等速驱动轴花键强度分析与应用

孟祥伟

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

引言

现代经济型轿车大都采用前轮驱动的布置型式，等速驱动轴是其中的关键部件之一，将发动机经变速箱输出的动力输出到车轮，从而驱动整车前进或倒退，其结构强度与工作性能的好坏直接影响到整车的工作可靠性。等速驱动轴一端与变速箱相连接，可以轴向滑动和摆动，称为移动节；另一端与轮毂单元相连接，不能轴向滑动，可以绕中心点摆动，称为固定节。

图1 等速驱动轴总成

移动节与变速箱、固定节与轮毂单元都是靠渐开线花键连接并传递动力。因此，渐开线花键的强度决定等速驱动轴传递动力的能力，在等速驱动轴方案设计阶段需要对渐开线花键强度进行校核。主要从花键齿面接触强度、花键齿根弯曲强度、花键齿根剪切强度三个方面校核分析。

1 花键的受力分析

图2 渐开线花键连接的理论位置

发动机输出的动力，经离合器、变速箱传递到驱动轴，通过驱动轴传递到车轮，花键只承受转矩T，不承受压轴力。在传递的转矩T的作用下，一侧的齿面彼此接触、侧隙相等。同时，由于渐开线花键的自定心作用，内花键与外花键的两轴线仍是同轴的，如图2所示。所有花键齿传递转矩，承受同样大小的载荷，如图3所示。

图3 渐开线花键载荷分配

2 花键载荷计算

2.1 输入转矩T计算

式中：η—变速器传动效率，取0.95。

Imax—变速器最大总速比。

2.2 名义切向力Ft计算

2.3 单位载荷W计算

3 齿面接触强度计算

3.1 齿面压应力σH计算

式中：

3.2 齿面需用压应力[σH]计算

式中：σ0.2—花键材料屈服强度。

SH—齿面接触强度系数,一般取 1.25～1.5.较重要的及淬火的花键取较大值，一般的未经淬火的花键取较小值。驱动轴花键表面一般进行淬火处理，SH取1.5。

K1—考虑由于传动系统外部因素而产生的动力过载影响系数。对于驱动轴花键，输入和输出端均平稳工作，K1取1.0。

K2—当花键副承受压轴力时，考虑花键副齿侧配合间隙对各键齿上所受载荷影响的系数。对于驱动轴花键，压轴力为零，只承受转矩，K2取1.0。

K3—考虑花键的齿距累积误差（分度误差）影响各键齿载荷分配不均的系数。对于驱动轴花键，花键精度等级按GB/T3478.1标准为6级，K3取1.1。

K4—考虑由于花键的齿向误差和安装后花键副的同轴度误差、以及受载后花键扭转变形，影响各键齿沿轴向受载不均匀的系数。对于驱动轴花键，K4取1.2。

3.3 计算结果应满足下条件，则判定花键齿面接触强度合格

4 齿根弯曲强度计算

4.1 齿根弯曲应力σF计算

式中：SFn—花键齿根危险截面（最大弯曲应力处）的玄齿厚，mm。

S—分度圆齿厚

4.2 齿根需用弯曲应力[σF]计算

式中：σb—花键材料抗拉强度。

SF—弯曲强度的计算安全系数。对渐开线花键取1.0～1.5，驱动轴花键取SF为1.25。

4.3 计算结果应满足下条件，则判定花键齿根弯曲强度合格

5 齿根剪切强度计算

5.1 齿根最大剪切应力τFmax计算

式中：ρ—齿根圆角半径，一般指外花键齿根圆弧最小曲率半径。驱动轴花键一般为0.5mm。

5.2 齿根需用剪切强度[τF]计算

5.3 计算结果应满足下条件，则判定花键齿根剪切强度合格

6 应用实例

某车型动力由发动机输出，经变速器传递到驱动轴花键上，动力总成相关参数如表 1所示。驱动轴花键材料为20CrMnTiH。其抗拉强度σb≥1080MPa，其屈服强度σ0.2≥835MPa，花键副参数如表1所示。

表1 动力总成相关参数

表2 花键副参数

6.1 花键载荷计算

输入转矩：

名义切向力：

单位载荷：

6.2 齿面接触强度校核

齿面压应力：

齿面需用压应力：

根据以上计算结果，满足σH≤[σH]条件，花键齿面接触强度满足要求。

6.3 齿根弯曲强度校核

齿根弯曲应力计算：

需用弯曲应力：

根据以上计算结果，满足σF≤[σF]条件，花键齿根弯曲强度满足要求。

6.4 齿根剪切强度校核

齿根最大剪切应力计算：

需用剪切应力：

根据以上计算结果，满足τFmax＞[τF]条件，花键齿根剪切强度满足要求。

6.5 结论

通过以上校核，本花键齿面接触强度、齿根弯曲强度、齿根剪切强度均满足要求，本花键满足使用要求。

7 总结

本文对等速驱动轴渐开线花键受力做出了分析，并在此基础上提出了花键强度的校核方法，从三个方面预估等速驱动轴花键对整车要求的符合量。为设计工程师在设计之初对轴的强度和尺寸作出较为准确的判断提供依据。

以上校核从理论上判定该驱动轴花键满足整车使用要求。但是，实际使用状况较复杂，一般情况下还要通过实车装配和实车路试验证是否满足使用要求以及强度要求。

[1] 刘维信.汽车设计[M].北京.清华大学出版社.2001.

[2] 刘维信.机械最优化设计（第二版)[M].北京.清华大学出版社.1994.

[3] 王望予.汽车设计(第4版)[M].北京:机械工业出版社.2004.

[4] 孟祥伟.汽车等速驱动轴校核方法研究与应用[J].客车技术,2010,(5):39-42.