等速万向节总成的设计方法李　科1,何志兵1,沈　海2(1.襄阳汽车轴承有限公司,湖北　襄樊　441022;2.浙江万向集团机械公司,浙江　杭州　311215)摘要:从使用性能上可将等速万向节总成分为驱动半轴总成和传动轴总成两大类。

分析了各种等速万向节的结构及性能特点,介绍了驱动半轴和传动轴的设计选型原则。

关键词:等速万向节;结构;性能;选型;振动中图分类号:TH133.4;TH122 文献标识码:B 文章编号:1000-3762(2006)09-0037-03 等速万向节总成是轿车动力系中的一个组件。

一辆四驱车共由6根等速万向节总成组成,其中2根为前驱半轴总成,2根为后驱半轴总成。

它们连接在车轮与差速器上,把差速器的转矩传递给车轮,故称为驱动轴;由于车轮分左、右两个轮,因此需成对安装,又称为驱动半轴总成,其特点是传递转矩大而转速低;另外2根传递发动机转矩,其特点是传递转矩小而转速高,称之为传动轴,前传动轴连接在分动器和前差速器上,后传动轴连接在分动器和后差速器上。

从使用性能上把等速万向节总成分成驱动半轴总成和传动轴总成两大类,下面分析每种类型的特点。

1　驱动半轴的种类及特点驱动半轴总成分为前驱和后驱两大类,由于使用性能不同,结构也有所不同。

1.1　前驱半轴种类及特点前驱半轴总成由中心固定型等速万向节、轴、伸缩型等速万向节以及附件组成。

由于现代轿车流行前置前驱排列方式,因此前驱半轴总成具有传递转矩和转向两种功能,中心固定型等速万向节能够形成很大轴间角以满足轿车转向要求,伸缩型等速万向节(具有轴向运动和形成轴间角两种功能的等速万向节)通过轴向滑移改变驱动半轴长度来满足轿车底盘和轮胎在垂直方向上的位置变化。

1.1.1　中心固定型等速万向节(B J 型)中心固定型等速万向节是由星形套、外套、保持架和钢球组成,见图1。

由于外套内球面和保持架外球面以及保持架内球面和星形套外球面这收稿日期:2006-01-20;修回日期:2006-07-10两个球面运动副共同控制使等速万向节没有轴向运动,因此称为中心固定型等速万向节,产品极限轴间角大约为45°,此类产品未来发展趋势是减轻重量和减小体积,具有高效性,把轮毂轴承和球笼等速万向节设计为一体结构。

图1　中心固定型等速万向节1.1.2　伸缩型等速万向节伸缩型等速万向节按结构分为:可轴向移动的球笼等速万向节(DO J 型)、交叉滚道球笼等速万向节(LJ 型)及三球销式万向节(T J 型)。

可轴向移动的球笼等速万向节见图2,是由星形套、外套、保持架和钢球组成,星形套、外套沟道按轴线方向排列,由保持架控制钢球运动。

保持架内、外球面中心相对窗口中心呈对称分布,以此来实现轴间角的运动,此类产品具有滑移阻力图2　可轴向移动的球笼等速万向节ISS N 1000-3762C N41-1148/TH 轴承Bearing 2006年9期2006,N o.9 37-39图3交叉滚道球笼等速万向节小,滑移量大而极限轴间角(18°)较小等特点。

交叉滚道球笼等速万向节如图3所示,由星形套、外套、保持架以及钢球组成,星形套、外套沟道相对轴线倾斜一个角度以此来控制钢球的运动。

在预加载荷时,钢球具有旋转运动,并有高速运行能力,在作轴向运动时滑移阻力比可轴向移动的等速万向节大,但在形成轴间角时所需力矩比可轴向移动的等速万向节要小。

三球销式万向节如图4所示,由外套、三销架、球环及滚针组成,具有较大轴向滑移量和较小的滑移阻力。

图4所示为基本型,为了改善性能已经派生出6种新结构。

图4　三球销式等速万向节1.1.3　前驱半轴种类由于伸缩型等速万向节具有不同结构,因此前驱半轴总成可分为B J +DO J 、B J +LJ 、B J +T J 3种类型。

前驱半轴总成的转速不高,因此其振动为一阶振型,对驱动半轴总成的平衡要求不高,在设计时合理选配中心固定型等速万向节和伸缩型等速万向节即可,无需作动平衡检测,由于传递转矩较大,设计时其使用寿命是应考虑的首要问题。

1.2　后驱动半轴总成在车辆转向的过程中,后轮的转向角远小于前车轮,因此后驱半轴由2个伸缩型等速万向节组成,分为T J +T J 型、DO J +DO J 型、LJ +LJ 型,其中高档轿车使用LJ +LJ 型最多。

2　驱动半轴设计原则 驱动半轴总成的设计首先要满足车辆的安全性,即对轴应进行强度、等刚性计算;对等速万向节进行选型设计,计算驱动半轴总成的寿命,同时须经过台架试验和路试,其次考虑车辆乘坐的舒适性,即解决驱动半轴的振动、噪声、异响等。

2.1　使用安全性驱动半轴总成与传动轴相比,特点是传递较大转矩,作为车辆中的一个安全件,在保证强度的前提下,要保证使用寿命。

在设计过程中,对于中心固定型等速万向节和伸缩型等速万向节,使用Hertz 理论,在优化沟道几何形状的同时,计算接触应力,从而确定中心固定型等速万向节和伸缩型等速万向节的动态额定转矩和静态额定转矩。

根据静态额定转矩来选取产品的系列,并进行具体的结构设计,根据动态转矩进行寿命验算。

对于轴,根据选用材料和热处理工艺参数,用线弹性理论来确定轴的直径。

由于驱动半轴总成在恶劣条件下工作,理论计算结果并不可靠,需要经过台架和路试试验,采用Weibull 统计方法来处理试验数据。

通过试验,最终对产品进行定型。

2.2　驱动半轴总成传递效率国外文献介绍驱动半轴总成传递效率很高,可达97%,但在国内,产品在作台架试验时,效率往往很低,甚至仅为75%。

测试温度可达300℃以上,而润滑脂正常使用温度不允许超过120℃,如果万向节内部温度过高,润滑脂就会失效,表现为发黑、变性,甚至完全分解,粘附在沟道表面。

传递效率低的一个主要原因,在于中心固定型等速万向节和伸缩型等速万向节内部零件之间摩擦严重而产生大量热,具体可用接触表面温升公式来计算。

例如中心固定型等速万向节,在有轴间角时运行,每旋转一周,钢球都会在星形套、外套沟道内按正弦曲线完成一个往复运动,由于星形套、外套沟道曲率不同,钢球在运动过程中必然存在滑动,而滑动摩擦所产生的热量导致产品内部温度的升高。

降低摩擦除了改变结构设计外,必须合理选用润滑脂,选用润滑脂原则为:根据接触表面的粗糙度来合理确定M oS 2和石墨颗粒大小,根据不同接触应力类型来选择基础油的黏度。

如果润滑脂黏度很稠,将产生很大振动。

在填装润滑脂时应注意密封罩的压力平衡问题,否则会导致密封罩的异常变形而过早损坏。

2.3　驱动半轴总成的振动与噪声由于驱动半轴总成的转速一般不超过1500r/min ,因此不会出现临界转速问题。

对于细长轴应考虑弯曲振动以及如何加阻尼块来进行平衡,对于驱动半轴总成必须解决好中心固定型等速万向节和伸缩型等速万向节尺寸系列的匹配问题,以便把中间轴设计成等刚性体。

低速运行的驱动轴的振动和高速运行的传动轴相比简单得多,但应注意噪声问题。

・83・《轴承》2006.№.9对于噪声问题,不能不分析密封罩,因为密封罩是产生噪声的主要原因。

密封罩安装在等速万向节外套和轴上,防止灰尘、水分等进入等速万向节中,以保护润滑脂的正常润滑。

当密封罩在大角度状态下回旋时,回旋的最高点将相互接触,材料表面间的粘着-滑动将产生摩擦而出现噪声;当密封罩表面有水分时,噪声将增大。

为了减少摩擦噪声,要合理选用低摩擦系数和高的排水性材料。

应根据选用材料的特性来设计密封罩,材料特性包括:压缩应变特性、压力特性、抗破裂特性、抗臭氧特性及涂层结构特性等。

在设计密封罩时要考虑弹性变形量和最大张力,要根据中心固定型等速万向节的极限轴间角来设计密封罩的节数、节距以及节径,对于伸缩型等速万向节密封罩同时还要考虑伸缩型等速万向节的滑移量。

只有设计出合适的密封罩,才能减少密封罩波峰和波谷接触面积和压力,从而有效降低噪声。

传统密封罩使用材料有聚氯丁二烯橡胶、硅树脂橡胶和热塑性材料等;新材料为弹性聚合体,其中软体弹性聚合体是低摩擦材料,可明显降低噪声。

3　传动轴的特征传动轴是将发动机输出的转矩经分动器传递给前驱和后驱的传动机构,转速3000～4000 r/min,甚至可达6000r/min,振动是传动轴总成设计需考虑的首要问题。

尽管采取涂层技术来减小滑移阻力,但产生的滑移阻力仍为等速万向节的10～40倍,而滑移阻力将产生振动。

随着等速万向节的出现,十字轴万向节逐渐被淘汰,下面对所有种类传动轴作以比较分析,为选型设计提供依据。

传动轴分为C J+C J型(十字轴万向节)、B J+ B J型(靠花键产生滑移)、B J+DO J型、B J+T J型、B J+LJ型5种类型。

以下介绍各种万向节的振动特点,为传动轴的合理选型设计提供参考。

3.1　低频噪声这种噪声频率为100～300H z,干扰人的听力,表现为轰隆声,由发动机和传动系统产生,发生在2800～3000r/min和3300～3800r/min两个区域内,是二阶振型。

在3500r/min的转速下测定,十字轴万向节产生的噪声为95dB,而等速万向节仅为20dB,很明显等速万向节能够有效减小二阶振动,降低噪声。

3.2　轿车车体的横向和纵向振动车辆在启动和突然转向时会产生横向振动。

安装十字轴万向节的车辆,在轿车启动后的0.8～1.2s时出现横向振动,这是由于十字轴万向节的不等速性引起横向摇摆所致;在刹车时传动轴会引起车辆纵向摇摆,为二阶振型。

通过测试,B J +T J型的性能最优,依次为B J+DO J型,B J+LJ 型和B J+B J型。

3.3　车辆在匀速行驶时的噪声轿车高速行驶时,安装B J+T J型传动轴的轿车,当放开离合器时就会产生噪声,类似轰隆声;当车辆加速后噪声就会消失,而其他传动轴没有这种现象,这是因为中心固定型等速万向节的6次振动(6个钢球)和伸缩型等速万向节的3次振动(3个轴头)所产生的共振,是一种三阶振型。

3.4　滑移阻力产生的噪声在静态状态下测定各种万向节的滑移阻力,设测量角范围(轴间角)为0～8°,DO J型和T J型的滑移阻力为100N,而LJ型为300N;动态时测量,LJ型滑移阻力变为100N,DO J型万向节随着轴间角的增加滑移阻力有增大的趋势,但没有超过250N,T J型万向节没有变化,C J+C J型滑移阻力为4kN,B J+B J型的滑移阻力为2kN。

从上述结果看,在轴间角发生变化的状态下工作,LJ型性能是最优的。

下式为动态滑移阻力与噪声的关系式y=0.0043x+65.42(1)式中:y为噪声,dB;x为动态滑移阻力,N。

4　结束语虽然等速万向节在国内已有10多年的生产历史,但产品的性能与国外相比仍有相当大的差距,具体表现在两个方面:绝大多数轿车厂家对等速万向节产品没有制定出相应的技术规范,而福特公司对驱动轴和传动轴的技术规定达67款之多,其中严格规定驱动半轴总成和传动轴总成的振动频率,目的是避免和发动机、轮胎以及其他传动系部件发生共振,从而更加全面合理地设计汽车底盘;零件供应商,易随意组合中心固定型等速万向节和伸缩型等速万向节,从而造成总成的失衡,使轿车产生异常振动,出现异响。