汽车等速驱动轴与变速箱联接的紧定研究

1、equipment manufactring technology no.7,2012麦承贤（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州545007 ）摘 要:研究前驱汽车等速駆动轴与变速箱之间的花梃轴联接和定位环卡紧，推导出驱动轴安装和拔出时使定位环收 缩的压入力、拔出力的计算公式，得出压入力、拔出力的大小由定位环的设计参数和导向角、摩擦系数确定，拔出力对 压入力的比率系数,是稳定的常数，是由联接零件半轴齿轮上压入导向角、拔出导向角确定的。关键词：前汽车;驱动轴；变速箱；定位环;收缩中图分类号:u463.2文章编号:1672-545x( 2012 )07-0006-04驱动轴输联接昭变速箱输出

2、联接凸缘变速箱ax凰动轴（左）轴（杠）车轮（右）1 驱动轴与变速箱及车轮的布置示意半轴齿相对于变速箱的半轴齿轮和车轮的轮毂这两个 旋转轴来说，驱动轴本身就是一有桂性能的挠性3前驱汽车作为乘用丰的主体，日益深入普及到 人们的工作生活当中,车辆的行驶安全和功能保证,传动系统中的关键部件，有变向传动和内部滑移伸 缩功能，其将变速箱内差速器的半轴齿轮所输出的 扭矩和转速接入，经变向之后，传到前轮毂,驱动车 轮转动而使汽车行驶。驱动轴大都设计使用等速万 向节,所以也常叫做等速驱动轴。等速驱动轴和变速 箱之间的联接结构设计，是关系到汽车行驶中动力 传递是否稳固，会否出现动力断脱造成车辆行驶事 故的关键,需

3、要做到设计保证。1等速驱动轴与变速箱的联接型式等速驱动轴与变速箱之间，需要传递扭矩和转 速，就要对两个旋转的轴一变速箱的半轴齿轮和 驱动轴的输入轴一 行联接。在这里，两个轴是同 轴的，这个联接可以设计成简易化的联轴器。这样的 联接在变速箱的差速器部位左右两侧各有一个,分 别驱动车辆的左右驱动轴进行转动，进而驱动轮毂 和车轮转动，如图1所示。联轴器。前驱汽车的等速驱动轴与变速箱之间的简易 化的轴联接，通常采用的是凸缘联接和花键轴联接。1.1凸缘联接凸缘联接型式如图2所示，变速箱的动力输出 端和驱动轴的动力输入端都设计成凸缘，即带有定 心止口的法兰，使用螺栓和螺母紧固。这种联接型式 结构简单，拆卸

4、方便，稳固可靠。2 凸缘联接型式示意图1.2花键轴联接花键轴联接型式如图3所示。驱动轴的轴端直 接插入变速箱内，与差速器的半轴齿轮接合，驱动轴 的轴端加工成一段花键轴,半轴齿轮加工有花键孔,收稿日期:2012-04-05作者简介凌承贤（1971）,男,广西柳州人，工程师,工学学士,主攻汽车传动系统零部件设计、汽车底盘零部件产品品质的提升。轴和齿轮采用花键来接合传递动力。花键轴在与齿 轮花键孔配合长度之外的头部,加工有一个环槽,放 入环形弹簧做定位环，将花键轴即等速驱动轴紧定 在变速箱内,使其不能随意松脱。这种联接型式接近于在凸缘联接型式基础上, 将变速箱输出联接凸缘及轴转移成驱动轴的部分, 使

5、原属于变速箱内部结构的输出凸缘轴与半轴齿轮 的联接，转移成驱动轴与变速箱的两大传动系统部件之间的联接。这种花键轴联接型式，相比成本更 低，结构也更简单。凸缘联接型式的驱动轴与变速箱联接，使用螺 栓和螺母紧固，稳固可靠，不需多做分析。花键轴联 接型式的驱动轴与变速箱联接，只靠驱动轴花键上 的定位环来紧定，同时在驱动轴装配、拆卸过程,还 需要压缩定位环使配合的花键轴和孔能够接合、脱 离,下文将对此联接紧定做逐步地分析研究。2等速驱动轴装配和拔出受力分析2.1定位环的功能及装配过程变化定位环是一种环形弹簧，如图4所示。其自由状 态时直径为d,受到径向的力f后,产生弹性变形, 直径收缩为d2,此时其直

6、径尺寸小于半轴齿轮花键 孔小径，可以在花键孔内滑动。d2 一图4定位环受力直径收缩示意如图5所示，在驱动轴对变速箱的装配过程，定 位环在4点位置碰触到半轴齿轮，受到装配压入力 作用而受压收缩直到b点位置，然后滑动到c点位 置，再随着内孔直径变大而张开直到d点位置，恢复 自由状态。定位环亦是在d点位置起卡紧作用，将驱 动轴紧定在变速箱内。驱动轴半轴齿轮5 驱动轴装配.拆卸过程定位环位置变化示意反之,驱动轴从变速箱的拆卸过程,是在拆卸拔 出力作用下仮方向从d点压缩到c点，然后滑动到 b点,再张大恢复到4点而脱出。2.2装配受力分析在驱动轴装配过程，定位环受到压入力作用而 压缩，压缩时的定位环受力状

7、态如图6(a)所zkop(«) 6 驱动轴装配、拆卸过程定位环受力示意图 图中，iniimp为驱动轴装配的压入力；m为半轴齿轮对定位环的正压反力；/i为半轴齿轮对定位环滑动的摩擦阻力； f,为定位环压缩产生的反弹张力；b为半轴齿轮对驱动轴压入导向的角度。 根据力学知识，有p 二 m sin 0 +/】cos bfi + /i sin 0 = ni cos /3f = kx(1)(2)(3)(4)式中，灼为定位环压入时压缩滑动的摩擦系数； k为定位环径向压缩弹性系数即刚度； 为定位环压入直径尺寸变化压缩量。由式(1)到式(4),可得p-滋1 (sin0+m cos0)/(cos0“1

8、sin/3) (5) 从式(5)可知,压入力p与定位环的弹性系数k、 压缩量的、压入导向角0、压入摩擦系数曲有关。2.3拆卸受力分析在驱动轴拆卸过程，定位环受到拔出力作用而 压缩，压缩时的定位环受力状态如图6(b)所示。图中,q为驱动轴拆卸的拔岀力；n2为半轴齿轮对定位环的正压反力；f2为半轴齿轮对定位环滑动的摩擦阻力; f2为定位环压缩产生的反弹张力， e为半轴齿轮对驱动轴拔出导向的角度。 同样,根据力学知识，有q 二 nq sin 0 + f2 cos 6f2+fi sin b = nd cos 0fz-2 n2f2 = k%2(6)(7)(8)式中,“2为定位环拔岀时压缩滑动的摩擦系数;

9、 为定位环拔出直径尺寸变化压缩量。由式(6)到式(9),可得equipment manu&ctring technology no>7,2012q=滋 2 (sin 0+“2 cos 0)/(cos 0sin 0) (10) 从式(10)可知,拔出力q与定位环的弹性系数 匕压缩量2、压入导向角0、压入摩擦系数“2有关。 2.4压入力与拔出力的关系由式、式仃0),可得x2(sin 0 +1 cos 0)(cos£ -/x, sinjs) xt (sin 0 + ah cos ©(cos 0 “i sin 0) 定位环不管是压入过程还是拔出过程，都需要 将其直径压

10、缩到等于半轴齿轮花键孔的小径之后,p (11)才能通过花键配合部位，也就是说压入压缩量和拔 出压缩量是相等的，即孙二牝，则式)简化为(sin 0 + 他 83 砒(co80 -冋 sinqp ( (sin 0 + mi cos j3)(cos 8sin 设定kj为拔出力对压入力的比率系数，那么即有 q = kjpk _ (sin 0 + 吗 cos &)(cosb _山 sinj0)1(sin8 +r cos)8)(cos 0 -吗 sin 0)通常地，定位环在压入变速箱时,都会粘裹一层 润滑油，这样压入、拔出的滑动摩擦系数基本上是相(13)(14)等的，设定定位环相对半轴齿轮的有润滑

11、的滑动摩擦系数为“，即“1则有(sin 0 +“cos 0)(cos0(sin )3 + p cos 8) (cos 0 - p sii询7 (sin 0 +/jl cos 0)(cos 0 -/t sin 0)(sin0 +“ cos js)(cos 0 -“ sin 0)从式(16)可以看出，驱动轴拔出力对压入力的(15)(16)比率系数冇半轴齿轮花键孔的结构尺寸相关，具体 地说，就是与拔出导角、压入导角相关。从图7可以 看出，摩擦系数“变化,对比率系数約的值的大小变 化影响微小。 4 _. _0 l 1丄1上丄 丄 _ _l t十丄r_ 丄一丄 亠1 _ i l 1q0 q®

12、q0 & a 3 3 $ 3摩擦系效"7比率系数相对犀擦系数变化曲线3合理设定驱动轴的压入力和拔出力从前驱汽车的生产流程来看，驱动轴的装配是 在发动机的模块分装线完成的，而且这一过程很难采用机械手，都是使用人工来完成o这就要求压入力的大小，能够让操作者比较轻松地完成每一次装配 动作，符合人机工程。同时,驱动轴的拆卸拔出力，也要满足车辆行驶 安全要求。车辆行驶中，悬挂系统的作用，使车身始终相对车轮上下跳动变化，加上车辆转向时车轮的 角度变化，都使驱动轴的内侧即联结变速箱端的尊、 速万向节一直在进行着万向节轴交角变化和中间轴. 滑移运动。中间轴滑移运动，会拉扯万向节护罩变形，产生

13、拉扯力,拉扯力拉动联接的花键轴产生向外脱出的趋势，当拉扯力等于拆卸拔出力时，联接的花 键轴就会脱出。以目前比较受欢迎的一款小排量轿车的联接参 数进行实际计算,仅用各零件尺寸中值,不讨论其尺 寸公差,压入和拔出的滑动廉擦系数取相等,最终的 设定及计算结果为:压入力p= 150 n;拔出力q = 418 no拔出力对压入力的比率系数钻=2.79 o台架试验检测4.1压入力、拔出力检测如图8所示，将驱动轴与变速箱只取联接部位， 驱动轴的花键轴端头和变速箱的差速器，放置在测 量台，固定差速器，电子显示测力器放在油缸推杆和 压头中间连成一体,油缸运动压、拉驱动轴的花键轴 端头,形成装配压入和拆卸拔出的过

14、程,测力器测量 显示的数据即是压入力和拔出力的数值。ib测力器一驱动轴差速器图8压入力拔出力m图对5次测量得到的数据如表1所示。 表1驱动轴压入力和拔出力的测量数值则i 丁力 148拔出力| “0数据显示与理论分析计算的数据基本保持一致。 4.2拉扯力检测测量驱动轴自身中间轴滑动和摆动时拉动橡胶 护罩变形产生的拉扯力，如图9所示。4500ha*ii7506204470平均值157560l>联接轴端/ 橡胶护罩变形9罩变形拉扯力中间轴将驱动轴的中间轴紧固，油缸连上花键轴端头进 行拉拔,测试橡胶变形过程中的油缸拉力峰值,即是橡 胶变形拉扯力。对5次测量得到的数据如表2所列。表2 驱动轴橡胶护

15、罩变形拉扯力的测量数值7平遍48£拉扯力 77次数26835847365数据显示，拉扯力远远小于驱动轴拔出力，不会 对车辆产生安全威胁°（1）驱动轴装配压入力的大小,与定位环的设计 参数有关,同时还与压入导向角、摩擦系数有关。（2）驱动轴拆卸拔出力的大小，与定位环的设计 参数有关,同时还与拔出导向角、摩擦系数有关°（3）拔出力对压入力的比率系数，是稳定的常 数,由联接零件半轴齿轮上压入导向角、拔出导向角 确定。5结束语花键轴式联接是前驱汽车等速驱动轴与变速箱之间联接的普遍选择，在确定了联接的花键尺寸大 小后,对联接进行卡紧定位的定位环设计，这设计环 节是相当重要的

16、。参考文献：濮良贵，纪名刚.机械设计（第七版）m北京:高等教育出 版社,2001.2刘延柱，杨海兴,朱本华.理论力学（第2版）m.北京:高等 教育出版社,2001.3陈家瑞.汽车构造（第2版）mj.北京：机械工业出版社, 2005.circlip slip analysis of the front drive shaft to transmissionmai cheng-xian(saic gm wuling automobile co., ltd., liuzhou guangxi 545007, china)abstract: by analysis o£ the spline

17、d shaft connection and the circlip locking form between the drive shaft and the transmission on the car, deducing the computing formula of the fitting force to fit the drive shaft into the transmission and the pulling force to pull the drive shaft out from the transmission we can know the conclusion

18、 that, the value of the fitting force and the pulling force would be determined by the design parameter of circlip and the guiding angle、the friction coefficient, the rate coefficient of the pulling force to the fitting force is a steady constant determined by the guiding angle for fitting and pulling at the connection gearkey words: front drive car; drive shaft; transmission; circlip; compression（上接第5页）experimental study on on-machine measurement of bue based on machine visionwang peng-fei, wang zhong-ren, qin kai-ge, xiang qing-bo, rao ji