汽车传动轴总成径向力分析

郗旭光，杜绍权，徐勇，张鹏娜，孙阳



汽车传动轴总成径向力分析

郗旭光，杜绍权，徐勇，张鹏娜，孙阳

（陕西蓝通传动轴有限公司，陕西 西安 710500）

传动轴是汽车传动系的重要总成之一。根据整车布置的要求不同，用于离合器与变速器、变速器与分动箱、变速器与中后桥之间传递动力。其设计应满足相连两轴夹角及相对位置不断变化且可靠而稳定的传递动力。根据使用部位不同，布置角度一般会在0°～30°之间变化。十字轴式万向节传动轴是常用的传动轴结构之一，具有结构简单、传动效率高、使用寿命长、制造方便和维修容易等特点，多用于商用车。十字轴式万向节传动轴由于其结构特点，传动轴布置导致的万向节夹角会产生附加载荷，对整车的振动噪音产生影响，并对相连接的总成如变速箱、车桥等的设计产生影响。文章主要针对十字轴式万向节传动轴在不同的布置角度产生的径向力以及剩余动平衡量产生的径向力进行分析和研究。

运动方程；弯矩方程；径向力；抖动异响

前言

传动轴是汽车传动系统的重要总成之一，根据整车布置的要求不同，用于离合器与变速器、变速器与分动箱、变速器与中后桥之间传递动力；其设计应满足相连两轴夹角及相对位置不断变化且可靠而稳定的传递动力。根据使用部位不同，布置角度一般会在0°～30°之间变化。

十字轴式万向节传动轴是常用的传动轴结构之一，具有结构简单、传动效率高、使用寿命长、制造方便和维修容易等特点，多用于商用车。由于其结构特点，传动轴布置导致的万向节夹角会产生附加载荷，对整车的振动噪音产生影响，并对相连接的总成如变速箱、车桥等的设计产生影响。

随着经济的发展和技术进步，运输市场对高效运输和舒适化的需求不断提高，作为传动系统重要组成部分的传动轴，市场也在轻量化、大扭矩、较低的NVH性能等方面不断提出更高的要求。从售后市场反馈的数据来看，判定为传动轴抖动异响的故障在总故障中占比持续提高，传动轴抖动、异响和万向节总成磨损、烧蚀故障占到故障总数的70%以上，并且重复发生。从处理故障的经验来看，发现、解决发生故障的根本原因，相对比较困难，需要将传动轴故障现象放在整个传动系统中，系统性的分析传动轴的运动、受力和工作状态。

本文希望通过对传动轴的运动状态和受力状态进行分析，针对十字轴式万向节传动轴在不同的布置角度产生的径向力以及剩余动平衡量产生的径向力进行分析和研究。并讨论不同工作状态下的影响。

1 十字轴式万向节传动轴的运动方程

当十字轴式万向节的主动轴与从动轴存在夹角α时（图1a），主动轴的角速度与从动轴的角速度之间变化分析如下：主动轴以等角速度1旋转时，从动轴以变角速度2旋转，以垂直于主动轴的平面为投影面，则从动轴有图1b所示的椭圆形运动轨迹；当主动轴转过角位移1，从动轴会相应的转角位移2；由图1b、c可知：

tanφ1=AC/OAtanφ2=AB/OA

tanφ2/ tanφ1=AB/AC

tanφ2=tanφ1*cosα （1）

式（1）对时间求导，得到主、从动轴的角速度变化关系：

ω2/ω1=cosα /(1-sin2αcos2φ1） （2）

因此，当主动轴以等角速度转动时，从动轴角速度以余玄波型式每转发生2次变化，此即十字轴式万向节传动轴的不等速性。

图1 万向节运动分析简图

2 十字轴万向节传动轴的转矩和弯矩方程

具有夹角α的十字轴式万向节传动轴总成，假设支承是刚性的，在不考虑机械效率损失的情况下，主动轴和从动轴传动功率相等，主动轴的转矩T1和从动轴的转矩T2 与各自的角速度，有以下关系：

T1*ω1=T2*ω2 （3）

将式（3）代入式（2）得到从动轴与主动轴的转矩关系：

T2=T1*(1-sin2αcos2φ1）/cosα （4）

由于主、从动轴间夹角α的存在，主动轴转矩T1和从动轴转矩T2是作用在不同平面上的，所以，在各自的工作平面内，还有附加弯矩T1'和T2'；T2'垂直于轴管轴线方向（见图2）。

图2 附加弯矩分析简图

T2’=T2*tanα=T1*sinα （5）

3 传动轴径向力分析

3.1 剩余不平衡量产生的径向力

传动轴在设计过程中，一般是相对旋转轴线对称的，但是在生产和装配过程中，由于工艺能力的因素，会产生回转中心和质心不重合，就会产生不平衡量，这种不平衡量通常称作初始不平衡量。动平衡就是按规定的平衡品质级别纠正和控制剩余不平衡量的过程。大多数情况下，剩余不平衡量总是存在的，因此，由于剩余不平衡量的存在，传动轴会产生垂直于回转轴线的径向力。

我们可以用离心力的公式来研究传动轴剩余不平衡产生的惯性力：

F=M*r*ω2令 M*r=Uper

F=Uper*ω2（6）

式中：F: 离心力；

M：不平衡质量；

r：不平衡质量局距回转中心的半径；

Uper：许用不平衡量；

表1 在不同许用不平衡量的条件下，不同工作转速产生的径向力

3.2 附加弯矩产生的支承径向力

由于缺少车辆在使用过程中常用的传动轴转速和工作扭矩，本文采用列举的方式进行对比分析。传动轴许用不平衡量越大，产生的径向力越大，从表1可以发现，传动轴的许用不平衡量140gcm，在传动轴工作转速2500rpm时，产生的径向力为96N；同样的工作转速下，许用不平衡量越大，径向力越大，许用不平衡量达到280gcm，产生的径向力也增加1倍，达到192N；一般认为，传动轴的动平衡效果差，是造成整车的抖动、异响的主要原因之一。通过分析，我们发现，传动轴动平衡效果差造成的整车抖动、异响，其根本原因是由于传动轴不平衡量在传动轴工作过程中产生的径向力。

图3 附加弯矩产生的支承径向力

T2’=F*L=T1*sinα

F=T1*sinα/L

表2 传动轴不同布置角度、不同工作扭矩的情况下产生的径向力，L=1m

从表2也可以发现，传动轴在工作过程中存在夹角α时，同样也会产生径向力，这也是十字轴式万向节传动轴的结构特点决定的。在常用布置角度3°的时候，径向力明显大于许用不平衡量，因此在分析由传动轴诱发的整车抖动异响时，传动轴在布置设计和使用过程中产生的输入、输出轴夹角的变化，也可以作为可能的原因进行分析，这恰恰是我们在分析传动轴故障时较少考虑的因素。

径向力的存在，不仅仅会影响整车的抖动异响，会造成万向节的早期磨损、烧蚀故障；中间支承总成的轴承故障。

4 结论

结合某重型卡车传动轴的分析，对不同工作转速、布置角度和工作扭矩下产生的径向力进行了分析对比，得出以下结论：（1）传动轴不平衡引起的抖动异响的根本原因是因为传动轴不平衡量在传动轴工作时产生的径向力；（2）相对于动平衡后的剩余不平衡量产生的径向力，布置角度增大产生的径向力相对较大；（3）随着布置角度的增大，径向力相应变大。传动轴径向力的研究，对传动轴在整车上的布置、传动轴引起的整车抖动分析、变速器、车桥输出、输入轴支承力的核算有一定的参考价值。

[1] 蒋美华.童敏勇装载机总体布置的可行性分析研究.工程机械, 2006（8）.

[2] 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册.基础篇.人民交通出版社,2001.

[3] GB/T9239.1-2006.机械振动.（恒态）刚性转子平衡品质要求.第一部分:规范与平衡允差的检验.中国标准出版社,2007.

[4] 孙志成,王银.传动轴不平衡振摆的分析及处理.汽车维修[J],2002年5月.

Radial force analysis of automobile transmission shaft assembly

Xi Xuguang, Du Shaoquan, Zhang PengNa, SunYang

( Shannxi LanTong transmission shaft Co., LTD, Shannxi Xi'an 710500 )

The transmission shaft is one of the important assembly of automobile drive system. It is used to transfer power between clutch and transmission, transmission and transmission box, transmission and middle and rear axle according to different requirements of vehicle layout. The design should meet the changing and reliable and stable transmission power of the Angle and relative position of the two shafts. According to the different parts of use, the layout angle will generally change between 0°～30 °. The cross shaft type universal joint transmission shaft which is used for commercial vehicles is one of the commonly used transmission shaft structures. It has the characteristics of simple structure, high transmission efficiency, long service life, easy to manufacture and easy maintenance and so on. Because of its structural characteristics, the angle of the universal joint caused by the transmission shaft layout will produce additional load, which affects the vibration noise of the whole vehicle, and influences the design of the connected assembly, such as the gearbox and the bridge. In this paper, the radial force produced by different layout angles and the radial force produced by the residual balance are mainly analyzed and studied.

Motion equation; Bending-moment equation; Radial force; Dithering noise

B

1671-7988(2018)18-71-03

U467

B

1671-7988(2018)18-71-03

CLC NO.: U467

郗旭光，就职于陕西蓝通传动轴有限公司技术中心。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.025