矿用汽车传动轴的受力分析

1、矿 用 汽 车 传 动 轴摘要    万向节传动装置由万向节、传动轴及中间支承组成。在矿用汽车上广泛应用刚性十字轴式双万向节传动轴。对于传动轴的使用、故障分析、维护保养应该注意的事项。叙词：矿用汽车 传动轴 应用 维护   传动轴的受力分析    在汽车上，万向传动装置最重要的使用场合是连接变速器第二轴（或分动器输出轴）与主减速器的输入轴。另外，有的汽车由于总体布置重要，在发动机和变速箱之间不直接连接而离开一定距离，为避免因安装不准确和车架变形，使名义上同心的两轴之间可能出现的倾角和偏移，也使用

2、万向传动装置。    万向传动装置由万向节、传动轴及中间支承所组成。    万向节按钮转方向是否有明显的弹性可分为刚性万向节和挠性万向节两类。刚性万向节又分为不等速万向节（常用的为普通十字轴式）、等速万向节和准等速万向节三种。本文仅讨论普通十字轴式刚性万向节传动装置。    矿用汽车由于轴距较短，在变速箱输出轴和后驱动桥主减速器输入间普遍采用没有中间支承的单轴普通双刚性万向节传动轴的总成传动。    当被连接的两根轴不在同一直线上而采用

3、一个十字轴式万向节传动时，从动轴旋转的角度是不均匀的。其运动学特点简单分析如下。    设主动叉轴与从动叉轴夹角为,主动叉轴以等角速度1旋转，十字轴万向节转动半径为r。先看两个特殊位置的速度：    （1）主动叉在垂直位置，并且十字轴平面与主动轴垂直，如图1a）所示。主动叉与十字轴连接点a的线速度va在十字轴平面内，va=1r;从动叉与十字轴连接点b的线速度vb在与主动叉平行的平面内，并且垂直于从动轴，点b的线速度vb可分解为在十字轴平面内的速度v'b和垂直于十字轴平面的速度v"b。由速度直角三角

4、形可看出在数值上vb>v'b。十字轴是对称的，oa=ob。当万向节传动时，十字轴是绕o点转动的，其上a、b两点于十字轴平面内的线速度在数值上应相等，即v'b=v,因此vb>va。因此可知，当主从动叉转到所述位置时，从动轴的转速大于主动轴的转速。    （2）主动叉在水平位置，并且十字轴平面与从动轴垂直，如图1b）所示。此时主动叉与十字轴连接点a的线速度在平行于从动叉的平面内，并且垂直于主动轴。线速度v可分解为在十字轴平面内的速度v'和垂直于十字轴平面的速度v"，根据同样道理，在数值上,va>v'

5、而v'=vb，因此，v=vb即当主从动叉转到所述位置时，从动轴转速小于主动轴转速。    （3）显然，由a点v=1rv'b=vbcos=2rcos可知1=2cos或2=1/cos    由（2）点v'=vcos=1rcosvb=2r可知1=2/cos或2=1cos    即当主动叉轴以等速度1转动，主动叉由垂直位置转到水平位置时，从动叉轴的角速度由大于主动叉角速度的最大值1/cos变化至小于主动叉角速度的最小值1cos。主动轴再转90度，从动轴的角速度

6、又由最小值变至最大值。从动轴角速度的变化周期为180度。即在一圈内变化两次，而且从动轴不等速的程度是随两轴间夹角的加大而加大。    以上分析说明普通刚性十字轴万向的传动不等速性。所谓“传动的不等速性”，是指从动叉轴在转动一周中角速度不均匀而言，而主、从动轴的平均转速是相等的，即主动轴转过一周，从动轴也转过一周。    为了实现等角速度传动，以消除不等速的影响，可将两个万向节按图2所示布置。实践和理论分析证实，只要第一个万向所连两轴间夹角1与第二个万向节所连两轴间夹角2相等，并且第一个万向节的从动叉与第二个万向节的

7、主动叉在同一平面内，则经过双万向节传动,可使第二个万向节从动叉轴与第一个万向节主动叉轴一样作等角速转动。传动轴的受力分析         图2 采用不等速万向节传动轴简图     必须说明，这里所谓等角速转动是指传动轴两端的输入轴(主动叉轴)和输出轴(第二个从动叉轴)而言，对传动轴自身来说，只要轴间夹角不为零，它就是以不等角速旋转的。     刚性十字轴式万向节从动轴以每周变化两次的周期进行不等角速度旋转，其旋转的角加速度会引起较大的惯

8、性力矩，从而可能引起传动系统的扭转振动。    刚性十字轴式万向节传动中主动叉轴扭矩m1与从动叉轴扭矩m2的变化关系即动力学特征。简要说明如下：如果不计万向节里的摩擦损失，即有m11=m22由万向节运动学特征可知，当1以等速旋转时，随万向节旋转所处位置不同，从动轴角速度2在1/cos至1cos之间不均匀变化。显然，当万向节主动叉处在垂直位置，万向节十字轴平面与主动轴垂直时，如3a）图所示，从动叉轴上的扭矩最小，即m2min=m1cos。当万向节主动叉在水平位置，万向节十字轴平面与从动叉轴垂直时，从动叉轴上的扭矩最大，即m2max=m1/cos。 

9、;   这说明具有夹角的十字轴万向节仅在主动叉轴驱动扭矩和从动叉轴上反扭矩的作用下是不能平衡的，这是因为此两扭矩作用在不同平面,其向量互成一角度而不能自行封闭。只有在主动叉与从动叉对十字轴的力矩作用平面同十字轴平面共平面时，十字轴才能平衡。主动叉对十字轴的作用力矩，除主动扭矩m1之外，还有作用在主动叉平面的弯曲力矩m'1。同理，从动叉对十字轴也作用有从动轴反扭矩m2和作用在从动叉平面的弯曲矩m'2。    设万向节主动叉处于垂直位置，十字轴平面与主动轴垂直是，如图3a)所示，由于m1作用在十字轴平面，m

10、9;1必为零，因m2的作用平面与十字轴不共平面，必有m'2存在。向量m'2是垂直于m2的，合向量m'2+m2指向十字轴平面的法线方向，而与m1方向相反，大小相等。由力矩向量三角形可知m'1=m1sin。当万向节主动叉处于水平位置，十字轴平面与从动轴垂直时，同理可知m'2=0主动叉上的附加弯曲力矩m'=m1tg,如图3b）所示。    由此可见，附加弯曲力矩的数值零与以上两公式所表示的最大值之间变化的，其变化周期为180度。即每转变化两次。附加弯矩可在万向节主、从动轴支承上引起周期性变化的径向载荷，并有可能激

11、起支承的振动。    图3 十字轴万向节的力矩平衡    两端连接万节向的传动轴是一个细而长的零件，在自身的重力f作用下，传动轴中部会产生微量弯曲，使传动轴中心(即质量中心)相对旋转心线有一偏移(初挠度)a,如图4所示，如果考虑到部件各部轴与孔的间隙，传动轴品质的不均匀，则a将再增大。在传动轴旋转时，在质量中心所示产生的离心力将引起传动轴的进一步弯曲，产生附加挠度y。由于重力的大小和方向是不变的，而离心力的大小和方向是改变的，故使传动轴弯曲的合力(重力和离心力的向量和)也周期性的变化，使传动轴的挠度也随之变化。即传

12、动轴的旋转将伴随有弯曲振动(强迫振动),它的频率即等于传动轴的转速。    对于两端自由支随(开式传动轴)的空心传动轴的临界转速为：     图4 传动轴的弯曲振动式中： e材料弹性模数j抗弯惯性矩d传动轴外径d传动轴内径g传动轴单位长度重量l传动轴长度     传动轴在实际设计时，要使传动轴最高转速0.7nko。    以上对刚性十字轴式双万向节传动轴的简要传动原理分析对于我们正确使用和制造具有生要的指导意义。矿用汽车传动轴传递扭矩大

13、，转速高，使用条件变化频繁，道路环境恶劣。刚性十字轴式双万向节传动轴由于在轴间交角变化时能可靠地传递动力，结构简单，传动效率高，因此在矿用汽车上也得到了广泛应用。但由于十字轴式万向节的传动瞬时不等速性，使传动轴及其相连的传动部件产生扭转振动，从而产生附加的交变载荷，影响部件和轴承的使用寿命，甚至还会产生振动。因此，在汽车设计时只能保证由于万向节夹角而产生的附加载荷，振动和噪声在允许的范围内。由此可见，传动轴虽然结构并不复杂，但技术要求是很高的。否则会出现抖振、发响，严重时会出现断轴现象。    在传动轴的设计和制造中，为保证由于万向节夹角在工作中不断变化

14、产生的附加载荷，以及传动轴在旋转中因其花键的间隙在重力和离心力双重作用下产生的弯曲所引起的振动和共振在允许的范围之内，除了要保证十字轴轴颈、轴承座、花键、连接叉等零件有足够的抗剪切、抗挤压强度外，我厂还采取了以下优化结构和工艺来保证矿用汽车传动轴的整体品质。    (1)凸缘叉与万向节联接采用国际上流行的键式结构。该结构加工与装配精度高、强度好，所有力矩均由万向节与凸缘叉配合的键来传递(螺钉只起到将两个零件连接在一起的作用，不传递扭矩)，克服了法兰式凸缘在使用中因振动引起螺钉松动，破坏装配关系和零件相对位置而引起发的抖动，螺钉切断，传动轴打坏等缺陷。&#

15、160;   (2)传动轴花键采用渐开线花键：因渐开线花键具有齿形强度高，工作中自动对中性好，工艺性好，易获得较高的加工精度等无法替代的优点。从而使传动轴因间隙在自重和离心力的作用下产生的弯曲降低到最小，以确保传动轴在不断变化的旋转中保持较好的动平衡。    (3)采用统一定位基准：对传动轴各零件和与之匹配的输出、输入凸缘在设计、加工、测量和装配等环节采用同一基准(通常以轴心为基准)，辅以相应的工装夹具，确保加工精度，克服了因各工序采用不同基准所产生的累积误差。    (4)选择具有佳

16、加工工艺：花键轴采用立式花键铣成形刀具加工一次成形。对花键套则采用拉床加工。花键轴经高频淬火后对花键进行衍磨，以提高其表面光洁度，增大啮合面积。在花键轴、凸缘叉与传动轴轴管的焊接工序中采用专门的自动等温焊接，以保证焊接后形量在允许范围内。    (5) 静、动平衡检验：对传动轴总成除了进行静平衡检验外，还逐一进行平衡检验，将其平衡块重量控制在25g以下(国外几家大厂如卡特、特雷克斯、小松德莱赛等厂家要求平衡块重量不大于65g即可)。3.1运行中应经常检查传动轴装置是否完整，有无异常和损坏，特别注意万向节定位盖板、锁片、螺钉、平衡片、防尘罩壳和防尘套、润滑

17、油嘴等等细小零件是否损坏、丢失，如有损坏应及时恢复，否则将会造成传动轴的技术状况下降和破坏传动轴平衡。     3.2汽车运行中应经常检查传动轴连接螺钉紧固情况：由于传动轴的传动不等速性，在扭转振动的作用下，传动轴连接螺钉是很容易松动，特别是当连接螺钉使用较久（多次拆卸）或制造材料选择不当，制造精度不高，性能达不到设计要求时，更容易松动脱落。     3.3汽车行驶时应注意选择行车路线，避开较大石块等障碍物，防止传动轴碰撞弯曲和轴管凹陷。传动轴弯曲和凹陷会使传动轴失去平衡，应及时修复和更换。   

18、;  3.4良好的润滑是最大限度地减少磨损延长传动轴使用寿命的关键。传动轴的润滑点是万向节的十字轴轴承及滑动花键，使用汽车通用的锂基润滑脂，保证每一个万向节的四个十字轴轴承都能得到充分的润滑，因此应特别注意保持润滑油道的通畅，如有堵塞,应及时检修。     传动轴在工作中技术状况变坏的主要征象是发响和抖振。传动轴的抖振和发响可根据下述现象判断。    起步和低速时车身发抖并有冲击声,在改变速度时更为明显，此时若结合检查万向节轴承、花键轴及花键套键槽的磨损松旷及各部分固定螺栓是否松动，即可判断是否

19、因为传动轴松旷而发生发响抖振。也可用左右撬动传动轴来判断其旷动情况。     汽车行驶时，能听到周期性的响声，速度越快，声音和振动越大。空档滑行时响声和振动变化大，严重时车身驾驶室均有明显的感觉。这时，可设法将汽车后桥架起（应特别注意保证安全）使传动轴在各种转速下运转，观察传动轴的振摆幅度变化情况，若排除传动轴部件松旷因素，则传动轴的抖振和噪声是因传动轴运转不平衡所致。传动轴使用和维修的注意事项传动轴修理的任务是恢复传动轴的技术状况，使之符合传动轴正常工作的基本条件的要求。     传动轴零件的修理，应根据“品质可靠，技术上

20、可行，经济上合理”的原则，因地制宜地采用不同方法进行。    注意：    切忌为了节约采用旧件拼凑成万向节或传动轴总成使用，因为这样的总成无法保证其正常配合间隙、可靠性和动平衡；    更换万向节时应同时更换固定螺钉，因为螺钉材料的疲劳是用肉眼无法检查出来的，不要为了节约几只螺钉而因小失大；    凸缘叉的键槽、定位止口磨损后应及时更换，使用已磨损的凸缘叉是无法保证传动轴的正确安装位置的，且容易造成万向节早期损坏或传动轴不能正常运转。    传动轴在装配时要保证主要零件的相互位置精度。    传动轴修理后的总成应符合动平衡的精度要求。    应当说明的是，矿用汽车多为进口车