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驱动轴设计指南

第一章传动轴

编者：

何迅

奇瑞汽车工程研究院底盘部

1简要说明

1.1万向节和传动轴综述

汽车上的万向节传动常由万向节和传动轴组成，主要用来在工作过程中相对

位置不断改变的两根轴问传替动力。

万向节传动应保证所连接两轴的相对位置在预计范围内变动，能可靠的传替动力；保证所连接两轴尽可能同步（等速）运转；允许相邻两轴存在一定角度；允许存在一定轴向移动。

1.2万向的类型及适用范围

万向节按其在扭转方向上是否由明显的弹性可分为刚性万向节和挠性万向节。

刚性万向节乂可分为不等速万向节（常用的十字轴式），准等速万向节（双联式、三销轴式等）和等速万向节（球义式、球笼式等）。

等速万向节，英文名称ConstantVelocityUniversalJoint，简称等速节（CVJ。

等速万向节根据是否可以轴向移动可分为固定万向节（FixedJoint）和移

动万向节（PlungingJoint）。

而根据结构的不同，固定节可分为RJ（Rzeppa

Joint）和BJ（BirfieldJoint）,RJ结构复杂带导向机构，目前已逐渐被淘汰；BJ不带导向机构，结构结单有效，为目前常用结构型式。

移动节常用结构型式有DOJ（DoubleOffsetJoint）、三销式万向节（TJ:

TripodJoint）和斜滚道万向节

（VL）.

在发动机前置后轮驱动（或全轮驱动）的汽车上，由于工作时悬:

架变形，驱动桥主减速器输入轴与变速器（或分动器）输出轴问经常有相对运动，普遍采用万向节传动。

在转向驱动桥中，由于驱动轮乂是转向轮，左右半轴间的夹角随行驶需要而变，这时多采用球义式和球笼式等速万向节传动。

当后驱动桥为独立悬架结构时，也必须采用万向节传动。

万向传动装置除用于汽车的传动系外，还可

用于动力输出装置和转向操纵机构。

1.3结构图及其他⑴万向节结构

①、十字轴式刚性万向节，如图所示：

囹ic-3i字铀咧忤力向皆

1-轴/矗。

万向罪笑.A油：

i-十-二钮"A安会闻.

T-油封*•液套商

等速驱动轴结构简图:

1、固定端万向节；2、轴杆；3、阻尼块；4、移动端万向节

③、固定球笼式等速万向节，如图所示：

1、ABS齿圈；2、钟形壳；3、保持架；4、星形套；5、钢球；6、挡圈

1、筒形壳;

2、保持架;3、钢球；4、星形套5、挡圈

1、三销架;2、挡圈；3、滚针保持圈;4、滚针外圈;5、滚针；6、滑套

1、外球壳;2、钢球；3、保持架;4、星形套

（2）一般的驱动轴主要构成零件以及机能：

固定端万向节（FJAssy）:

允许火角很大的等速的固定式万向节；

移动端万向节（PJAssy）:

可轴向移动的等速万向节；

中间轴（Intermediateshaft）：

传递移动节到固定节的驱动力；

阻尼（Damper:

衰减由丁中间轴的弯曲共振产生的振动和噪音。

固定端万向节护套（Boot（BJ））:

满足固定端万向节火角较大时的回转，且容纳润滑万向节用的润滑油脂；

移动端万向节护套（Boot（TJ））:

满足万向节的回转及滑移，且保持万向节润滑用的油脂；

卡箍（Clamp）：

把护套固定在万向节及中间轴上；

卡簧（CircularClip）:

将移动端万向节固定在差速器内。

Rator（AfiS）BootCla^>InLerwdiatEShaftBootClawCircularClip

（5）前驱车辆驱动轴的支撑方法

将移动端万向节插入差速器内，卡簧进入装配位置膨胀卡紧；固定端万向节插入轮毂轴承内，再用螺母垫片拧紧固定。

如下图所示：

差速器端

移动端万向

转向节

1.4工作原理

传统的十字轴万向节，轴和轴之间通过十字形的万向节连接，可以传递不同角度方向上的回转运动。

图示的输入轴=a轴在A平面上作旋转运动。

输出轴=b轴在B平面上作旋转运动。

a轴和b轴在同一条直线上时，a轴和b轴的转速相同。

a轴和b轴之间有一定的角度旋转时，a轴从V旋转到W位置（45°）时，b轴从V旋转到W'位置（小丁450=移动的距离减小）。

a轴和b轴之间有一定的角度旋转时，a轴从W旋转到X位置（45°）时,b轴从W旋转到X'位置（大丁45。

=移动的距离增大）。

十字轴式刚性万向节：

单个十字轴万向节在有火角时传动具有不等速性；实

现两轴间的等角速传动须满足以下两个条件：

①第一万向节两轴间火角ai与第

二万向节两轴间夹角a2相等；②第一万向节的从动义与第二万向节的主动义处丁同一平■面内。

夹角大的前置前驱车的驱动轴如果使用十字轴万向节，回转不圆滑，振动噪

音大，操舵感觉不好。

所以需要使用等速万向节。

CVJ（BirfieldJoint>RzeppaJoint、DoubleOffsetJoint、TripodJoint）与Joint夹角没有关系,它位丁传动钢球的中心随时发生变化的输入轴和输出轴的二等分面上，因此，2轴的中心到中心的距离（旋转运动的传动半径）相同，2轴的回转速度相同。

2设计构想

2.1设计原则和开发流程

对丁转向驱动桥，前轮既是转向轮乂是驱动轮，作为转向轮，要求它能在最大转角范围内任意偏转到某一角度；作为驱动轮，则要求半轴在车轮偏转过程中不间断地把动力从差速器传到车轮。

因此转向驱动桥的半轴不能制成整体而要分段

中间用万向节连接，以适应汽车行驶时半轴各段的交角不断变化的需要。

若采用独立悬架，则在靠近差速器处也需要有万向节；若采用非独立悬架，只需要在转向轮附近装一个万向节。

传动轴设计开发流程见下图：

DRIVESHAFT的设计

[>RIVESHAFIL引OUT研讨

X、

墨本尺寸留•E/ROOMLAYOUT

DRIVESHAFTS格研讨

设计构想书♦PcwerPI"七出力车辆各部尺寸•车辆重量

设计要求规格图的做成

Specific&tim的设定

强度•耐欠-据动噪音试验

十、

评价方法

设计改艮

>、

改畏万案的具体化

X.J

确认试豚

射*

改艮效果的胡认

D开发流程.V

2.2基本的设计参数

（1）传动轴的布置要点

在结构上，由丁悬挂系统的上下运动，使万向节的角度变化，同时差速器到轮胎距离，即传动轴的长度也发生变化，如下图所示r2>r1。

为了对应传动轴的长度变化，通常前置前驱车，车轮侧使用固定式的万向节，变速箱侧使用移动式万向节。

轮胎的跳动和万向节的滑移

FrontTire

卜面以我公司A15CVT勺传动轴布置为例

A15+CVT传动轴的布置

、右传动轴长度

右传动轴移动节中心坐标为（-49.24,294.54,25.05）。

固定为中心坐标

固定节至移动节的距离

传动轴角度

上极限

（-2.29,647.99,107.50）

365.97

14.6

湎载

（-2.29,647.99,29）

356.58

7.07

半载

（-2.29,647.99,20.32）

356.59

7.13

空载

（-2.29,647.99,1）

357.37

8.14

下极限

（-2.29,647.99,-72.5）

369.66

17.00

根据移矩-摆角图，从上表可以定出右传动轴移动节中心到固定节中心长度为

360mm

二、左传动轴长度

左传动轴移动节中心坐标为（-57.03,-295.85,26.35）

固定为中心坐标

固定节至移动节的距离

传动轴角度

上极限

（-2.29,-647.99,107.50）

365.5

16.6

湎载

（-2.29,-647.99,29）

356.4

8.9

半载

（-2.29,-647.99,20.32）

356.41

8.89

空载

（-2.29,-647.99,1）

357.27

9.8

下极限

（-2.29,-647.99,-72.5）

369.82

17.8

根据移矩-摆角图，从上表可以定出左传动轴固定节中心到移动节中心长度为360mm

（2）关键性能尺寸的确定

传动轴中心距由传动轴总布置确定。

确定方法见传动轴布置要点。

固定节、移动节的装配尺寸根据接口（轮毂、半轴齿轮等）尺寸、结构确定，主要结构参数参见2.2.5传动轴的主要结构与计算。

（3）粗糙度和形位公差的确定

移动节轴颈与变速箱油封配合处，为保证油封的密封效果，轴颈处粗糙度一般选0.8或0.63。

移动节、固定节轴承配合端面垂直度取0.05。

形状和位置公差GB/T1182-ISO1302。

表面粗糙度符号按GB/T131-ISO1302形状和位置的未注公差按GB/T1184-k，线性尺寸的未注公差按GB/T1804-m角度的未注公差按GB/T11335-m

（4）零件号要求

传动轴组号为22。

前传动轴分组号2201。

中间传动轴分组号2202。

后传动轴组号2203。

（5）传动轴的主要结构参数与计算

a）关丁CVJ的主要尺寸表示CVJ强度区分的Size表示法和Layout

设计时重要的CVJ尺寸（下图：

D1〜D3L1〜L3），根据各个Vendor不同而不同。

在研究Driveshaft的强度及Layout实施前，首先要与委托生产Driveshaft的Vendor联系，确认Driveshaft的允许强度及主要尺寸。

（下图：

D1〜D3,L1〜L3）这对提高设计效率非常重要。

理由如下：

扭转强度及耐久寿命由各Vendor的CVJ的具体设计规格决定。

各Vendor把Driveshaft的主要尺寸都标准化（下图：

D1〜D3,L1〜L3）,这样可以达到缩短Driveshaft的开发期间及降低成本。

TU-ASSY

b）CVJ的静扭转强度

根据从Vendor得到的各Size的允许强度和下表计算得出的CVJ的输入扭矩，选定CVJ的SIZE.另外也要考虑2-1-3项中的CVJ的耐久寿命。

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c）Wheel侧CVJ的耐久寿命的预测

关丁Wheel侧CVJ的耐久寿命的预测，为了提高精度，应该包括实车的操舵频度在内，研究CVJ的寿命，设定CVJ的Size。

【CVJ寿命研讨概要】

（1）FF车（FrontEngine&FrontDrive）的DriveShaft，在Wheel侧使用BJ,在Differentia侧使用TJ或者DOJ一般情况下，组合使用同Size的CV1一般情况下，代表等速Joint自身的强度？

耐久性的指标用Size来表示。

同Size的CVJ设定时Wheel侧BJ的载荷容量要比Differential侧TJ的载荷容量大。

＜参考例：

NTN^社＞

BJ82:

T100=245Nm

DOJ82:

T100=230Nm

T100的基本Torque:

CVJ夹角0=3°

N=100rpm时，寿命时间为1500hr,对应的Torque可以查图表得到

（2）CVJ的耐久性主要是由Torque（T）、转速（N）、夹角（9）决定，同时还受温度（润滑）的影响。

（3）实车的CVJ的损坏一般是由于应该设有载荷余量的BJ侧的Flaking?

Pitching等的CVJ的耐久性不足引起的。

推测原因主要是Wheel侧的BJ在操舵时，一时使用大夹角而导致CVJ的损坏。

（4）把实车的操舵频度列入到寿命计算的输入项目中，计算BJ的损坏值，选定BJ的最佳Size。

①BJ损伤值计算：

参考Birfild会社的CVJ寿命计算方式。

②操舵频度：

25〜

40°的操舵频度使用一般车在Cross-country路面行驶时的数据5倍以上的数据。

③BJ温度预测：

根据下记F值及实车温度实际测量Date进

行预测。

F=（T*D*9*NA0.577）/（T100*AX）

【计算理论】

（1）Birfild会社的CVJ寿命计算方式（Ball轨道面产生Pitching摩擦为止的寿命）

NX<1000rpm时L=21,400大（T1003大AX3/TX3大NXA

0.577）（hour）

NX>1000rpm时L=396,580大（丁100人3大AX^3/TXA3

大NX）（hour）在此T1oo人3：

基本Torque

AX:

角度系数BJ:

AX=（1-SinO）大CosOA2

DOJ可以查表TX:

CVJ的载荷Torque

NX:

CVJ的转速

（2）BJ温度预测法根据下记F值及温度实际测量数据预测。

F=（T*D

0.577）/（T100夫AX）

CVJ的PitchCircleDiameter

（3）线形累积损伤值（Miner值）

CVJ在某一期间内按下表的频度使用时，给定Torque（Tn）、转速（Nn）、夹

频度No.

Torque

转速

夹角

运转时间

计算寿命时间

损伤值

rn4

rl4

角（0n）时，这一载荷条件下的寿命Ln可以通过Birfild会社的计算公式求出来。

因此，由损伤值Dn的给定公式「Dn=Hn/Ln」可知，全寿命时间Ln中，只有在运转时间Hn内，才会产生寿命的消耗。

从Not1到Non的损伤为线形累积，损伤值的合计为：

D=D1+D2+——+Dn=£Hi/Li通常

CVJ就会发生「Pitching」，达到寿命

当这一累积损伤值达到「D=1」时，期限。

耐久看命预枷算防

'Engine1生能Dat口

・匚/略都数据

・车身咎部数据

Fry

■实车£讷111=3史34计算

•町瑚损拒值i+算

Guideline

以奇瑞公司S21项目传动轴万向节的选型和寿命计算为例:

S21车型驱动轴万向节的选型和寿命计算

一、基本参数

1.发动机相关参数（静功率测试状态）

最大功率：

65kw/6000rpm

最大扭矩：

118N・m/4500rpm

断油点：

7000rpm

2.变速器的相关参数

I档

□档

m档

W档

V档

R档

3.636

1.667

1.226

1.185

0.871

2.909

3.762

4.647

3.762

4.647

13.679

7.747

5.697

4.458

3.277

13.518

传动效率

0.95

3.车轮相关参数

采用175/60R14轮胎Rr=0.275m

4.整车相关参数

前轴荷（Kg）

后轴荷（Kg）

轴距L（m）

质心高度h（m>

质心距前轮心距离b（m）

仝载

580

420

2.34

0.572

1.2

705

670

5.驱动轴角度及TJ端运动距离参数

BJ（L）

TJ（L）

BJ（R）

TJ（R）

上跳点

9.371°

11.663°

4.677°

6.94°

满载点

5.768°

5.95°

3.371°

3.553°

空载点

6.848°

7.232°

3.956°

4.315°

下跳点

10.372°

12.795°

5.277°

7.606°

TJ端运动距离（mm

17.307

17.993

以满载与空载的均值作为工况点

驱动轴角度系数Ax=cos26x（1-sin6）

满载与空载的均值

平均夹角

6.591°

0.8736

6.308°

0.8794

6.计算寿命目标值：

100000km

二、分析计算

1、假定参数：

1）4=1.0，振动系数Ks=1.2，承载系数kt=1.33

2）汽车以h=1,Ks=1.2时最大扭矩起步，以发动机最大扭矩的

2/3驱动且各档匀速，各档利用率分别为：

1%n:

5%m：

27%IV:

40%V:

27%。

2、起步扭矩和附着扭矩计算应力，并以两者中较小值选取CVJ尺寸

Mn^传动轴的额定扭矩；M一静态失效扭矩；M一动态额定扭矩；

起步转矩：

M=1/2xKsXMmax

MA=1/2X1.2X118X13.679=968.47（N・m（2轮驱动）

附着转矩：

M=1/2xKsxGxB/（L+h）xRr

M=1/2X1.2X1375X9.8X1.2/（2.34+1X0.572）X0.275=920.02（N•nj）

MN依取920.02N-m适取球笼式万向节的系列规格

以GKN形式为Base6=0/10°6=0°时的静态失效扭矩

6=0/10

TJ取GI型580Mn=1040N・mMb=1900N・mMd=220

N•m

BJ取AC75Mn=944N-mMd=178N-m

3、校核使用寿命

TJ端

0.01

0.05

0.27

0.4

0.27

13.679

7.747

5.697

4.458

3.277

328.97

580.87

789.89

1009.42

1373.21

34.11

60.22

81.89

104.65

142.37

538.04

304.72

224.08

175.35

128.90

Lhx

40.75

161.57

340.26

613.99

1136.29

Mx=1/2X2/3XMmXix

当nx<1000rpm时Lhx=25339/n严77x（AxM/Mx）3

当nx>1000rpm时Lhx=470756/nxX（AXWMx）3

1/Ln=0.01/40.75+0.05/161.57+0.27/340.26+0.40/613.99+0.27/1136.29

Ln=446.93（h）

vs0.01X34.11+0.05X60.22+0.27X81.89+0.4X104.65+0.27X142.37=105.76（km/h）

Ls=LnXVm=47268.84

再取ETJ79（广州NTN谷隆公司生产的）Mn=1520N・mMd^317（N・m

由Ls1/Ls2=（Md2/Md1）

Ls2=（317/220）3X47268.84=141411（kg,满足使用的强度及耐久性要求。

BJ端

0.01

0.05

0.27

0.4

0.27

13.679

7.747

5.697

4.458

3.277

328.97

580.87

789.89

1009.42

1373.21

34.11

60.22

81.89

104.65

142.37

538.04

304.72

224.08

175.35

128.90

Lhx

22.02

87.30

183.85

331.75

613.96

1/Lh=0.01/22.02+0.05/87.30+0.27/183.85+0.40/331.75+0.27/613.96

Lh=241.486（h）

Ls=LhxVm=25540.28（km）

再取BJ82（广打INTN谷隆公司生产的）Mn=1790N-门Md^340N・m

由Ls1/Ls2=（Md2/Md1）3

Ls2=（340/178）3X25540.28=177993（kg,满足使用的强度及耐久性要求。

三、选取传动轴的结构形式

1.按照分析计算的结果，S21车型的驱动轴为广州NTN裕隆公司生产的

BJ82+ETJ7SH驱动轴。

d）球笼式等速万向节花键轴直径的计算和钢球直径的选择

以S11+DA465#动轴（S11-2203010/20GB）球笼式等速万向节花键轴直径的计算和钢球直径的选择为例：

S11+DA465专动轴球笼式等速万向节花键轴直径的计算和钢球直径的选择

一、发动机及变速箱参数

发动机

型号：

LJ465Q-1ANE1

额定功率：

38.5KW/5200RPM

最大扭矩：

83N.m/3000-3500RPM

max

i0imax

档位

倒

主传动比

传动比

3.416

1.894

1.280

0.941

0.757

3.818

4.3

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