獨立懸架轎車前橋等速萬向節(jié)驅(qū)動軸總成的異響分析

獨立懸架轎車前橋等速萬向節(jié)驅(qū)動軸總成的異響分析

b.位移托臂的寬度，mm。B1——球籠式萬向節(jié)回轉(zhuǎn)中心至該端驅(qū)動軸卡簧槽的距離,mmB2——雙偏置式萬向節(jié)回轉(zhuǎn)中心至該端驅(qū)動軸卡簧槽的距離,mmD0——鋼絲擋圈直徑,mmD1——筒形殼外口端卡簧槽直徑,mmDe——偏心保持架外球面直徑,mmDpw——球組節(jié)圓直徑,mmDw——鋼球直徑,mmL——驅(qū)動軸總成兩端定位端面的水平距離,mmL0——驅(qū)動軸總成兩端回轉(zhuǎn)中心的距離,mmL1——固定端驅(qū)動軸卡簧槽至端面的距離,mmL2——伸縮端驅(qū)動軸卡簧槽至端面的距離,mmL3——鐘形殼內(nèi)球面中心至基準面的距離,mmL4——筒形殼內(nèi)腔側(cè)壁至基準面的距離,mmLc——筒形殼卡簧槽寬度,mmLg——筒形殼溝道總長度,mmLp——鋼球與鋼絲擋圈接觸點(切點)至鋼絲擋圈截面中心的軸向距離,mmLk——筒形殼內(nèi)腔總深度,mmLk1——筒形殼內(nèi)腔有效深度,mmLk2——內(nèi)組件回轉(zhuǎn)中心至筒形殼內(nèi)腔側(cè)壁的距離,mmLw——筒形殼卡簧槽至外口端面的距離,mmLz——驅(qū)動軸總長度,mmΔL——驅(qū)動軸總成軸向伸縮量,mmΔLN——內(nèi)組件兩端軸向距離變化量,mme——偏心保持架偏心距(內(nèi)、外球面中心至窗孔中心的距離),mmε——驅(qū)動軸總成軸向伸縮量加長值,mmb(α)——當驅(qū)動軸總成與水平面夾角為α時,偏心保持架大徑端面的縱截距,mmb(α0)——初始狀態(tài)(α=α0)時,偏心保持架大徑端面的縱截距,mmb(αmin)——當α=αmin時,偏心保持架大徑端面的縱截距,mmb(αmax)——當α=αmax時,偏心保持架大徑端面的縱截距,mmLN(α)——當驅(qū)動軸總成與水平面夾角為α時,內(nèi)組件兩端的軸向距離,mmLN(α0)——初始狀態(tài)(α=α0)時,內(nèi)組件兩端的軸向距離,mmLN(αmin)——當α=αmin時,內(nèi)組件兩端的軸向距離,mmLN(αmax)——當α=αmax時,內(nèi)組件兩端的軸向距離,mmLN1(α)——當驅(qū)動軸總成與水平面夾角為α時,內(nèi)組件外口端軸向極限位置至回轉(zhuǎn)中心的軸向距離,mmLN1(α0)——初始狀態(tài)(α=α0)時,內(nèi)組件外口端軸向極限位置至回轉(zhuǎn)中心的軸向距離,mmLN1(αmin)——當α=αmin時,內(nèi)組件外口端軸向極限位置至回轉(zhuǎn)中心的軸向距離,mmLN1(αmax)——當α=αmax時,內(nèi)組件外口端軸向極限位置至回轉(zhuǎn)中心的軸向距離,mmLN2(α)——當驅(qū)動軸總成與水平面夾角為α時,內(nèi)組件內(nèi)腔軸向極限位置至回轉(zhuǎn)中心的軸向距離,mmLN2(α0)——初始狀態(tài)(α=α0)時,內(nèi)組件內(nèi)腔軸向極限位置至回轉(zhuǎn)中心的軸向距離,mmLN2(αmin)——當α=αmin時,內(nèi)組件內(nèi)腔軸向極限位置至回轉(zhuǎn)中心的軸向距離,mmLN2(αmax)——當α=αmax時,內(nèi)組件內(nèi)腔軸向極限位置至回轉(zhuǎn)中心的軸向距離,mmα——驅(qū)動軸總成與水平面的夾角,(°)α0——初始狀態(tài)時,驅(qū)動軸總成與水平面的夾角,(°)αmin——驅(qū)動軸總成與水平面夾角的最小值,(°)αmax——驅(qū)動軸總成與水平面夾角的最大值,(°)轎車等速萬向節(jié)驅(qū)動軸總成在行駛時,特別是轉(zhuǎn)向時,經(jīng)常出現(xiàn)異響現(xiàn)象。這不僅產(chǎn)生噪聲,甚至影響產(chǎn)品的使用壽命。異響現(xiàn)象顯然是驅(qū)動軸總成轉(zhuǎn)角或伸縮至極限位置時,等速萬向節(jié)內(nèi)部零部件間相互干涉所致。主要原因是產(chǎn)品設(shè)計時,對兩端等速萬向節(jié),特別是伸縮型等速萬向節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理沒有進行系統(tǒng)、清晰的分析;對其結(jié)構(gòu)主參數(shù)沒有進行精深的解析和計算;對驅(qū)動軸總成實際運動的復雜性估計不足;對前橋及驅(qū)動軸總成零部件的設(shè)計、制造、裝配等系統(tǒng)誤差對干涉所帶來的影響考慮得不夠。綜合上述各因素,對驅(qū)動軸總成異響現(xiàn)象進行全面的分析,并對其進行系統(tǒng)、精確的無干涉設(shè)計,以徹底解決這一問題。1節(jié)驅(qū)動軸總成結(jié)構(gòu)形式的選擇獨立懸架轎車轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋的結(jié)構(gòu)特點是兩側(cè)的車輪各自獨立地與車架或車身彈性連接,所以,必須配置左、右兩個結(jié)構(gòu)相同的等速萬向節(jié)驅(qū)動軸總成。等速萬向節(jié)驅(qū)動軸總成的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。而固定型等速萬向節(jié)一般均采用球籠式萬向節(jié);伸縮型萬向節(jié)有雙偏置式、交叉槽式和三球銷式等多種結(jié)構(gòu)形式。本文僅探討雙偏置式萬向節(jié)。固定型等速萬向節(jié)布置在車輪處,通過鐘形殼外花鍵與前輪轂內(nèi)花鍵聯(lián)結(jié),又通過鐘形殼中間部位的基準面與前輪轂的制口端面軸向定位。而伸縮型等速萬向節(jié)則布置在變速箱處,通過筒形殼外花鍵與差速器中的半軸齒輪內(nèi)花鍵聯(lián)結(jié),又通過筒形殼中間部位的基準面與變速箱殼體某制口端面軸向定位。2使伸縮型萬向節(jié)內(nèi)組件均勻無爭議,混合結(jié)構(gòu)設(shè)計的不足由于轎車前橋結(jié)構(gòu)布置的原因,車輪(或輪轂)中心與差速器半軸齒輪中心不重合。如圖1所示,初始狀態(tài)時,等速萬向節(jié)驅(qū)動軸總成即與水平面存在著一夾角α0,這是分析干涉現(xiàn)象,特別是無干涉設(shè)計必須考慮的至關(guān)重要的因素之一。驅(qū)動軸總成產(chǎn)生干涉的原因為:(1)由于初始狀態(tài)存在夾角α0,此時,偏心保持架轉(zhuǎn)角為α02α02,使伸縮型萬向節(jié)內(nèi)組件軸向極限長度較0°角時明顯增加。若筒形殼內(nèi)腔深度和溝道長度不變,顯然,驅(qū)動軸總成較0°角時的軸向伸縮量明顯減小。(2)產(chǎn)品設(shè)計時,未考慮到初始狀態(tài)夾角α0的影響,筒形殼內(nèi)腔深度和溝道長度取值較小。(3)驅(qū)動軸設(shè)計時忽略了初始狀態(tài)夾角α0的影響,使驅(qū)動軸的一系列長度尺寸計算失誤,導致伸縮型萬向節(jié)回轉(zhuǎn)中心偏離正確位置。(4)驅(qū)動軸總成及其零部件的設(shè)計、制造和裝配等累積誤差超過允許值。在筒形殼設(shè)計時未預先考慮其影響,在內(nèi)腔深度和溝道長度計算時未增設(shè)加長值。(5)前輪轂、變速箱及與驅(qū)動軸總成配合的其他零部件的設(shè)計、制造和裝配等累積誤差太大,遠遠超過允許值。在筒形殼設(shè)計時,亦考慮得不夠,使內(nèi)腔深度和溝道長度計算時,同樣亦未增設(shè)加長值,致使伸縮型等速萬向節(jié)的調(diào)節(jié)范圍不夠。上述原因,使得驅(qū)動軸總成轉(zhuǎn)角和伸縮到極限位置時,內(nèi)組件極易與筒形殼內(nèi)腔干涉,進而產(chǎn)生異響現(xiàn)象。這些原因的全面、系統(tǒng)、深入的分析,為精確進行驅(qū)動軸總成的無干涉設(shè)計提供了詳實的依據(jù),必須充分考慮。3筒形殼內(nèi)腔尺寸設(shè)計無干涉設(shè)計的實質(zhì)是已知內(nèi)組件的結(jié)構(gòu)尺寸和整車對驅(qū)動軸總成的伸縮量要求,在各種復雜條件下,對筒形殼內(nèi)腔深度、溝道軸向長度和驅(qū)動軸一系列長度尺寸進行設(shè)計計算,確保驅(qū)動軸總成在轉(zhuǎn)角和伸縮至極限位置時,內(nèi)組件與筒形殼外口及內(nèi)腔均無干涉。3.1驅(qū)動軸總成與雙偏置式千向節(jié)鋼球中心轉(zhuǎn)角dw的幾何關(guān)系圖2是當驅(qū)動軸總成與水平面夾角為α時,假定內(nèi)組件在筒形殼外口端極限位置(其中一個鋼球與卡簧接觸)的示意圖。O是鋼球中心,O2是內(nèi)組件回轉(zhuǎn)中心,O3是卡簧截面圓弧中心,P是鋼球與卡簧接觸點(切點)。O3,P和O2與鋼球中心線分別正交于A,B,C3點。由圖2的幾何關(guān)系可得:Ο3A=D1-D0-Dpw2?ΟΟ3=Dw+D02?ΟA=√ΟΟ23-Ο3A2=12√(Dw+D0)2-(D1-D0-Dpw)2。由于ΟBΟA=DwDw+D0,則ΟB=DwDw+D0?ΟA=Dw2(Dw+D0)√(Dw+D0)2-(D1-D0-Dpw)2。又由于雙偏置式萬向節(jié)鋼球中心轉(zhuǎn)角等于兩軸夾角的一半,則:ΟC=Ο2C?tanα2=Dpw2tanα2。顯然,當驅(qū)動軸總成與水平面的夾角為α時,LN1(α)為:LN1(α)=OB+OC。由此得:LΝ1(α)=12Dpwtanα2+Dw2(Dw+D0)[(Dw+D0)2-(D1-D0-Dpw)2]12(1)(1)式表明,LN1(α)是關(guān)于α的函數(shù)。代入α0,αmin,αmax,可分別得到LN1(α0),LN1(αmin),LN1(αmax)。3.2保持架內(nèi)截面的f點圖3是當驅(qū)動軸總成與水平面夾角為α時,內(nèi)組件在筒形殼內(nèi)腔極限位置(保持架大徑端面與外球面交點E)的示意圖。O2為內(nèi)組件回轉(zhuǎn)中心(偏心保持架窗孔中心),O4為偏心保持架外球面中心,顯然,O2O4=e。此時,偏心保持架軸線與水平面夾角為α2,現(xiàn)求解極限點E的位置尺寸。以O(shè)4點為坐標原點,建立平面直角坐標系xO4y,若偏心保持架大徑端面與驅(qū)動軸總成軸線的交點為F,則F點的坐標為((12B/cosα2-e)?cosα?(12B/cosα2-e)sinα)。直線EF的斜率k為:k=tan(90°+α2)(2)則直線EF的方程為:y=kx+b(α)(3)將F點坐標值和(2)式代入(3)式得:(12B/cosα2-e)sinα=(12B/cosα2-e)cosα?tan(90°+α2)+b(α)。由此得,當驅(qū)動軸總成與水平面夾角為α時b(α)=(12B/cosα2-e)[sinα-cosαtan(90°+α2)(4)(4)式表明,b(α)是關(guān)于α的函數(shù)。把α0,αmin,αmax代入(4)式中,分別得到b(α0),b(αmin),b(αmax)。偏心保持架外球面的方程為:x2+y2=De24(5)由于要探討的是E點的軸向位置,所以,僅求E點的橫坐標x即可。由(2),(3)和(5)式得:[1+tan2(90°+α2)x2+2xb(α)tan(90°+α2)+b2(α)-De24=0(6)由圖3知,E點橫坐標為(9)式中較大的根,即:x=√De2[1+tan2(90°+α2)〗-4b2(α)-2b(α)tan(90°+α2)2[1+tan2(90°+α2)〗(7)由圖3的幾何關(guān)系可得:LN2(α)=x+ecosα(8)將(7)式代入(8)式得:LΝ2(α)=√De2[1+tan2(90°+α2)〗-4b2(α)-2b(α)tan(90°+α2)2[1+tan2(90°+α2)〗+ecosα(9)(9)式表明,LN2(α)是關(guān)于α的函數(shù)。把α0,αmin,αmax代入(9)式中,分別得到LN2(α0),LN2(αmin),LN2(αmax)。3.3ln函數(shù)內(nèi)組件兩端極限尺寸應(yīng)為內(nèi)組件外口和內(nèi)腔兩端軸向極限位置至回轉(zhuǎn)中心的軸向距離之和。由此可得:LN(α)=LN1(α)+LN2(α)(10)(10)式表明,LN(α)亦是關(guān)于α的函數(shù)。把α0,αmin,αmax代入(10)式,可分別得到LN(α0),LN(αmin),LN(αmax)。3.4通過計算筒體內(nèi)部腔的向致尺寸3.4.1累積誤差值n驅(qū)動軸總成軸向伸縮量加長值ε包含了下列因素所形成的誤差值。(1)內(nèi)組件兩端軸向距離變化量ΔLN。ΔLN=LN(αmax)-LN(αmin)(11)(2)等速萬向節(jié)驅(qū)動軸總成零部件設(shè)計、制造及裝配等形成的累積誤差值。(3)與等速萬向節(jié)驅(qū)動軸總成配合的轎車前橋其他零部件設(shè)計、制造及裝配等形成的累積誤差值。(4)其他因素形成的誤差值。ε值應(yīng)為上述4項誤差值的總和,一般取ε=10～15mm。3.4.2計算lk1的數(shù)據(jù)Lk1=ΔL+LN(α0)+ε(12)3.4.3計算開口的成本由圖2的幾何關(guān)系知:Lp=ΟA-ΟB=D02(Dw+D0)√(Dw+D0)2-(D1-D0-Dpw)2(13)3.4.4計算lk的原因由圖2的幾何關(guān)系,可得:Lk=Lk1+Lp+Lw+Lc2(14)3.4.5偏心保持架內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔內(nèi)腔由于驅(qū)動軸總成伸縮端內(nèi)組件工作時,6個鋼球始終處于偏心保持架的中心部位,且在溝道內(nèi)工作,接觸不到筒形殼內(nèi)腔底部。所以,Lg應(yīng)比內(nèi)腔總深度略短,其值可按下式近似計算:Lg=Lk-B2+Dw2(15)3.5z的計算筒形殼內(nèi)腔軸向尺寸確定后,Lz的精確確定是確保驅(qū)動軸總成無干涉的又一重要條件,現(xiàn)對其進行設(shè)計計算。3.5.1中心平面位置的確定當驅(qū)動軸總成處于初始狀態(tài)(α=α0)時,內(nèi)組件最理想的位置是處于筒形殼內(nèi)腔有效深度的中部,即LN(α0)與Lk1的中心應(yīng)重合。由此可得:Lk2=LΝ2(α0)+Lk1-LΝ(α0)2(16)3.5.2速萬向節(jié)回轉(zhuǎn)中心由圖1的幾何關(guān)系可得L0為:L0=L-L3-L4-Lk2cosα0(17)驅(qū)動軸的主要結(jié)構(gòu)和軸向尺寸如圖4所示,O1和O2分別為固定型等速萬向節(jié)和伸縮型等速萬向節(jié)的回轉(zhuǎn)中心。由圖4的幾何關(guān)系可得:Lz=L0+L1+L2+H1+H2+B1+B2(18)若已知L和α0等條件,將(17)式代入(18)式得:Lz=L-L3-L4-Lk2cosα0+L1+L2+Η1+Η2+B1+B2(19)由(14),(15)和(19)式所得計算結(jié)果,可確保等速萬向節(jié)驅(qū)動軸總成在轉(zhuǎn)角和伸縮至極限位置,同時存在各種系統(tǒng)誤差等不利情況下,其內(nèi)部零件仍不產(chǎn)生干涉。4設(shè)計筒形殼內(nèi)腔及驅(qū)動軸的l某車型的等速萬向節(jié)驅(qū)動軸總成,其中固定型等速萬向節(jié)為球籠式萬向節(jié),伸縮型等速萬向節(jié)為雙偏置式萬向節(jié)。已知的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為