汽车等速万向节传动轴总成结构主参数的优化设计

2021-07-29石宝枢蔡星原张荣校张方贵毛阳鑫张献刚

汽车零部件 2021年7期

石宝枢，蔡星原，张荣校，张方贵，毛阳鑫，张献刚

(1.浙江顺加汽车配件有限公司，浙江温州 325409；2.洛阳科通重工机械有限公司，河南洛阳 471003)

0 引言

等速万向节传动轴总成是汽车前(后)桥传动系统中至关重要的、核心的安全部件。由于现代汽车能源结构的多元化，特别是外部环境恶劣、路况复杂，再加上原汽车等速万向节传动轴的设计时，基本上是仿制以往的国外样品，结构不合理，而且技术落后，满足不了传动轴总成乃至整车可靠性等要求，经常出现可靠性差、不耐冲击、先期损坏等质量问题。所以必须用最优化原理和数值计算等方法，对影响等速万向节传动轴性能的一系列结构主参数进行优化设计。

1 整车对传动轴总成的新要求

整车对等速万向节传动轴总成有如下的新要求：

(1)由于路况复杂、外部环境恶劣，要求传动轴总成必须有更高的可靠性。

(2)要求传动轴总成有更高的承载能力和耐久性，即长寿命。

(3)为使整车具有良好的舒适性，传动轴总成应具有良好的平稳性、减小振动和噪声，特别是新能源汽车，由于启动力矩大，要求传动轴总成具有更好的耐冲击性。

(4)由于整车布置的需要，整车留给等速万向节传动轴总成的空间非常有限，为此，要求传动轴总成尽可能小型化。

(5)由于整车节能减排的要求，传动轴总成应尽可能轻量化。

(6)要求等速万向节传动轴总成具有传递转矩精确、灵敏，摆角大、伸缩量大等专业技术要求。

(7)对传动轴总成要有良好的外观质量和耐腐蚀等要求。

2 传动轴总成的主要结构型式

汽车用等速万向节传动轴总成的典型结构是：固定型等速万向节+传动轴+伸缩型等速万向节。而固定型等速万向节一般均采用球笼式等速万向节(BJ型)，伸缩型等速万向节主要有三球销式等速万向节 (TJ型)、双偏置式等速万向节(DOJ型)、交叉槽式等速万向节(LJ型)等结构型式。图1是BJ型与TJ型的组合；图2是BJ型与DOJ型的组合；图3是BJ型与LJ型的组合。

图1 BJ型与TJ型的组合式传动轴总成

图2 BJ型与DOJ型的组合式传动轴总成

图3 BJ型与LJ型的组合式传动轴总成

3 传动轴总成的优化设计

3.1 优化设计原理

传统设计过程就是人工试凑和定性分析比较的过程，并不是根据某种理论精确计算出来的，实践证明，传统设计的方案，大部分都有改进、提升的余地，并不是最佳的设计方案。而作为一项设计，不仅要求方案可行、合理，而且应该是某项指标达到最优的理想方案，并从大量可行设计方案中寻找一种最优化方案。从而实现以理论设计代替经验设计，以精确计算代替近似计算，以优化设计代替一般的安全寿命的可行性设计。

3.2 优化设计步骤

(1)列出设计变量

文中列出等速万向节传动轴总成中最重要的一系列几何结构参数为设计变量。

(2)给出约束条件

设计空间是所有设计方案的集合，但这些设计方案有些是工程上所不能接受的，所以一个可行设计必须满足某些设计限制条件，即约束条件。如汽车等速万向节传动轴必须满足整车给定的空间、规格及外形结构和尺寸；必须满足各种等速万向节几何结构的原理要求；必须满足各种等速万向节专业性能要求；必须满足各种等速万向节可靠性质量要求；必须满足各种等速万向节工艺性能要求；各种等速万向节传动轴总成零部件几何尺寸取值和精度必须满足标准化的要求；必须满足经济性的要求。

(3)建立目标函数

等速万向节传动轴所有结构参数及匹配可使产品可靠性实现最佳。可以表示成设计变量的一个可计算函数。

(4)抽象成数学模型

在明确设计变量的约束条件、目标函数之后，优化设计问题可以表示成一般数学形式。

(5)求解

在建立目标函数和数学模型后即对各参数的数学模型进行求解，即求极值(最大及最小)。

3.3 传动轴总成优化设计

3.3.1 球笼式等速万向节

球笼式等速万向节各主要参数的数学关系式，文献[1-3]均已列出。文中给出最常用的极限转角为47°时的一系列主参数的具体关系式。

如果钟形壳最大外径Dz已知，则球笼式等速万向节各主要参数的具体计算式分别为：

(1)钢球直径为：

Dw=0.2Dz

(1)

式中：Dz为钟形壳最大外径,mm;

Dw为钢球直径，mm。

(2)传动轴公称直径为：

d=1.5Dw

(2)

式中：d为传动轴的公称直径，mm。

(3)球组节圆直径为：

DQj=3.5Dw

(3)

式中：DQj为球笼式等速万向节球组节圆直径，mm。

(4)钟形壳球面中心至外端面的距离为：

L1=Dw

(4)

式中：L1为钟形壳沟道中心至外端面的距离，mm。

即球面中心位于沟道宽度中心处。

(5)钟形壳沟道轴向长度为：

L=2Dw

(5)

式中：L为钟形壳沟道轴向长度，mm。

(6)钟形壳和星型套沟道至其球面中心距离(偏心距)为：

eQ=0.25Dw

(6)

式中：eQ为钟形壳和星型套沟道与其球面中心的距离，mm。

(7)钟形壳沟道底部直径为：

Dkg=4.5Dw

(7)

式中：Dkg为钟形壳沟道底部直径，mm。

(8)星型套沟道底部直径为：

Dxg=2.5Dw

(8)

式中：Dxg为星型套沟道底部直径，mm。

(9)星型套宽度为：

BQx=d

(9)

式中：BQx为星型套宽度，mm。

(10)星型套沟道中心与宽度中心的距离为：

(10)

式中：h为星型套沟道中心与宽度中心的距离，mm;

αmax为球笼等速万向节最大摆角，(°)。

(11)当最大转角αmax=47°时：

h=0.04Dw

(11)

3.3.2 双偏置式等速万向节

双偏置式等速万向节各结构主参数分别为：

(1)钢球直径为：

Dw=0.22Dt

(12)

式中：Dw为钢球直径，mm;

Dt为筒形壳最大外径，mm。

(2)球组节圆直径为：

Dsj=3.25Dw

(13)

式中：Dsj为球组节圆直径，mm。

(3)星型套宽度为：

Bsx=1.3Dw

(14)

式中：Bsx为星型套宽度，mm。

(4)偏心保持架内、外球面中心至宽度中心的距离均为：

(15)

式中：Es为偏心保持架内、外球面中心，mm;

θ为偏心角,一般θ=14°～15°。

(5)偏心保持架内球面轴向长度为：

Bj=Bsx

(16)

式中：Bj为偏心保持架内球面轴向长度，mm。

(6)偏心保持架总宽度为：

Bs=Bsx+2Es

(17)

式中：Bs为偏心保持架总宽度，mm。

(7)偏心保持架内球面直径为：

(18)

式中：Di为偏心保持架内球面直径，mm。

(8)偏心保持架外球面直径为：

(19)

式中：De为偏心保持架外球面直径，mm。

3.3.3 交叉槽式等速万向节

交叉槽式等速万向节结构主参数分别为

(1)钢球直径为：

Dw=0.18Dc

(20)

式中：Dw为钢球直径，mm;

Dc为外圈宽度，mm。

(2)外圈宽度为：

Bc=2Dw

(21)

(3)六交叉槽与轴线的夹角优化设计为12°～14°。

3.3.4 三球销式等速万向节

三球销式等速万向节的主要结构参数分别为

(1)球环的外球面直径为：

dQ=0.45Dk

(22)

式中：dQ为球环外球面直径，mm。

(2)球环宽度为：

(23)

式中：BQ为球环宽度，mm。

(3)滚针组节圆直径为：

Dpw=0.6dQ

(24)

式中：Dpw为滚针组节圆直径，mm。

(4)滚针直径可根据三柱槽壳和球环直径的大小取标准值，可按表1选取。

表1 滚针直径的选取 mm

(5)每列滚针数

每列滚针数可按下式初步确定

(25)

式中：Z为每列滚针数。

(6)滚针间平均间隙和总间隙

每两相邻滚针间的平均间隙为：

(26)

式中：f为每两相邻滚针间的平均间隙，mm。

总间隙为：

(27)

式中：εc为滚针总间隙，mm。

滚针间平均间隙f和总间隙εc应按表2设计计算。

表2 滚针间平均间隙和总间隙 mm

4 优化设计后的效果

按上述原理和方法设计了100余款各种汽车等速万向节传动轴总成，为验证是否达到整车的性能要求，先后进行了扭转疲劳和周期循环寿命等台架试验。并与同类型、同规格的产品进行对比，通过对大量的试验数据和结果的统计分析，得出：同结构、同系列、同规格的汽车等速万向节传动轴总成，优化设计较非优化设计，其承载能力可提升35%～40%。

等速万向节传动轴的使用寿命是承载能力的函数，并且是呈非线性的立方关系。显然，函数(使用寿命)的改变量约等于自变量(承载能力)改变量的3倍。即，若等速万向节传动轴的承载能力提升40%会使其寿命提升120%,或者说经优化设计后的汽车等速万向节传动轴总成的使用寿命是非优化设计的2.2倍。

多年的使用效果，亦和上述的结论吻合。例如：在重庆以山路、坡路为主的道路环境中，几年前非优化的出租车用等速万向节传动轴总成，经常发生各种各样的质量问题，可靠性差、使用寿命较短。各传动轴的经销商只能向客户保用5万km。经过优化设计后，质量问题大幅度降低，甚至长时间使用后，仍无质量问题。显然，可靠性、使用寿命大幅度提升，很多出租车行驶超30万km，仍未见异常。这一使用效果，更加证明了优化设计的汽车等速万向节传动轴可靠性、实用性等优势凸显。