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1、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 Co

2、nstant Velocity Universal Joint ，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( Fixed Joint )和移动万向节(Plunging Joint )。而根据结构的不同，固定节可分为 RJ ( RzeppaJoint )和BJ(Birfield Joint) , 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(Double Offset Joint) 、三销式万向节(TJ:Tripod Joint) 和斜滚道万向节(VL).在发动机前置后轮驱动(或全轮驱动)的

3、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 万向节结构、十字轴式刚性万向节，如图所示：囹ic-3 i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、固定球

4、笼式等速万向节，如图所示：631、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(FJ Assy):允许火角很大的等速的固定式万向节；移动端万向节(PJ Assy):可轴向移动的等速万向节；中间轴(Intermediate shaft )：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(B

5、J):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(Circular Clip ):将移动端万向节固定在差速器内。Rator(AfiS) Boot Cla InLerwdiatE Shaft Boot Claw Circular Clip（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

6、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 4 5 0 =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 4 5。=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：第一万向节两轴间火角a i与第二

7、万向节两轴间夹角a 2相等；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 (Birfield Joint Rzeppa Joint、Double Offset Joint、Tripod Joint )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

8、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：DRIVE SHAFT的设计RIVE SHAFI L引OUT研讨X 、墨本尺寸留 E/ROOM LAYOUTDRIVE SHAFTS格研讨设计构想书 Pcwer PI七出力 车辆各部尺寸车辆重量设计要求规格图的做成Specif ic&t im的设定X X强

9、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. V2.2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r 2 r 1。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Front Ti re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

10、节至移动节的距离传动轴角度上极限(-2.29,647.99,107.50)365.9714.6湎载(-2.29,647.99,29)356.587.07半载(-2.29,647.99,20.32)356.597.13空载(-2.29,647.99,1)357.378.14下极限(-2.29,647.99, -72.5)369.6617.00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)

11、365.516.6湎载(-2.29,-647.99,29)356.48.9半载(-2.29,-647.99,20.32)356.418.89空载(-2.29,-647.99,1)357.279.8下极限(-2.29,-647.99, -72.5)369.8217.8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

12、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 CV J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：D1D3L1

13、L3)，根据各个Vendor不同而不同。 在研究Drive shaft 的强度及Layout实施前，首先要与委托生产 Drive shaft 的Vendor联系，确认Drive shaft的允许强度及主要尺寸。（下图：D1D3, 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Drive shaft的主要尺寸都标准化（下图：D1D3, L1L3）, 这样可以达到缩短Drive shaft 的开发期间及降低成本。T U -ASS Yb） C V J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

14、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。Diiwe5 ind骨=0 Bfit)BJ朝E iiicLe =4 Det)M/ISrec.震尸可t忡突缺起勃时垢入拒矩的停庞我Tg Toz。敢巾眄一亭Oj. 1st喊旌土 pi=妹裙工tt ci： a-o.3 n% 宅的油中 底FM tLMeh Fae i aeSSSit* FstcmMI费 tl* FamiS祯里呷方群卜雌心57；er劫型祖m r= rf是犬摩寓真赦Arrive Shift 骤施用 同任记窝粗畦的计 K齐场.如黑来 伴兄洋的质，用襄隘屈眉0 XDri* Shaft (cvj 血e峙

15、=o bpc)BJ issr(CU 2# =40 Dec.)小See. m-T# 敏To;交相近初Bl垢入tf淹的桶W战眼hl T崂 4锐，f的一个 r*FT*St* p !* p # q f z Tej 他.Tarane cf Etie.Sir JfaM. Sta.ll TotdQE Batia &!， 1st裱速叱 气.强晚魂It ntJ籁*混网驱曲粼T*Ei*Kt*LJ 情就 g曲岭重鼠单顾 K口 Tier动半役 Uu Tier晚大摩族强粼0.0Erive Shaft gr用 同盅id岗粗略的汁 翼弟桂.如果条 悴元祥的丽，ffi免楸起醐代 番上告W蚌.c)Wheel侧CVJ的耐久寿命的

16、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(Front Engine & Front Drive )的 Drive Shaft，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W heel侧BJ的载荷容量要比Differential 侧TJ的载荷容量大。 参考例：NTN社BJ82: T 100= 245N

17、mDOJ82: T100= 230NmT100 的基本 Torque : CVJ夹角 0 = 3N= 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W heel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。BJ

18、损伤值计算：参考Birfild 会社的CVJ 寿命计算方式。操舵频度：2540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。BJ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 *N A 0.577) /(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 = 396,580 大(丁100人3 大AX3 /TX A 3大 NX) (hour)在此T 1 o o 人 3 ：基本 TorqueAX:角度系数 B

19、J: AX= ( 1 - Sin O)大 Cos O A 2D O J可以查表T X : CVJ的载荷TorqueNX: CVJ的转速(2) B J温度预测法根据下记F值及温度实际测量数据预测。F= (T*D0.577) / (T 1 0 0 夫 AX)D : C V J 的 Pitch Circle Diameter（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N o.Torque转速夹角运转时间计算寿命时间损伤值1T 1N 10 1H 1L 1D 12T 2N 20 2H 2L 2D 23T 3N 30 3H

20、3L 3D 34T 4r n 40 4H 4r l 4D 4:nT nN n0 nH nL nD n角（0 n）时，这一载荷条件下的寿命L n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=H n/L n可知，全寿命时间Ln 中，只有在运转时间H n内，才会产生寿命的消耗。从Not 1到Non的损伤为线 形累积，损伤值的合计为：D = D 1 +D 2 + +D n =H i/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Engine 1生能Dat口匚/略都数据车身咎部数据Fry实车讷111=3史34计

21、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：7000rpm2.变速器的相关参数I档档m档W档V档R档ig3.6361.6671.2261.1850.8712.909io3.7624.6474.6473.7623.7624.647i13.6797.7475.6974.4583.27713.518传动效率0.953.车轮相关参数采用 175/60 R14 轮胎 Rr = 0.275m4.整

22、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5804202.340.5721.27056705 .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(mm17.30717.993以满载与空载的均值作为工况点驱动轴角度系数Ax=cos2 6 x ( 1-sin 6 )满载与空载的均值TJAxBJ

23、Ax平均夹角6.591 0.87366.308 0.87946.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 = 1.332 )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：1:1% 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M n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=1/2 x KsX MmaxMA= 1/2 X 1.2 X 118 X 13.6

24、79=968.47 (N m (2 轮驱动)附着转矩：M=1/2 x Ks x G x B/(L+ h) x RrM =1/2 X 1.2 X 1375 X 9.8 X 1.2/(2.34+1 X 0.572) X 0.275=920.02 (N nj)MN依取920.02 N - m适取球笼式万向节的系列规格以GKN形式为Base 6 =0 /10 6 =0时的静态失效扭矩6 =0 /10TJ 取 GI 型 580 M n=1040 N m M b=1900 N m M d=220N mBJ 取 AC 75 M n=944 N - m M d=178 N - m3、 校核使用寿命TJ端123

25、45Ax0.010.050.270.40.27ix13.6797.7475.6974.4583.277Nx328.97580.87789.891009.421373.21Vx34.1160.2281.89104.65142.37Mx538.04304.72224.08175.35128.90Lhx40.75161.57340.26613.991136.29Mx=1/2 X 2/3 X Mm X ix当 nx 1000rpm 时 Lhx=470756/n x X (AXWMx)31/Ln=0.01/40.75+0.05/161.57+0.27/340.26+0.40/613.99+0.27/11

26、36.29Ln=446.93 (h)vs0.01 X 34.11+0.05 X 60.22+0.27 X 81.89+0.4 X 104.65+0.27 X 142.37=105.76 (km/h)Ls=Ln X Vm=47268.84再取ETJ79(广州NTN谷隆公司生产的)Mn=1520 Nm Md317 (Nmf 3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12345Ax0.010.050.270.40.27ix13.6797.7475.6974.4583.277nx328.97580.

27、87789.891009.421373.21Vx34.1160.2281.89104.65142.37Mx538.04304.72224.08175.35128.90Lhx22.0287.30183.85331.75613.961/Lh=0.01/22.02+0.05/87.30+0.27/183.85+0. 40/331.75+0.27/613.96Lh=241.486 (h)Ls=Lh x Vm=25540.28 (km)再取BJ82 (广打I NTN谷隆公司生产的) Mn=1790 N -门 Md 340Nm由 Ls1/Ls2=(Md2/Md1) 3Ls2=(340/178) 3X 25

28、540.28=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/3000-3500RPMmaxi 0 i max档位12345倒主传动比传动比3.4161.8941.2800.9410.7573.8184.3