等的，设定定位环相对半轴齿轮的有润滑的滑动摩擦系数为μ，即μ1=μ2=μ，则有

从式（16）可以看出，驱动轴拔出力对压入力的比率系数kj半轴齿轮花键孔的结构尺寸相关，具体地说，就是与拔出导角、压入导角相关。从图7 可以看出，摩擦系数μ 变化，对比率系数kj的值的大小变化影响微小。

图7 比率系数相对摩擦系数变化曲线图

3 合理设定驱动轴的压入力和拔出力

从前驱汽车的生产流程来看，驱动轴的装配是在发动机的模块分装线完成的，而且这一过程很难采用机械手，都是使用人工来完成。这就要求压入力的大小，能够让操作者比较轻松地完成每一次装配动作，符合人机工程。

同时，驱动轴的拆卸拔出力，也要满足车辆行驶安全要求。车辆行驶中，悬挂系统的作用，使车身始终相对车轮上下跳动变化，加上车辆转向时车轮的角度变化，都使驱动轴的内侧即联结变速箱端的等速万向节一直在进行着万向节轴交角变化和中间轴滑移运动。中间轴滑移运动，会拉扯万向节护罩变形，产生拉扯力，拉扯力拉动联接的花键轴产生向外脱出的趋势，当拉扯力等于拆卸拔出力时，联接的花键轴就会脱出。

以目前比较受欢迎的一款小排量轿车的联接参数进行实际计算，仅用各零件尺寸中值，不讨论其尺寸公差，压入和拔出的滑动摩擦系数取相等，最终的设定及计算结果为：

压入力P=150 N；

拔出力Q=418 N。

拔出力对压入力的比率系数kj=2.79。