礦 用 汽 車 傳 動 軸 的 受 力 分析

1、礦 用 汽 車 傳 動 軸摘要    萬向節(jié)傳動裝置由萬向節(jié)、傳動軸及中間支承組成。在礦用汽車上廣泛應(yīng)用剛性十字軸式雙萬向節(jié)傳動軸。對于傳動軸的使用、故障分析、維護保養(yǎng)應(yīng)該注意的事項。敘詞：礦用汽車 傳動軸 應(yīng)用 維護   傳動軸的受力分析    在汽車上，萬向傳動裝置最重要的使用場合是連接變速器第二軸（或分動器輸出軸）與主減速器的輸入軸。另外，有的汽車由于總體布置重要，在發(fā)動機和變速箱之間不直接連接而離開一定距離，為避免因安裝不準確和車架變形，使名義上同心的兩軸之間可能出現(xiàn)的傾角和偏移，也使用

2、萬向傳動裝置。    萬向傳動裝置由萬向節(jié)、傳動軸及中間支承所組成。    萬向節(jié)按鈕轉(zhuǎn)方向是否有明顯的彈性可分為剛性萬向節(jié)和撓性萬向節(jié)兩類。剛性萬向節(jié)又分為不等速萬向節(jié)（常用的為普通十字軸式）、等速萬向節(jié)和準等速萬向節(jié)三種。本文僅討論普通十字軸式剛性萬向節(jié)傳動裝置。    礦用汽車由于軸距較短，在變速箱輸出軸和后驅(qū)動橋主減速器輸入間普遍采用沒有中間支承的單軸普通雙剛性萬向節(jié)傳動軸的總成傳動。    當被連接的兩根軸不在同一直線上而采用

3、一個十字軸式萬向節(jié)傳動時，從動軸旋轉(zhuǎn)的角度是不均勻的。其運動學特點簡單分析如下。    設(shè)主動叉軸與從動叉軸夾角為,主動叉軸以等角速度1旋轉(zhuǎn)，十字軸萬向節(jié)轉(zhuǎn)動半徑為r。先看兩個特殊位置的速度：    （1）主動叉在垂直位置，并且十字軸平面與主動軸垂直，如圖1a）所示。主動叉與十字軸連接點a的線速度Va在十字軸平面內(nèi)，Va=1r;從動叉與十字軸連接點b的線速度Vb在與主動叉平行的平面內(nèi)，并且垂直于從動軸，點b的線速度Vb可分解為在十字軸平面內(nèi)的速度V'b和垂直于十字軸平面的速度V"b。由速度直角三角

4、形可看出在數(shù)值上Vb>V'b。十字軸是對稱的，oa=ob。當萬向節(jié)傳動時，十字軸是繞O點轉(zhuǎn)動的，其上a、b兩點于十字軸平面內(nèi)的線速度在數(shù)值上應(yīng)相等，即V'b=V,因此Vb>Va。因此可知，當主從動叉轉(zhuǎn)到所述位置時，從動軸的轉(zhuǎn)速大于主動軸的轉(zhuǎn)速。    （2）主動叉在水平位置，并且十字軸平面與從動軸垂直，如圖1b）所示。此時主動叉與十字軸連接點a的線速度在平行于從動叉的平面內(nèi)，并且垂直于主動軸。線速度V可分解為在十字軸平面內(nèi)的速度V'和垂直于十字軸平面的速度V"，根據(jù)同樣道理，在數(shù)值上,Va>V'

5、而V'=Vb，因此，V=Vb即當主從動叉轉(zhuǎn)到所述位置時，從動軸轉(zhuǎn)速小于主動軸轉(zhuǎn)速。    （3）顯然，由a點V=1rV'b=Vbcos=2rcos可知1=2cos或2=1/cos    由（2）點V'=Vcos=1rcosVb=2r可知1=2/cos或2=1cos    即當主動叉軸以等速度1轉(zhuǎn)動，主動叉由垂直位置轉(zhuǎn)到水平位置時，從動叉軸的角速度由大于主動叉角速度的最大值1/cos變化至小于主動叉角速度的最小值1cos。主動軸再轉(zhuǎn)90度，從動軸的角速度

6、又由最小值變至最大值。從動軸角速度的變化周期為180度。即在一圈內(nèi)變化兩次，而且從動軸不等速的程度是隨兩軸間夾角的加大而加大。    以上分析說明普通剛性十字軸萬向的傳動不等速性。所謂“傳動的不等速性”，是指從動叉軸在轉(zhuǎn)動一周中角速度不均勻而言，而主、從動軸的平均轉(zhuǎn)速是相等的，即主動軸轉(zhuǎn)過一周，從動軸也轉(zhuǎn)過一周。    為了實現(xiàn)等角速度傳動，以消除不等速的影響，可將兩個萬向節(jié)按圖2所示布置。實踐和理論分析證實，只要第一個萬向所連兩軸間夾角1與第二個萬向節(jié)所連兩軸間夾角2相等，并且第一個萬向節(jié)的從動叉與第二個萬向節(jié)的

7、主動叉在同一平面內(nèi)，則經(jīng)過雙萬向節(jié)傳動,可使第二個萬向節(jié)從動叉軸與第一個萬向節(jié)主動叉軸一樣作等角速轉(zhuǎn)動。傳動軸的受力分析         圖2 采用不等速萬向節(jié)傳動軸簡圖     必須說明，這里所謂等角速轉(zhuǎn)動是指傳動軸兩端的輸入軸(主動叉軸)和輸出軸(第二個從動叉軸)而言，對傳動軸自身來說，只要軸間夾角不為零，它就是以不等角速旋轉(zhuǎn)的。     剛性十字軸式萬向節(jié)從動軸以每周變化兩次的周期進行不等角速度旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角加速度會引起較大的慣

8、性力矩，從而可能引起傳動系統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)振動。    剛性十字軸式萬向節(jié)傳動中主動叉軸扭矩M1與從動叉軸扭矩M2的變化關(guān)系即動力學特征。簡要說明如下：如果不計萬向節(jié)里的摩擦損失，即有M11=M22由萬向節(jié)運動學特征可知，當1以等速旋轉(zhuǎn)時，隨萬向節(jié)旋轉(zhuǎn)所處位置不同，從動軸角速度2在1/cos至1cos之間不均勻變化。顯然，當萬向節(jié)主動叉處在垂直位置，萬向節(jié)十字軸平面與主動軸垂直時，如3a）圖所示，從動叉軸上的扭矩最小，即M2min=M1cos。當萬向節(jié)主動叉在水平位置，萬向節(jié)十字軸平面與從動叉軸垂直時，從動叉軸上的扭矩最大，即M2max=M1/cos。 

9、;   這說明具有夾角的十字軸萬向節(jié)僅在主動叉軸驅(qū)動扭矩和從動叉軸上反扭矩的作用下是不能平衡的，這是因為此兩扭矩作用在不同平面,其向量互成一角度而不能自行封閉。只有在主動叉與從動叉對十字軸的力矩作用平面同十字軸平面共平面時，十字軸才能平衡。主動叉對十字軸的作用力矩，除主動扭矩M1之外，還有作用在主動叉平面的彎曲力矩M'1。同理，從動叉對十字軸也作用有從動軸反扭矩M2和作用在從動叉平面的彎曲矩M'2。    設(shè)萬向節(jié)主動叉處于垂直位置，十字軸平面與主動軸垂直是，如圖3a)所示，由于M1作用在十字軸平面，M

10、9;1必為零，因M2的作用平面與十字軸不共平面，必有M'2存在。向量M'2是垂直于M2的，合向量M'2+M2指向十字軸平面的法線方向，而與M1方向相反，大小相等。由力矩向量三角形可知M'1=M1sin。當萬向節(jié)主動叉處于水平位置，十字軸平面與從動軸垂直時，同理可知M'2=0主動叉上的附加彎曲力矩M'=M1tg,如圖3b）所示。    由此可見，附加彎曲力矩的數(shù)值零與以上兩公式所表示的最大值之間變化的，其變化周期為180度。即每轉(zhuǎn)變化兩次。附加彎矩可在萬向節(jié)主、從動軸支承上引起周期性變化的徑向載荷，并有可能激

11、起支承的振動。    圖3 十字軸萬向節(jié)的力矩平衡    兩端連接萬節(jié)向的傳動軸是一個細而長的零件，在自身的重力F作用下，傳動軸中部會產(chǎn)生微量彎曲，使傳動軸中心(即質(zhì)量中心)相對旋轉(zhuǎn)心線有一偏移(初撓度)a,如圖4所示，如果考慮到部件各部軸與孔的間隙，傳動軸品質(zhì)的不均勻，則a將再增大。在傳動軸旋轉(zhuǎn)時，在質(zhì)量中心所示產(chǎn)生的離心力將引起傳動軸的進一步彎曲，產(chǎn)生附加撓度y。由于重力的大小和方向是不變的，而離心力的大小和方向是改變的，故使傳動軸彎曲的合力(重力和離心力的向量和)也周期性的變化，使傳動軸的撓度也隨之變化。即傳

12、動軸的旋轉(zhuǎn)將伴隨有彎曲振動(強迫振動),它的頻率即等于傳動軸的轉(zhuǎn)速。    對于兩端自由支隨(開式傳動軸)的空心傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速為：     圖4 傳動軸的彎曲振動式中： E材料彈性模數(shù)J抗彎慣性矩D傳動軸外徑d傳動軸內(nèi)徑g傳動軸單位長度重量L傳動軸長度     傳動軸在實際設(shè)計時，要使傳動軸最高轉(zhuǎn)速0.7nko。    以上對剛性十字軸式雙萬向節(jié)傳動軸的簡要傳動原理分析對于我們正確使用和制造具有生要的指導(dǎo)意義。礦用汽車傳動軸傳遞扭矩大

13、，轉(zhuǎn)速高，使用條件變化頻繁，道路環(huán)境惡劣。剛性十字軸式雙萬向節(jié)傳動軸由于在軸間交角變化時能可靠地傳遞動力，結(jié)構(gòu)簡單，傳動效率高，因此在礦用汽車上也得到了廣泛應(yīng)用。但由于十字軸式萬向節(jié)的傳動瞬時不等速性，使傳動軸及其相連的傳動部件產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動，從而產(chǎn)生附加的交變載荷，影響部件和軸承的使用壽命，甚至還會產(chǎn)生振動。因此，在汽車設(shè)計時只能保證由于萬向節(jié)夾角而產(chǎn)生的附加載荷，振動和噪聲在允許的范圍內(nèi)。由此可見，傳動軸雖然結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但技術(shù)要求是很高的。否則會出現(xiàn)抖振、發(fā)響，嚴重時會出現(xiàn)斷軸現(xiàn)象。    在傳動軸的設(shè)計和制造中，為保證由于萬向節(jié)夾角在工作中不斷變化

14、產(chǎn)生的附加載荷，以及傳動軸在旋轉(zhuǎn)中因其花鍵的間隙在重力和離心力雙重作用下產(chǎn)生的彎曲所引起的振動和共振在允許的范圍之內(nèi)，除了要保證十字軸軸頸、軸承座、花鍵、連接叉等零件有足夠的抗剪切、抗擠壓強度外，我廠還采取了以下優(yōu)化結(jié)構(gòu)和工藝來保證礦用汽車傳動軸的整體品質(zhì)。    (1)凸緣叉與萬向節(jié)聯(lián)接采用國際上流行的鍵式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)加工與裝配精度高、強度好，所有力矩均由萬向節(jié)與凸緣叉配合的鍵來傳遞(螺釘只起到將兩個零件連接在一起的作用，不傳遞扭矩)，克服了法蘭式凸緣在使用中因振動引起螺釘松動，破壞裝配關(guān)系和零件相對位置而引起發(fā)的抖動，螺釘切斷，傳動軸打壞等缺陷。&#

15、160;   (2)傳動軸花鍵采用漸開線花鍵：因漸開線花鍵具有齒形強度高，工作中自動對中性好，工藝性好，易獲得較高的加工精度等無法替代的優(yōu)點。從而使傳動軸因間隙在自重和離心力的作用下產(chǎn)生的彎曲降低到最小，以確保傳動軸在不斷變化的旋轉(zhuǎn)中保持較好的動平衡。    (3)采用統(tǒng)一定位基準：對傳動軸各零件和與之匹配的輸出、輸入凸緣在設(shè)計、加工、測量和裝配等環(huán)節(jié)采用同一基準(通常以軸心為基準)，輔以相應(yīng)的工裝夾具，確保加工精度，克服了因各工序采用不同基準所產(chǎn)生的累積誤差。    (4)選擇具有佳

16、加工工藝：花鍵軸采用立式花鍵銑成形刀具加工一次成形。對花鍵套則采用拉床加工?；ㄦI軸經(jīng)高頻淬火后對花鍵進行衍磨，以提高其表面光潔度，增大嚙合面積。在花鍵軸、凸緣叉與傳動軸軸管的焊接工序中采用專門的自動等溫焊接，以保證焊接后形量在允許范圍內(nèi)。    (5) 靜、動平衡檢驗：對傳動軸總成除了進行靜平衡檢驗外，還逐一進行平衡檢驗，將其平衡塊重量控制在25g以下(國外幾家大廠如卡特、特雷克斯、小松德萊賽等廠家要求平衡塊重量不大于65g即可)。3.1運行中應(yīng)經(jīng)常檢查傳動軸裝置是否完整，有無異常和損壞，特別注意萬向節(jié)定位蓋板、鎖片、螺釘、平衡片、防塵罩殼和防塵套、潤滑

17、油嘴等等細小零件是否損壞、丟失，如有損壞應(yīng)及時恢復(fù)，否則將會造成傳動軸的技術(shù)狀況下降和破壞傳動軸平衡。     3.2汽車運行中應(yīng)經(jīng)常檢查傳動軸連接螺釘緊固情況：由于傳動軸的傳動不等速性，在扭轉(zhuǎn)振動的作用下，傳動軸連接螺釘是很容易松動，特別是當連接螺釘使用較久（多次拆卸）或制造材料選擇不當，制造精度不高，性能達不到設(shè)計要求時，更容易松動脫落。     3.3汽車行駛時應(yīng)注意選擇行車路線，避開較大石塊等障礙物，防止傳動軸碰撞彎曲和軸管凹陷。傳動軸彎曲和凹陷會使傳動軸失去平衡，應(yīng)及時修復(fù)和更換。   

18、;  3.4良好的潤滑是最大限度地減少磨損延長傳動軸使用壽命的關(guān)鍵。傳動軸的潤滑點是萬向節(jié)的十字軸軸承及滑動花鍵，使用汽車通用的鋰基潤滑脂，保證每一個萬向節(jié)的四個十字軸軸承都能得到充分的潤滑，因此應(yīng)特別注意保持潤滑油道的通暢，如有堵塞,應(yīng)及時檢修。     傳動軸在工作中技術(shù)狀況變壞的主要征象是發(fā)響和抖振。傳動軸的抖振和發(fā)響可根據(jù)下述現(xiàn)象判斷。    起步和低速時車身發(fā)抖并有沖擊聲,在改變速度時更為明顯，此時若結(jié)合檢查萬向節(jié)軸承、花鍵軸及花鍵套鍵槽的磨損松曠及各部分固定螺栓是否松動，即可判斷是否

19、因為傳動軸松曠而發(fā)生發(fā)響抖振。也可用左右撬動傳動軸來判斷其曠動情況。     汽車行駛時，能聽到周期性的響聲，速度越快，聲音和振動越大?？諜n滑行時響聲和振動變化大，嚴重時車身駕駛室均有明顯的感覺。這時，可設(shè)法將汽車后橋架起（應(yīng)特別注意保證安全）使傳動軸在各種轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)，觀察傳動軸的振擺幅度變化情況，若排除傳動軸部件松曠因素，則傳動軸的抖振和噪聲是因傳動軸運轉(zhuǎn)不平衡所致。傳動軸使用和維修的注意事項傳動軸修理的任務(wù)是恢復(fù)傳動軸的技術(shù)狀況，使之符合傳動軸正常工作的基本條件的要求。     傳動軸零件的修理，應(yīng)根據(jù)“品質(zhì)可靠，技術(shù)上

20、可行，經(jīng)濟上合理”的原則，因地制宜地采用不同方法進行。    注意：    切忌為了節(jié)約采用舊件拼湊成萬向節(jié)或傳動軸總成使用，因為這樣的總成無法保證其正常配合間隙、可靠性和動平衡；    更換萬向節(jié)時應(yīng)同時更換固定螺釘，因為螺釘材料的疲勞是用肉眼無法檢查出來的，不要為了節(jié)約幾只螺釘而因小失大；    凸緣叉的鍵槽、定位止口磨損后應(yīng)及時更換，使用已磨損的凸緣叉是無法保證傳動軸的正確安裝位置的，且容易造成萬向節(jié)早期損壞或傳動軸不能正常運轉(zhuǎn)。    傳動軸在裝配時要保證主要零件的相互位置精度。    傳動軸修理后的總成應(yīng)符合動平衡的精度要求。    應(yīng)當說明的是，礦用汽車多為進口車