某型6×6越野汽车传动轴设计

高英杰，王 凯，杨 武

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

前言

整车传动轴选型和布置是整车设计中的重要组成部分，传动轴布置合理可以有效地降低传动轴振动，减少冲击，整车乘坐舒适性提高。

传动轴设计应满足以下基本要求：

（1）保证所连接的两轴的夹角及相对位置在一定范围内变化时，能可靠而稳定地传递动力[1]。

（2）保证所连接的两轴尽可能等速运转。由于万向节夹角而产生的附加载荷、振动和噪声应在允许的范围内，在使用车速范围内不应产生共振现象[1]。（3）传动效率高，使用寿命长，结构简单，制造方便，维修容易等[1]。

1 传动轴的结构形式

传动轴由万向节、花键轴叉、花键护套、止口、轴管、万向节叉、挡圈、连接叉组成（如图1），十字轴式万向节由十字轴、注油嘴、防尘罩、油封、滚针、尼龙垫圈、轴承钢碗组成（如图2）。长轴距汽车有时还需要布置中间传动轴[2]。

图1 传动轴总成

图2 十字轴式万向节

整车布置为发动机前置后轮驱动或全轮驱动时，因为悬架上下跳动，变速器或分动器的输出轴与驱动桥输入轴轴线之间的相对位置不断变化，所以一般采用可伸缩的十字轴万向传动轴。

2 传动轴设计

2.1 万向节当量夹角设计

万向节是传动轴的重要组成部分，其布置形式是决定传动轴振动大小因素之一。十字轴万向节所联两轴之间的夹角，原则上越小越好，角度越小传动轴效率越高、使用寿命越长。对于中间传动轴与变速器输出轴或中间传动轴之间的夹角要求小于1°，对于伸缩传动轴两端的夹角要求3°～5°，特殊场合（如桥间传动轴）不超过8°。在4×4及6×6等全驱车上，相比非全驱车布置困难，分动器到前桥与分动器到后桥的传动轴夹角最好不超过12°。

确定传动轴万向节夹角后，则需计算当量夹角：

式中，α1、α2、α3为各万向节的夹角。正负号是这样规定的：当第一万向节的主动叉处在各轴轴线所在的平面内，在其余的万向节中，如果其主动叉与此平面重合定义为正，反之，定义为负[1]。

在布置传动轴时，当量夹角要尽量小，设计时应保证空载和满载工况下的αe不大于3 °。此外，应该限制角加速度幅值，对于小轿车，≤350 rad/s2；对于商用车，

2.2 传动轴轴管设计

2.2.1 临界转速

为了传动轴在低速大扭矩和高速行驶时都能正常可靠地工作，必须保证传动轴有足够的强度和足够高的临界转速，此时要充分考虑传动轴的长度。

实际生产的传动轴不可能绝对平衡，高速转动时，传动轴质量偏心产生的离心力会引起传动轴的弯曲振动。当传动轴的转速等于它自身的弯曲振动固有频率时，便发生共振，振幅急剧增加，甚至使传动轴弯曲折断，此时的转速称为传动轴的临界转速，它决定于传动轴的尺寸、结构及其支承情况[3]。

如果传动轴沿全长截面尺寸理论相同，两端自由刚性支承，那么传动轴的临界转速nk为：

式中：D为传动轴轴管的外径，mm；d为传动轴轴管的内径，mm；L为传动轴的支承长度（取万向节中心距），mm。

为了安全起见，要使传动轴的最高工作转速小于0.7nk。临界转速的公式是近似的，传动轴在使用过程中会出现磨损，平衡被破坏等，这些都会使传动轴的临界转速下降。

2.2.2 扭转强度

传动轴轴管还应保证有足够的扭转强度。轴管的扭转应力τc（MPa）应满足：

式中，T1为传动轴计算扭矩；[τc]为许用扭转应力，[τc]=300 MPa。

3 传动轴布置设计

汽车总布置设计时，应充分考虑传动轴的长度和夹角及它们的变化范围。设计时应注意，传动轴处于最大值时，花键套与花键轴要有充足的配合长度；处于长度最小时，花键套与花键轴不会顶死。夹角的大小影响万向节十字轴、滚针轴承的寿命；传动效率，十字轴旋转的不均匀性。

下面以某型6×6越野汽车传动轴布置为例，校核传动轴计算扭矩、布置传动轴。

3.1 传动轴扭矩计算

通过计算扭矩选择传动轴规格，如果计算扭矩小于实际扭矩，传动轴在使用过程中会出现万向节花键异常磨损、轴管变形，甚至零部件断裂，导致车辆不能行驶；若计算扭矩大于实际扭矩，传动轴质量增加价格上涨，造成资源浪费。

3.1.1 整车相关计算参数

表1 整车相关计算参数

3.1.2 计算方法

传动轴额定扭矩可采用传动轴的设计计算扭矩为试验扭矩，也就是发动机最大扭矩计算值和最大附着力计算的扭矩值，取二者中较小的扭矩Tmin作为额定扭矩。

（1）发动机最大扭矩计算方法。

变速器到分动器间最大扭矩Tmax为：

分动器到第一桥间最大扭矩Tφ1为：

分动器到第二桥间最大扭矩Tφ2为：

第二、三桥间最大扭矩Tφ3为：

（2）最大附着力计算扭矩。

分动器到第一桥间最大扭矩Tφ1为：

第二、三桥间最大扭矩Tφ3为：

分动器到第二桥间最大扭矩Tφ2为：

变速器到分动器间最大扭矩Tmax为：

取（1）（2）中较小的扭矩Tmin作为额定扭矩：

确定额定扭矩后，需计算传动轴屈服扭矩，屈服扭矩可按照下式计算：

Kd为动载系数，选取原则为公路运输车辆的动载系数选1.5～1.8，矿用车及专用车的动载系数选1.8～2.0，本次越野车设计选取2.0。经计算：

计算出屈服扭矩后，可将结果带入（3）式，确定选取的传动轴是否合适。

3.2 传动轴长度布置

根据整车轴距及发动机定位、变速器长度、分动器布置、驱动桥法兰输入长度确定整车需要的传动轴长度，通常采用作图法（如图3）：

图3 传动轴长度布置图

如图3所示，A点为发动机曲轴中心线与前桥中心线所在横向平面交点，L1为A点到车架下翼面距离，α为曲轴中心线倾斜角度。L2为飞轮壳后端面到A点距离，L3为变速器离合器壳安装面到输出法兰面的距离，L4为传动轴十字轴中心到传动轴法兰面的距离[3]，L5为前后输出法兰面距离，L6为分动器输入法兰与输出法兰中心距，L7为车辆满载时前桥中心到车架下翼面的距离，L8为前桥法兰面到桥中心距离，L9为车辆满载时后Ⅰ桥中心到车架下翼面的距离，L10为后Ⅰ桥前法兰面到后Ⅰ桥中心距离，L11为后Ⅰ桥后法兰面到后Ⅰ桥中心距离，L12为后Ⅱ桥法兰面到后Ⅱ桥中心距离，β1、β2、β3为各自传动轴的万向节夹角。

通过以上作图法即可得出变速器-分动器传动轴轴管长度L变-分，分动器到后Ⅰ桥传动轴轴管长度L分-后Ⅰ，后Ⅰ桥到后Ⅱ桥传动轴轴管长度L桥-桥，分动器到前桥传动轴轴管长度L分-Ⅰ。

上述中, L1，L2，L3，α统一称为发动机定位参数，L5，L6为分动器参数，L7，L8，L9，L10为驱动桥参数，不同车型及布置方式不同影响上述参数。

4 结论

本次设计的传动轴经过台架静扭、疲劳寿命试验，30 000公里越野可靠性试验，验证该车传动轴设计合理，满足使用要求。通过本文的介绍，可为越野车传动轴的设计、选型提供参考、依据。