115S传动轴配466发动机设计计算报告0618.docx
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115S传动轴配466发动机设计计算报告0618
编号:
115S-PD-DP-003
传动轴设计计算报告
项目名称：
115S
编制:
日期:
校对:
日期:
审核:
日期:
批准:
日期:
重庆迪科汽车研究有限公司
2009年3月
一、校核目的
1、传动轴万向节夹角是否满足等速传动的要求；
2、传动轴上下跳动到极限位置时的最大夹角；
3、传动轴花键的滑移量，检查传动轴花键是否可能脱开或顶死；
4、传动轴稳定性校核；
5、传动轴强度校核。
二、概述
115S传动轴属于十字轴万向节式传动轴，具体结构为后驱、单段式、双十字轴万向节式传动轴。
布置设计时需保证传动轴万向节叉在同一平面内，尽量使万向节的夹角
，以减少传动的不等速性。
——变速箱输出轴和传动轴轴管夹角；
——传动轴轴管和主减速器输入轴夹角。
三、校核
1、输入参数
115S传动轴（配466发动机）计算输入参数见表1。
名称
数值
发动机最大转速nemax（r/min）
6300
发动机最大力矩Temax（N.mm）
87000
变速器一档速比ig1
4.425
变速器五档速比ig5
1
传动轴长度Lc（mm）
680
传动轴外径D（mm）
51
传动轴内径d（mm）
47.4
满载质量（Kg）
1632
安全系数K
1.2～2.0
表1115S传动轴（配466发动机）计算输入参数
2、等速传动校核
空载和上下极限工况下万向节夹角见表2。
万向节夹角α的允许范围见表3。
状态
空载
3.82º
1.65º
下跳极限
8.59º
6.41º
上跳极限
6.09º
8.27º
表2万向节夹角
状态
万向节夹角α不大于
汽车静止
6º
行驶中极限夹角
15º～20º
表3十字轴万向节夹角α的允许范围
从表2和表3可知，汽车在空载和上下极限工况下万向节夹角都满足要求。
单个十字轴万向节主、从动叉轴转角βa、βb间的关系为：
tanβa=tanβb×cosα
（1）
式中，βa——主动叉轴转角
βb——与βa相对应的从动叉轴转角
α——主、从动叉夹角
公式1又可以写为:
βb=arctan（tanβa/cosα）
（2）
若夹角不变，将公式2两边对时间求导数，整理后得：
ωb=ωa[cosα/（1－sin2αcos2βa）]（3）
式中，ωa——主动叉轴角速度
ωb——从动叉轴角速度
整理上式，消去传动轴的角速度得：
（4）
（5）
式中，ω1——变速箱输出轴角速度
ω3——主减速器输入轴角速度
——变速箱输出轴与传动轴夹角
——传动轴与主减速器输入轴夹角
——变速箱输出轴输入角度
——主减速器输入轴输出角度
忽略传动机构各处摩擦产生的影响，根据瞬时功率相等的原理，后桥输入轴上的力矩为：
（6）
式中，T1——变速箱输出轴力矩
T3——主减速器输入轴力矩
空载状态下角速度波动曲线（
，ω3/ω1）见图1。
图1空载状态下角速度波动曲线
下跳极限状态下角速度波动曲线（
，ω3/ω1）见图2。
图2下跳极限状态下角速度波动曲线
上跳极限状态下角速度波动曲线（
，ω3/ω1）见图3。
图3上跳极限状态下角速度波动曲线
空载状态下力矩波动曲线（
，T3/T1）见图4。
图4空载状态下力矩波动曲线
下极限状态下力矩波动曲线（
，T3/T1）见图5。
图5下极限状态下力矩波动曲线
上极限状态下力矩波动曲线（
，T3/T1）见图6。
图6上极限状态下力矩波动曲线
经分析，传动轴的力矩和角速度波动范围非常小，小于10%，可视为等速传动。
3、传动轴上下跳动的极限位置及工作夹角校核
由整车设计状态，得出后悬架的跳动行程，后悬架跳动行程如表4所示。
序号
车辆状态
挠度f（mm）
1
空载至下跳极限
54
2
空载至上跳极限
116.5
表4后车轮极限跳动状态
根据后悬架、后桥和传动轴结构关系分别求出三种状态下传动轴点坐标如表5所示（相对整车坐标系），各具体位置如图7。
图7空载时的传动轴位置
极限状态
X
Y
Z
空载时
花键理论中心Am
1637.6
22.1
45.6
万向节1中心Bm
1710.5
21.1
41.7
万向节2中心Cm
2385.7
20
-39.0
下跳
极限
花键理论中心Am
1629.8
22.1
46.0
万向节1中心Cm
1702.7
21.1
42.2
万向节2中心Cm
2368.8
20
-94.4
Am移动量δ1
-7.8
上跳极限
花键理论中心Am
1641.4
22.1
45.4
万向节1中心Cm
1714.3
22.1
41.5
万向节2中心Cm
2393.3
20
78.1
Am移动量δ2
3.9
表5各工况下传动轴坐标值
车轮下跳到极限位置时传动轴花键移动量δ1＝-7.8mm<<40（花键长度的L/2），花键向内移动量很小，因此传动轴不会顶死，传动轴在车轮下跳到极限位置时满足使用要求。
车轮上跳到极限位置时传动轴花键移动量δ2＝3.9mm<<40（花键长度的L/2），花键向外移动量很小，因此传动轴不会脱落，传动轴在车轮上跳到极限位置时满足使用要求。
传动轴花键移动量δ＝δ1+δ2＝11.7mm。
传动轴临界速度：
（7）
其中，D——传动轴外径
d——传动轴内径
Lc——传动轴长度
将表1数据带入公式7可得：
nc=18068（r/min）。
驱动轴的实际最高转速：
ncmax＝
=6300（r/min）
式中，nemax——发动机的最高转速（r/min）
ig5——变速器最高档传动比
因此安全系数K=nc/nmax=2.9。
《汽车设计》推荐一般汽车K的取值为1.2～2.0。
所以传动轴的临界转速满足要求，且余量比较大。
5、传动轴强度校核
1）传动轴轴管强度校核
传动轴轴管扭转应力：
（8）
其中，Temax——发动机最大扭矩
——驱动轴的动载系数
——变速箱1档传动比
驱动轴的动载系数
的确定：
（9）
式中，ma——整车满载质量
0.195×
=35.8>16
由公式（9）可得：
=0。
因为性能系数
=0的汽车，所以动载系数Kd=1。
将表1参数带入公式8可得：
=55.6MPa。
一般汽车的传动轴轴管许用应力[
]=125MPa。
可见传动轴轴管强度满足使用要求。
2）十字轴万向节强度校核
十字轴轴颈所受最大垂向力
（10）
其中，R——力作用点至十字轴中心距离25.4mm
α——万向节主、从动叉轴的夹角
空载状态下
=3.82°
=1.65°
Q1=1716.4N
Q2=1713.3N
十字轴轴颈所受弯曲应力：
（11）
十字轴轴颈所受剪切应力：
（12）
其中，S——力作用点至十字轴轴颈根部距离（6.7mm）
d1——十字轴轴颈直径（Φ25mm）
d2——十字轴轴颈油道孔直径（Φ5.5mm）
由公式11、12可得空载状态下前、后十字轴万向节十字轴轴颈所受弯曲应力、剪切应力为：
σ1=7.51MPa
σ2=7.5MPa
1=3.68MPa
2=3.67MPa
推荐十字轴万向节弯曲许用应力[σ]=250MPa,剪切许用应力[
]=80MPa。
因此十字轴的强度满足设计要求。
四、总结
综上校核计算，115S（配466发动机）传动轴主要布置技术参数如表6所示，传动轴满足使用要求。
传动轴理论长度（两万向节中心）
680mm
花键移动量δ
11.7mm
传动轴夹角β1（轴线与XY平面）
6.82º
传动轴夹角β2（轴线与ZX平面）
0.18º
表6传动轴主要布置参数
五、参考文献
1.汽车设计（第3版）王望予机械工业出版社2000
2.汽车工程手册（设计篇）机械工业出版社2001
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