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轿车等速万向节驱动轴总成的设计分析

瓦房店轴承集团公司(辽宁瓦房店 116300) 石宝枢 杨洪香

轿车等速万向节驱动轴总成的结构设计是一个很复杂的设计程序,是根据车型和整车的布置需要进行的方案及结构类型选择。一旦方案确定后,再根据整车及悬架等有关结构参数确定其结构尺寸,然后根据悬挂运动学原理确定驱动轴及万向节的长度尺寸及内、外节的转角和伸缩行程,还要进行内部结构、尺寸和强度等的设计计算。而如何进行上述过程,本文将做如下分析。

1 等速万向节结构类型的选择

1.1 轿车前转向驱动桥的结构特征

如图1所示,当发动机的动力传到前桥中央传动和差速器后,平均分配给两侧半轴,然后再经

等速万向节和前轮毂带动前轮,进而完成驱动和转向的功能。

1.2

等速万向节结构类型的选择

1-固定端万向节;2-驱动半轴;3-差速器;4-滑移端万向节;5-驱动半轴;6-驱动轮;7-固定端万向节;8-滑移端万向节

图1 轿车前转向驱动桥结构图

如图2所示,当轿车在不平路面上行驶而轮受到冲击时,就可以借助可轴向伸缩的万向节来吸收冲击能量,从而缓和传到机体上的冲击,以保证两前轮始终同时着路,具有一定的缓冲作用。一般前桥内侧的可轴向伸缩的万向节有交叉滚道式、三柱轴式和双偏置式等几种万向节,极限转角可达20b,伸缩量可达?20mm。

如图3所示,由于前桥还要担负转向的任务,转向时,前轮要绕着转向节转动一个角度,在这种情况下,外侧的前轮由等速万向节可以保证前桥的半轴和差速器之间等角速传递动力。这时,一般选用最常见的球笼式万向节,其极限转角可达40b。

1.3 球笼式万向节与轮毂的联结

球笼式万向节与轮毂联结的典型结构如图4所示,球笼式万向节钟形壳的外花键轴部分与前轮毂内花键配合,

轴端通过锁紧螺母和垫圈锁紧。

17图2 轿车在不平路面时驱动轴的倾斜

钟形壳和轮毂均有密封圈,由于轮毂同时承受径向和轴向载荷,一般常用一对圆锥滚子轴承或者双列角接触球轴承,其外径与转向节内径过渡配合,轮毂法兰盘与驱动轮辐板通过螺栓联结,这样钟形壳、轮毂和驱动轮成为一体,进而完成驱动和转向的功能。

计算出来的临界转速的安全系数(临界转速n与发动机最高转速n发之比)不得低于1.5,或n应比n发高出70%~80%。这是因为在制造中的动平衡质量和使用后的磨损,都会使n值下降。

3 等速万向节驱动轴的受力及扭矩

容量的确定

图3

轿车转向时球笼式万向节的转角

等速万向节驱动轴总成,除承受图纸要求的一定量值的轴向滑移力外,主要是承受扭转力矩。其转矩的确定可按下式计算。

按发动机最大扭矩计算时

Mj=0.6Memaxiki0

按最大附着力计算时

Mj=96.10517

式中 Mj

Memax

iki0

G1

r<2k

,N#m,N#m,N,m

,一般取<=0.8

1-内密封圈;2-轴承;3-外密封圈;4-轮毂; 5-螺母;6-衬垫;7-驱动花键轴;8-转向节

G1rk<

图4 球笼式万向节与前轮毂的联结结构图

2 驱动轴临界转速的计算

当驱动轴的转速接近它的弯曲自然振动频率时,即出现共振现象,其挠度急剧增加,致使驱动轴折断,这个转速即为该体的临界转速。因此,在设计时应考虑驱动轴的最大工作转速必须低于临界转速。

等速万向节驱动轴总成可以简化为两端自由支承的等断面的简支梁,其临界转速n可按下式计算:

n=1.2@10@

式中 n

DdL

,rPmin,mm,mm

(可取两万向节中心之距),mm

8

4 结构设计的内容和原则

若结构方案已经确定,要考虑到前桥的空间尺寸确定万向节的结构尺寸和进行强度计算,如:内部一系列结构参数的设计计算、花键参数的计算、传动轴管扭转应力的计算等。除此理论计算外,还要对各种性能(按技术文件要求)进行检验,特别要对驱动轴总成进行静强度试验、动态扭转疲劳试验和运动灵敏度等试验,以检验等速万向节驱动轴总成的综合性能,使其在各种复杂工况下均能达到设计和使用要求。

第一作者:石宝枢 高级工程师

(收稿日期:1999-05-18)

(编辑:杜迎辉)

L

本期内容摘要

宋如英.提高深沟球轴承动态性能的意见.轴承,

2000(5):1~3

论述了我国深沟球轴承动态性能的现状及形成机理,说明要降低振动应采取以下措施:制(修)订符合用户质量特性要求的振动分级标准,制订能够指导企业生产Z3组以上振动级别的主要生产工艺参数的行业内控标准及认真抓好生产低振动深沟球轴承关键工序的工艺攻关。

叙词:深沟球轴承 振动 动态特性

葛世东,张建伟,刘宏业.陶瓷球和钢混合轴承的典型力学性能分析.轴承,2000(5):4~6

用一个计算实例较详细地分析了用陶瓷球替换钢球后的轴承内部受力的变化情况,表明简单地用陶瓷球替换钢球并不一定能延长轴承的使用寿命,陶瓷球轴承需要专门的设计才能发挥其优越性。附图8幅,表1个,参考文献2篇。

叙词:陶瓷轴承 球轴承 力学性能 寿命

戴德文,郭维筠,王振华等.矫直机支承辊结构改造及发展趋势.轴承,2000(5):7~8

矫直是轧制过程中的一道必不可少的工序,传统的两端轴承支撑的矫直机支承辊存在着密封性差、轴承损坏频繁、维修成本高等问题。介绍了新型矫直机支承辊的结构及特点。附图1幅。

叙词:矫直机 支承辊 结构

赵广炎.螺杆钻具推力轴承设计要点.轴承,2000(5):9~10

叙词:钻具 推力球轴承 设计

陈聚伟.中小型深沟球轴承套圈冷辗扩工艺.轴承,

闻传涛,杨涌泉,拾益跃.大型推力圆锥滚子轴承滚道及挡边尺寸的确定.轴承,2000(5):11~13

由于大型轴承不便于在仪器上测量,在生产中只能间接确定滚道、挡边尺寸,介绍了用计算法和绘图法确定滚道、挡边尺寸的方法及步骤。附图5幅。

叙词:大型轴承 推力滚子轴承 滚道 挡边 尺寸

郑艳萍,杨晓蔚,王大力等.采用多目标函数确定角接触球轴承的最佳预载荷.轴承,2000(5):13~16

轴承预载荷的取值在很大程度上影响着高速角接触球轴承的动态性能。本文综合分析了角接触球轴承接触应力、刚度、陀螺力矩、旋滚比、打滑率和寿命等一系列特征参数,采用多目标函数进行优化计算分析,给出了角接张昆燕.筐形保持架工艺改进及料芯的再利用.轴承,2000(5):28~30

介绍了筐形保持架的料芯轧薄后加工小型号保持架的工艺工装改进、工艺试验和验证过程。试验结果表明,筐形保持架的料芯再利用是可行的,并且提高了材料利用率,降低了成本。附图6幅,表2个。

叙词:保持架 工艺试验 材料利用率

(下转第10页)

2000(5):26~27

本文提出了冷辗扩中小型深沟球轴承套圈的工艺设计方法,介绍了结合套圈宽度及重量确定辗扩前套圈的图形及尺寸的方法及过程。附图2幅。

叙词:深沟球轴承 套圈 冷辗扩

田 民,时大方,李新东.两种精密冷辗机床及工艺分析.轴承,2000(5):24~26

精密冷辗扩是发展较快的加工毛坯的先进技术,本文从机床结构分类出发,对开式和闭式两种类型的设备和工艺及经济性做了较全面的分析。附图2幅,表2个。

叙词:冷辗扩 工艺 辗环机 结构

杨金福,贾 虹.光栅测量技术在轴承套圈精密冷辗中的应用.轴承,2000(5):19~22

光栅测量技术作为冷辗机的一种必要的测量手段,愈来愈受到国内外机械行业的重视。介绍了光栅测量的特点、信号处理方式及应用情况。附图5幅,表2个。

叙词:光栅传感器 测量技术 套圈 辗环机庞启兴,许雪飞,张晶霞.水泵轴连轴承外圈端面磨削工艺改进.轴承,2000(5):23~24

叙词:轴连轴承 外圈 端面切削 双端面磨床石宝枢,杨洪香.轿车等速万向节驱动轴总成的设计分析.轴承,2000(5):17~18

轿车用等速万向节驱动轴总成的结构设计是一个很重要的设计程序。本文就等速万向节结构类型的选择、驱动轴临界转速、受力及扭矩容量确定等内容作了介绍。附图4幅。

叙词:万向节 驱动轴 结构 设计

触球轴承的最佳预载荷确定方法。附图4幅,表2个,参考文献2篇。

叙词:角接触球轴承 预载荷 计算