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基于模块化的驱动轴设计方法

2017-11-15 14:50| 发布者: CSWP| 查看: 203| 评论: 6|原作者: Ice_XIAO

摘要: 2017/11/8 来源:互联网 作者:宋建新 关键字:模块化设计方法驱动轴系统驱动轴夹角车轮打滑扭矩 随着汽车规模化、大批量的生产越来越普遍,模块化的设计方法在越来越多的企业得到应用。上汽通用五菱汽车股份有 ...
2017/11/8    来源:互联网    作者:宋建新      
关键字:模块化设计方法  驱动轴系统  驱动轴夹角  车轮打滑扭矩
随着汽车规模化、大批量的生产越来越普遍,模块化的设计方法在越来越多的企业得到应用。上汽通用五菱汽车股份有限公司的CN180 作为一款全新车型平台,在开发的前期规划了CAR、SUV、MPV 及CUV 等车型,各个系统的设计运用了模块化设计方法。文章从驱动轴入手,详细介绍了驱动轴的模块化设计方法,包括节型的选择、规格的制定、轴杆的直径及花键的校核等方面入手,通过实例验证了同一平台下不同车型和不同动力组合下驱动轴的模块化设计方法。
0 引言
    模块化设计作为一种新兴的产品设计方法,备受各大汽车企业的重视。模块化设计方法是在对一定范围内的不同功能或相同功能、不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上,划分并设计出一系列功能模块,通过功能模块的选择和组合构成不同的产品,以满足市场的不同需求。因此,模块化设计的核心是设计一系列能快速拼装成产品的具有通用接口的标准模块,让汽车装配变得像搭积木般容易和可靠,即用不同的模块相互搭配即可组装成不同的整车。
    在汽车模块化的推进与应用上,“大众”汽车是最广为人知的,“大众”汽车目前拥有MQB、MLB等5个模块化平台,以及最新的新能源平台MEB。通过固化油门踏板至前轮中心的距离,标准化发动机和变速器安装位置,统一所有功能模块指标、接口定义,实现组件的互换互通。当MQB平台完全应用后,“大众”预测,届时产品研发成本和零部件成本将各自降20%。
    驱动轴系统作为汽车传动系的主要构成部分,其承接从动力总成输出的动力传递至车轮,从而驱动车辆行驶。本文主要研究实现驱动轴模块化设计的方法。
1 驱动轴系统的构成
    对于前置发动机前轮驱动的车辆,前悬结构一般为独立悬挂,作为连接变速器和车轮的驱动轴,应能等速、可靠、平稳及低噪声地将发动机的动力传递给车轮,同时满足汽车行驶过程中上下跳和转向等多工况轴的压缩和摆动。
    驱动轴系统主要由移动节壳体、三销节总成、内等速节防尘套、固定节壳体、行星轮、钢球及保持架总成、外等速节防尘套等构成(如图1所示)。
   
    图1 驱动轴系统总成构成
    差速器端采用滑动的等速万向节,适应汽车行驶过程中车轮的上下跳、转向引起的轴的伸长及摆动;在车轮端采用中心固定的等速万向节,以适应车轮上下跳、转向引起的摆角变化。
2 驱动轴模块化设计需考虑的要素
2.1 驱动轴夹角影响节型的选择
    滑动式等速万向节包括TJ(三销轴式)、DOJ(双偏置球笼式)及VL(交叉球笼式)。
    (1)TJ包含标准的TJ(如图2 所示) 及改进型AC—TJ、FrJ、ARR、TRJ、KI一2。标准的TJ由三销轴、滚针、滚轮及外套构成,广泛应用于低级别车辆。
    (2)DOJ包含标准的DOJ(如图3所示)及改进型DOJ—RPC和DOJ—RPCF。标准的DOJ由外套、内套、6个钢球及保持架构成。
    (3)VL如图4所示。VL的内外套沟道相对于轴向只是等角度相互对称地倾斜(交叉)。
   
    固定式的等速万向节包括BJ、RF、UF(如图5所示)及GE(如图6所示)。BJ、RF、UF的构成同DOJ,但DOJ外套轴向断面为直沟道,与轴线平行,BJ、RF、UF为圆弧;因为BJ外套沟道为椭圆形,而UF、RF外套沟道为圆形,钢球与之复合度较BJ高,所以同尺寸的端节额定扭矩高些。GE的构成基本同TJ,与TJ不同的是节心是固定的,很少使用。
    驱动轴夹角分为左驱动轴夹角(内角和外角)、右驱动轴夹角(内角和外角),如图7所示。
    大的半轴工作角度将影响到等速节的耐久性,并在其本身出现噪音及振动问题。因为在有轴交角情况下,滑动端万向节传递动力时,由于零件间的相对滑动产生的摩擦力,其轴向分量成为起振力,此力与发动机回转的振动会产生共振,轴交角越大,振动和噪音越大。


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引用 Ice_XIAO 2017-11-14 22:10
在大角度的工况下,高端的三销节比普通的三销节(TJ节等) 在噪音与振动及耐久性能上有更优良的性能。这是因为高端三销节有更低的轴向力,高级的润滑脂,产生更低的内热,最低的轴向冲击载荷等(见表1)。
   
   
    图7 左右驱动轴夹角
    表1 驱动轴夹角对三销节选型影响
   
在整车开发确定前悬硬点并确定动力总成位置时,需要考虑驱动轴夹角对驱动轴节型的影响。对于同一个平台下的不同车型,以及同一车型匹配不同的动力总成而言,在布置动力总成位置时应考虑驱动轴夹角对三销节选型的影响,同一范围内的驱动轴夹角可以选择同一型号的三销节。
引用 Ice_XIAO 2017-11-14 22:11
2.2 车轮打滑扭矩及发动机最大扭矩影响万向节规格的选择
    万向节规格的计算包括按发动机的最大扭矩和按车轮打滑的扭矩2种,通常以Ts=min[Tss,Ts]e 为计算载荷,依据《滚动轴承汽车用等速万向节及其总成》(JB/T 10189—2001) 及供应商产品技术参数选取相应的万向节规格。
    按发动机计算的最大扭矩:
   
    其中:Temax 为发动机最大输出扭矩;k 为离合器冲载系数,取值1.0;i1为变速器I挡速比;i0为变速器主减速比;浊为机械传动效率,取值1.0;G1 为汽车前轴静负荷; 1 m'为汽车最大加速度时前轴的负荷转移系数,取值1.0;渍为轮胎与路面的附着系数,取值1.0;rr 为驱动轮动态加载半径。
选型扭矩:
    T=TS×K
    其中:K为安全系数,取2.5。
引用 Ice_XIAO 2017-11-14 22:11
2.3 轴杆扭转强度及扭转角度影响
   
    其中,SF为使用因素系数,取值1.0。
    轴杆材料为40Cr,材料硬度为52~58 HRC,其许用扭转应力为535 MPa。
引用 Ice_XIAO 2017-11-14 22:12
2.4 轮毂端和差速器端齿轮花键校核
    一般通过花键齿侧挤压应力和花键齿剪切应力对轮毂端和差速器端的齿轮花键进行校核,以选定移动节壳体和固定节壳体的齿轮花键。
    花键齿侧挤压应力:
   
引用 Ice_XIAO 2017-11-14 22:12
3 案例应用分析
3.1 驱动轴模块化需考虑的动力总成组合
    某平台包括Car、MPV及SUV 3种车型,总共匹配1.2 L、1.0T及1.5 L 3种动力,其中1.2 L发动机匹配5速与6速2种变速箱,1.0 T发动机匹配6速变速箱,1.5 L发动机匹配6速变速器,共4种变速器。车型与动力总成匹配关系见表2。
3.2 驱动轴模块化的实现
    对于不同的动力总成而言,动力总成的尺寸差异较大,同时受限于左、右大梁宽度的限制及发动机舱X方向的布置,变速器输出点的位置不一致,导致不同动力总成的驱动轴的内点不一致,驱动轴不能完全共用。
    通过综合考虑各种动力总成组合在整车中的位置,确定各驱动轴的夹角,CN180平台各动力总成的驱动轴夹角控制在4°~6°,移动节选择TJ节,固定节选择BJ节(见表3)。
    不同车型、不同动力得到的驱动轴规格见表4。
   
4 总结
    驱动轴的模块化设计方法考虑了节型及规格的选择,同时对轴杆直径的选择和花键的校核做了详细的说明。在同一车型平台中,驱动轴的模块化设计减少了节型的种类,降低了驱动轴的成本,同时减少了驱动轴的设计验证成本,在满足车型差异化及动力总成差异化的同时,显著减少了零件数量,零部件通用化程度更高。




引用 tianma 2017-11-14 23:19
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