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两驱汽车等速传动半轴最大承载扭矩分析摘要 分析了不同动力系统布置的两驱汽车等速传动半轴的受力情况，通过不同工况下发动机输出扭矩与地面附着扭矩的关系，结合实例，阐述了两驱汽车等速传动半轴最大承载扭矩的计算方法。关键词：等速传动半轴 发动机输入扭矩 附着扭矩 最大承载扭矩参数说明：iFD-主减速iTC -液力变矩器系数i1,i2in-各档速比iR-倒档速比fMT-手动变速箱效率系数fAT-自动变速箱效率系数fC-发动机冲击系数EC-半轴传递效率系数EP-中间传动轴传递效率系数fS-附着冲击系数RS-静态轮胎半径(m)u-底面摩擦系数TJmax-半轴最大承载扭矩(Nm)TFJmax-前进时半轴最大承载扭矩(Nm)TRJmax-后退时半轴最大承载扭矩(Nm)TEmax-发动机峰值扭矩(Nm)TEGmax-动力系统传递的最大发动机扭矩(Nm)TAmax-最大附着扭矩(Nm)A-重心至前轮距离(m)B-重心至后轮距离(m)H-重心高(m)L-轴距(m)Q-整备重量(kg)QF-前桥重量(kg)QR-后桥重量(kg)z-驱动轮数量1 汽车等速传动半轴简介等速传动半轴（下文简称半轴）是汽车传动系统中的一个重要组件，一端连接车轮，另一端连接变速箱，将发动机输出的扭矩由变速箱传递给车轮，从而驱动车辆。两驱汽车传动系统中有两根半轴（参见图1）。图1 两驱汽车半轴布置示意图半轴由固定节，中间轴，移动节三个主要部分组成（参见图2）。固定节为球笼式等速万向节，由外星轮，内星轮，球笼和钢球组成。固定节连接车轮，极限摆角可达到52，用于实现车辆的转向。移动节为三销轴式等速万向节，由三销轴叉和三销轴总成组成。移动节连接变速箱，在车辆运行过程，半轴可通过移动节的轴向移动实现长度补偿。图2 半轴结构示意图在汽车设计开发过程中，半轴在整车上受到的最大承载扭矩对于整车厂和传动轴供应商来说是极为关键的。此参数决定了半轴的强度规格和外形尺寸。对于汽车的驱动性能和空间布置有决定性的意义。2 汽车等速传动半轴最大承载扭矩理论计算在车辆运行时，半轴同时受到发动机输入扭矩和地面附着扭矩的作用，以下分别就发动机输入扭矩和附着扭矩进行理论计算，通过分析不同动力系统布置的受力情况，得出了两驱汽车半轴的最大承载扭矩计算方法。2.1 发动机输入扭矩计算整车的动力系统布置将直接影响分配到半轴的最大扭矩。一般情况下，发动机前置的两驱乘用车按动力系统布置可以分为一下几种主要结构：前轮驱动+手动变速箱，前轮驱动+自动变速箱，后轮驱动+手动变速箱，后轮驱动+自动变速箱（见下图3）。当发动机达到峰值扭矩时，系统减速比最大时（变速箱1档或倒档时），半轴可得到最大发动机输入扭矩。以下分类解析了每种布置的动力传递的方式和最大发动机扭矩计算方法。图3 两驱汽车动力系统布置示意图（绿线箭头表示扭矩传递的路径）2.2.1前轮驱动+手动变速箱前进时，半轴受到的最大发动机扭矩：(1)后退时，半轴受到的最大发动机扭矩：(2)2.2.2前轮驱动+自动变速箱前进时，半轴受到的最大发动机扭矩：(3)后退时，半轴受到的最大发动机扭矩：(4)2.2.3后轮驱动+手动变速箱前进时，半轴受到的最大发动机扭矩：(5)后退时，半轴受到的最大发动机扭矩：(6)2.2.4后轮驱动+自动变速箱前进时，半轴受到的最大发动机扭矩：(7)后退时，半轴受到的最大发动机扭矩：(8)2.2 地面附着扭矩计算下图4为整车的附着力示意图。图4 整车附着力示意图在计算两驱汽车半轴附着扭矩时，应按驱动方式和运行工况的不同，分别对以下4种情况进行计算：后驱前进，后驱后退，前驱前进，前驱后退（参见图5）。图5 附着力受力简图2.2.1 前驱前进前轮为驱动轮，后轮为从动轮。由地面提供的附着力为uF，于整车有向前加速的运动趋势，应此整车重心上产生惯性力相当于uF，方向与附着力uF方向相反。以后轮与地面接触点O 为零点建立受力方程：(9)则地面提供给前轮的支撑力： (10)前桥单个车轮上受到的附着力矩： (11)2.2.2前驱后退前轮为驱动轮，后轮为从动轮。由地面提供的附着力为uF，于整车有向后加速的运动趋势，应此整车重心上产生惯性力相当于uF，方向与附着力uF方向相反。以后轮与地面接触点O 为零点建立受力方程： (12)则地面提供给前轮的支撑力： (13)前桥单个车轮上受到的附着力矩： (14)2.2.3后驱前进前轮为从动轮，后轮为驱动轮。地面提供的附着力为uF，于整车有向前加速的运动趋势，应此整车重心上产生惯性力相当于uF，方向与附着力uF方向相反。以前轮与地面接触点O 为零点建立受力方程： (15)则地面提供给后轮的支撑力： (16)后桥单个车轮上受到的附着力矩： (17)2.2.4后驱后退前轮为从动轮，后轮为驱动轮。由地面提供的附着力为uF，于整车有向后加速的运动趋势，应此整车重心上产生惯性力相当于uF，方向与附着力uF方向相反。以前轮与地面接触点O 为零点建立受力方程： (18)则地面提供给后轮的支撑力： (19)后桥单个车轮上受到的附着力矩： (20)2.3 半轴最大承载扭矩的选择方法2.3.1 手动变速箱车辆对于手动变速箱，当附着扭矩小于发动机输入扭矩时，驱动轮产生打滑，此时半轴所承载最大扭矩就为附着扭矩。而当地面最大附着扭矩大于发动机输入扭矩时，附着力可以充分满足车辆驱动需求，此时半轴所承载最大扭矩就为发动机输入扭矩。因此对于使用手动变速箱的车辆而言，半轴所承载最大扭矩为发动机输入扭矩和附着扭矩两者之间的较小值，以下为取值公式：TFJmax = Min(TEGmax, TAmax) (21)TRJmax = Min(TEGmax, TAmax) (22)TJmax = Max(TFJmax, TRJmax) (23)2.3.1.1 前驱车辆前进时，通过(1)式求得TEGmax，通过(11)式求得TAmax，带入(21)式，得TFJmax后退时，通过(2)式求得TEGmax，通过(14)式求得TAmax，带入(22)式，得TRJmax将TFJmax和TRJmax代入(23)式，可求得半轴的最大承载扭矩TJmax2.3.1.2 后驱车辆前进时，通过(5)式求得TEGmax，通过(17)式求得TAmax，带入(21)式，得TFJmax后退时，通过(6)式求得TEGmax，通过(20)式求得TAmax，带入(22)式，得TRJmax将TFJmax和TRJmax代入(23)式，可求得半轴的最大承载扭矩TJmax2.3.2 自动变速箱车辆对于自动变速箱，尽管驱动轮将在行驶过程中还是会存在打滑的情况，但由于自动变速箱的结构原因，驾驶员在踩刹车制动的同时是可以踩油门施加扭矩给车轮。此时车轮已经被制动锁死但传动半轴却可以受到发动机输出的扭矩。在这样的情况下就意味着可以完全不考虑地面附着扭矩，只需比较前进和后退时半轴受到的发动机最大输入扭矩既可。2.3.2.1 前驱车辆前进时，通过(3)式求得TEGmax，此时TFJmax = TEGmax后退时，通过(4)式求得TEGmax，此时TRJmax = TEGmax将TFJmax和TRJmax代入(23)式，可求得半轴的最大承载扭矩TJmax2.3.2.2后驱车辆前进时，通过(7)式求得TEGmax，此时TFJmax = TEGmax后退时，通过(8)式求得TEGmax，此时TRJmax = TEGmax将TFJmax和TRJmax代入(23)式，可求得半轴的最大承载扭矩TJmax3 整车计算实例表1为国内某款家用轿车的整车动力参数，下面将根据此表来计算半轴最大承载扭矩TJmax表1 整车动力参数表车辆类别轿车驱动型式2WD 前置前驱参数类型英文缩写数值单位发动机1.5VVT燃料汽油最大发动机扭矩TEmax142Nm变速器类型手动5MT变速箱1档速比i13.545-变速箱2档速比i21.952-变速箱3档速比i31.276-变速箱4档速比i40.971-变速箱5档速比i50.763-变速箱倒档速比iR3.333-变速箱主减速比iFD3.722-手动变速箱效率系数fMT0.95-半轴传递效率系数EC0.995-发动机冲击系数fC2.5- 整备重量Q1650kg轴距L2.6m重心到前轮距离A1.287m重心到后轮距离B1.313m车辆重心高 H0.6m静态轮胎半径RS0.297m附着冲击系数fS2-地面摩擦系数u1-此车型动力系统布置为：前轮驱动+手动变速箱前进时，通过(1)式求得TEGmax = 2213.8Nm，通过(11)式求得TAmax = 1972.5Nm，带入(21)式，得TFJmax = 1972.5Nm后退时，通过(2)式求得TEGmax = 2081.4Nm，通过(14)式求得TAmax = 3156.1Nm，带入(22)式，得TRJmax = 2081.4Nm将TFJmax和TRJma