驱动半轴设计

胡浩

驱动半轴位于传动系的末端，其基本功用是接受从差速器传来的转矩并将其传给车轮。对于非断开式驱动桥，车轮传动装置的主要零件为半轴；对于断开式驱动桥和转向驱动桥，车轮传动装置为万向传动装置。
3.1　结构形式分析
   根据课题要求确定半轴采用半浮式半轴结构，具体结构采用以突缘直接与车轮轮盘及制动鼓相联接 。
3.2 半浮式半轴杆部半径的确定
半轴的主要尺寸是它的直径，设计与计算时首先应合理地确定其计算载荷。
半轴的计算应考虑到以下三种可能的载荷工况：
（1）纵向力X2最大时(X2＝Z2 )，附着系数预取0.8，没有侧向力作用；
（2）侧向力Y2最大时，其最大值发生于侧滑时，为Z2 中，，侧滑时轮胎与地面的侧向附着系数 ，在计算中取1.0，没有纵向力作用；
（3）垂向力Z2最大时，这发生在汽车以可能的高速通过不平路面时，其值为(Z2-gw)kd，kd是动载荷系数，这时没有纵向力和侧向力的作用。
    由于车轮承受的纵向力、侧向力值的大小受车轮与地面最大附着力的限制，即
         
故纵向力X2最大时不会有侧向力作用，而侧向力Y2最大时也不会有纵向力作用。
  初步确定半轴直径在0.040m  该值参考文献[2]
半浮式半轴设计应考虑如下三种载荷工况：
（1）纵向力 最大，侧向力 为0：此时垂向力 ， 取10500N纵向力最大值 ，计算时 可取1．2， 取0．8。得 =6300N   =5040N   
半轴弯曲应力，和扭转切应力 为        
式中，a为轮毂支承轴承到车轮中心平面之间的距离，a取0.06m
=77.08Mpa            =199.63Mpa     
合成应力 = =406Mpa
(2)侧向力 最大，纵向力 =0，此时意味着发生侧滑：外轮上的垂直反力 。和内轮上的垂直反力 分别为
     
式中， 为汽车质心高度参考一般计算方法取738.56mm； 为轮距  =1430m
为侧滑附着系数，计算时可取1.0。外轮上侧向力 和内轮上侧向力 分别为     内、外车轮上的总侧向力 为 。
这样，外轮半轴的弯曲应力 和内轮半轴的弯曲应力 分别为

= 565.1mpa      =666.4 mpa                                                                                                                                                                                             
(3)汽车通过不平路面，垂向力 最大，纵向力 ，侧向力 ：此时垂直力最大值 为：   
式中，是为动载系数，轿车： ，货车： ，越野车： 。
半轴弯曲应力，为
=87.7mpa        
故校核半径取0.040m满足合成应力在600mpa -750mpa范围
3.3 半轴花键的强度计算
在计算半轴在承受最大转矩时还应该校核其花键的剪切应力和挤压应力。
半轴花键的剪切应力为
                 （3-1）
半轴花键的挤压应力为
  （3-1）
式中T——半轴承受的最大转矩，T=3320.4Nm；
——半轴花键(轴)外径， =44mm；
——相配的花键孔内径， =40mm；
z——花键齿数，在此取20；
Lp——花键工作长度，Lp=55mm；
b——花键齿宽，b=3.75 mm；
——载荷分布的不均匀系数，取0.75。
   将数据带入式（3-1）、（3-2）得： =51.1Mpa   =95.8 MPa
根据要求当传递的转矩最大时，半轴花键的切应力[ ]不应超过71.05 MPa，挤压应力[ ]不应超过196 MPa，以上计算均满足要求。   
上述花键部分主要参考著作图书文献[3]表4-3
3.4 半轴其他主要参数的选择
花键参数：齿数：20齿， 模数：1.5,    油封外圆直径：Φ60,Φ65
半轴长度：744.5   
法兰参数：5-Φ16.2B10,分布圆Φ120
十孔位置度Φ0.2   
3. 5　半轴的结构设计及材料与热处理
为了使半轴的花键内径不小于其杆部直径，常常将加工花键的端部做得粗些，并适当地减小花键槽的深度，因此花键齿数必须相应地增加，通常取10齿(轿车半轴)至18齿(载货汽车半轴)。半轴的破坏形式多为扭转疲劳破坏，因此在结构设计上应尽量增大各过渡部分的圆角半径以减小应力集中。重型车半轴的杆部较粗，外端突缘也很大，当无较大锻造设备时可采用两端均为花键联接的结构，且取相同花键参数以简化工艺。在现代汽车半轴上，渐开线花键用得较广，但也有采用矩形或梯形花键的。
半轴多采用含铬的中碳合金钢制造，如40Cr，40CrMnMo，40CrMnSi，40CrMoA，35CrMnSi，35CrMnTi等。40MnB是我国研制出的新钢种，作为半轴材料效果很好。半轴的热处理过去都采用调质处理的方法，调质后要求杆部硬度为HB388—444(突缘部分可降至HB248)。近年来采用高频、中频感应淬火的口益增多。这种处理方法使半轴表面淬硬达HRC52～63，硬化层深约为其半径的1／3，心部硬度可定为HRC30—35；不淬火区(突缘等)的硬度可定在HB248～277范围内。由于硬化层本身的强度较高，加之在半轴表面形成大的残余压应力，以及采用喷丸处理、滚压半轴突缘根部过渡圆角等工艺，使半轴的静强度和疲劳强度大为提高，尤其是疲劳强度提高得十分显著。由于这些先进工艺的采用，不用合金钢而采用中碳(40号、45号)钢的半轴也日益增多。
5.参考文献
（1）刘惟信.汽车设计 .清华大学出版社,2001.7
（2）李东江.李和.张大成. 东南富利卡汽车维修手册  ,北京理工大学. 2003.5
(3)吴宗泽，罗圣国 机械设计课程设计手册 第三版 高等教育出版社   2006.11