材料选择;试验验证

0 引言

驱动轴作为汽车传动系统中的重要零部件，关系到整个传动系统的动力传递，所以驱动轴传递扭矩的可靠性和耐久性设计显得尤为重要，这个也是必须满足的基本技术要求。随着汽车技术的发展和用户日益增长的需求，对驱动轴的性能设计也提出了很多技术指标，以逐步适应车辆的各种性能要求，提升车辆的品质感。

1 驱动轴的功能结构

驱动轴是将不同轴线上转矩传递的传动装置，位于汽车传动系的末端，其功用是将转矩从差速器半轴齿轮传给驱动车轮，使车辆前进或倒退，同时还要吸收车轮转向和悬架跳动引起的角度和位移变化。汽车常用驱动轴的按布置型式分为一段式和两端式两种，结构及组成如图1。

图1 驱动轴总成基本结构

1—固定节;2—中间轴杆;3—移动节;4—轴承支座;5—深沟球轴承;6—长柄轴。

注：关于固定节和滑移节的名称定义及分类，各专业生产厂家和主机厂的叫法并不统一，可以参考相关国家标准和行业标准。

2 驱动轴选型设计分析

2.1 汽车驱动轴的扭矩选型设计相关参数

Memax——发动机（电机）最大扭矩（Nm）

nemax—发动机（电机）最大转速（rpm）

σ—电机扭矩波动系数

i1—变速器一档速比

im—变速器最高档速比

i0—主减速器速比

N—驱动轴数量，通常N=2

K—液力变矩器变距系数，K=0.5（K0-1）+1[1]，K0为最大变距系数，一般用于自动挡车型。

G1—驱动轴所在位置轴荷（N）

rk—轮胎滚动半径（m）

η—传动系统效率（%）

φ—轮胎与地面的附着系数（在良好的沥青路面上取0.8）

Kt—驱动轴刚度（Nm/°）

G′—驱动轴材料剪切弹性模量（Mpa）

Ip—驱动轴的极惯性矩，πd/32

L—驱动轴长度（mm）

β—驱动轴移动节布置夹角（°）

d—驱动轴轴杆直径（mm）

nk—驱动轴临界转速（rpm）

f—驱动轴频率（Hz）

—速度轴间角许用值（°/min）

2.2 驱动轴的计算扭矩

从发动机端计算：

（1）

从驱动轴打滑计算：

（2）

从电机端计算：

（3）

一般情况下，手动挡车型驱动轴的计算扭矩取算式（1）和（2）两种情况的较小值进行计算，推荐的静扭强度安全系数大于2.5;自动挡车型直接按照式（1）计算，推荐的静扭强度安全系数大于1.5;以电机为动力的纯电动汽车照式（3）计算，推荐的静扭强度安全系数大于3。也有的扭矩计算会引入振动系数和轴荷转移系数，这样的分析计算会更加准确。在有条件的情况下，可通过采集路普来分析计算驱动轴的强度;也可借助CAE软件来分析驱动轴的强度。

2.3 驱动轴的刚度计算

Kt=πG′Ip/180L

设计上为避免因左右驱动轴不等长带来的左右轴刚度差而引起的扭矩转向而使车辆跑偏问题，一般会将左右轴的刚度差控制在20%以内，常用的优化方案是调整轴杆直径，即通常会把较长的轴杆直径加粗一些。

2.4 驱动轴的频率计算

临界转速计算：

nk=1.2×108×d/L2

频率计算：

f=nk/60

驱动轴的频率需要满足整车NVH提出的具体值，一般匹配四缸汽油机两段式驱动轴要求1阶弯曲模态≥220Hz，轴承支架约束模态频率不低于480Hz;一段式驱动轴不低于270Hz;左右轴避频50Hz以上。纯电动车可以参考此要求。若不能满足要求，常用的优化方案及优缺点如下：

（1）增加轴杆直径，此方法会使刚度差变大，而且重量增加。

（2）在轴杆上增加吸振器，调控1阶弯曲模态引起的高速振动，可取得较好的降噪防振效果，也是最常用的调控手段;理论上吸振器的最佳安装位置在轴杆的中部，但实际上由于周围空间的限制，需要进行包络分析进行调整，推荐布置在1/3轴杆长度位置。

（3）采用空轴杆，也可提高1阶弯曲模态，但会增加相应的零件制造成本。

2.5 驱动轴滑移量及摆角分析

驱动轴滑移量及摆角设计，需要根据车轮转角和悬架上下跳动进行运动仿真来定义。在运动机构中按表1分析8种极限工况下，移动节万向节转角及滑移量和固定节万向节的转角，并作记录分析校核。具体匹配何种类型的节型，根据实际需要进行校核分析，得出的摆角滑移曲线必须在万向节的使用范围内。

表1 驱动轴仿真分析8工况

序号 极限工况

1 车轮最大左转向

2 车轮最大右转向

3 车轮上跳到最高点

4 车轮下跳到最低点

5 车轮最大左转向且上跳到最高点

6 车轮最大左转向且下跳到最低点

7 车轮最大右转向且上跳到最高点

8 车轮最大右转向且下跳到最低点

2.6 包络检查

驱动轴的包络运动检查需根据悬架及转向系统的运动机构进行仿真分析，重点关注车辆在各种极限工况下的运动过程，保证驱动轴与周边零件达到合理的安全距离。一般要求有相对运动的部位安全距离大于15mm，无相对运动的部位大于5mm。

3 驱动轴零部件材料选择

驱动轴总成材料选择涵盖钢材、橡胶（TPE）、橡塑（CR）、铝合金、润滑脂等材料，根据不同的使用环境、功能和性能要求进行材料的选择。

3.1 防尘罩材料选择

防尘罩的作用是用来密封润滑脂，防止泥水浸入的。一旦破损，由于润滑不良，最终导致万向节失效。固定节防尘罩常用橡塑材料TPE，考虑NVH效果，可采用自润滑降噪的橡塑材料，同时需满足高低温性能。移动节防尘罩常用氯丁橡胶CR，由于受温度的影响和考虑可再生资源的情况，移动节防尘罩要求具有更高的耐高温性能和刚性，橡塑材料TPE正逐步取代橡胶材料。

3.2 轴杆材料选择

驱动轴中间轴杆为细长结构，以实心轴应用居多，除承受非常大的扭转载荷外，还需具备较高的韧性。通常选择40Cr、38B3、10B38等中碳热轧钢，其通过正火处理后能够得到较好的切削性能，较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可以达到52～58HRC;38B3、10B38的淬透性优于40Cr。轴杆材料的化学成分因不同生产厂家使用的钢材成分各不一样，没有统一标准，重点对驱动轴性能指标加以管控。

3.3 内外球笼材料选择

通常选择55、Cf53、Xc45、Uc1等优质碳素结构钢，中频淬火后有较高的表面硬度和强度，表面硬度可以到达58～64HRC，层深控制在2～3.5mm，具有较高的强度和耐磨性或弹性、动载荷及冲击性能。

3.4 星形套、保持架、三销轴材料选择

通常选择20CrMnTi合金结构钢，采用渗碳淬火工艺。星形套和三销轴渗碳层深度0.8～1.2;保持架属于薄壁零件，一般壁厚小于4mm的渗碳层深度控制在0.6～0.9，壁厚大于4mm的渗碳层深度控制在0.8～1.1mm。工作表面硬度可达到58～64HRC，一般要求同一样件工作表面的硬度差不应超过2HRC。

3.5 轴承支座材料选择

出于轻量化考虑，通常选用压铸铝材料A380，但由于其所处环境温度较高，铸铝材料本身的热膨胀系数是铸铁的2～3倍，所以推荐与轴承外圈配合采用过盈配合，同时控制轴承支座的环境温度，以免出现松旷异响等问题。在环境温度（超过120℃）非常恶劣的情况下，建议使用热膨胀系数较小的铸铁材料，推荐与轴承外圈的配合采用过度配合。

3.6 润滑脂材料选择

驱动轴运行工况非常复杂，环境温度高、转速高、负荷高磨损大、低温启动等。为了适应驱动轴复杂的运行工况，必须选择高低温性能、极压抗磨性能、摩擦性能、防锈性能好且使用寿命长等特性的润滑脂，同时考虑润滑脂与防尘罩的兼容性。为减小移动节轴向派生力，改善润滑方式，可采用低摩擦系数的润滑脂。对于有中间支撑结构的车型，由于长柄轴叉通过轴承支座与发动机缸体相连接，发动机的振动可能会激起驱动轴内三销节叉与球笼滑道撞击，产生异响，此时可考虑更换摩擦系数高一些的润滑脂。

4 驱动轴的布置分析

4.1 布置角度分析

驱动轴在整车上的布置夹角指的是移动节或固定节万向节输入轴线和输出轴线所构成的空间夹角。大多数移动节采用的是三销式球笼万向节，该类型万向节属于准等速万向节，要求其必须在一定条件下，才能实现等速传动，故一般要求移动节球笼的一人载和满载布置角度在常用工况下小于5°，也有的会基于其他相关装配零部件的制造误差、装配误差和后期使用衰减，会把此角度限制在4～4.5°以内。对于固定节球笼中心点的布置，为了避免附加弯矩的产生，理论上球笼中心点应落在悬架主销中心线上，通常为了通用性考虑，会借用现有产品，球笼中心与主销中心线允许有一些偏距，推荐偏距不大于10mm，如果这个偏距太大，会加大移动节的滑移距离、产生抖动、发热等不利因素降低驱动轴的寿命，同时会影响整车转向性能。部分驱动轴万向节型使用情况对比参见表2。

表2 驱动轴各节型使用情况对比表

万向节型 常用工作角度 NVH性能 适用车型

移动节 GI/TJ <5° 一般 中低端车型

UTJ <6° 中等 韩系中高档车

AAR/TP/EPTJ <8° 较好 欧美日系高档车

DO/EDJ/REDJ <10° 较好 日系车

VL <8° 中等 德系车

固定节 AC/BJ <45° 一般 中低端车型

RF <45° 一般 德系韩系车型

EBJ/REBJ <47° 较好 日系车

UF/VUJ <50° 一般 大摆角SUV

4.2 速度轴间角许用值计算分析

由于驱动轴布置在主减速器后端，其最大工作转速已经显著降低，且在结构上是对称设计，所有的工作面进行机械加工，中间轴杆部分没有伸缩元件，因此一般不需要校核临界转速、动平衡等技术要求。但为了考虑球笼万向节的寿命，一般会计算球笼的速度轴间角这一参数指标。

速度轴间角许用值，固定节要求小于10000°/min，移动节万向节要求小于30000°/min（对于工作在欧洲中部环境温度下的空气冷却万向节推荐小于16000）。超过这个数值，会严重降低球笼的使用寿命。

4.3 热害分析

对驱动轴的工作环境，还要考虑热害的影响。通常会选用自润滑自密封深沟球轴承，环境温度应控制在120°以内;TPE防尘罩的工作环境温度应控制在120°以内，CR防尘罩的工作环境温度应控制在80°以内，润滑脂的工作环境温度也应控制在120°以内。驱动轴的工作温度过高将导致防尘罩寿命降低，同时油脂性能恶化，不能起到润滑作用，降低万向节寿命。若环境温度不满足要求，则应增加隔热设计。

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5 试验验证

驱动轴的试验验证分为DV台架试验和可靠性耐久道路试验。DV台架试验项目及试验方法可参考QC/T 1020《汽车用等速万向节及其总成试验方法》[3]，主要包含了各种安装角度下的强度、刚度和寿命试验。可靠性耐久道路试验可根据车辆或零部件设計使用寿命进行，一般设计寿命按用户使用需达到10年或26万（或30万）公里，参试样本量不小于3件，试验过程中应无断裂、漏油脂、抖动、异响等故障现象。特殊用户车辆可根据需求进行区别设计试验验证方法。

6 结束语

本文系统性的介绍了驱动轴在整车匹配设计过程需要进行的各项分析计算，可供各专业工程师借鉴，也有不全面之处，特别是随着新能源电动车的发展，对驱动轴的匹配设计还存在很多盲区，比如电机的扭矩转速特性对驱动轴的强度及寿命影响，制动能量回收强度对驱动轴疲劳寿命的影响，这些问题还需要各位专业人士共同探讨研究，逐步完善专业设计理论。

参考文献：

[1]张洪欣.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，1989.6.

[2]F.Schmelz等著，伍德荣等译.万向节和传动轴[M].北京：北京理工大学出版社，1997.12.

[3]QC/T 1020《汽车用等速万向节及其总成试验方法》[S].

作者简介：李春强（1982-），男，重庆人，本科，学士，中级工程师，主要从事汽车传动系统及汽车底盘系统研究。