电动轿车等速万向节驱动轴设计与验证探究

电动轿车等速万向节驱动轴设计与验证探究作者：***
来源：《专用汽车》2022年第08期
摘要：随着经济的不断发展，我国汽车生产量逐渐增加，人均汽车数量也随之提高。

因此，研究如何保障汽车安全运行十分必要。

基于此，从设计端入手，分析电动轿车等速万向节驱动轴的设计方案并提出对应的验证方法，以期为电动轿车同行的相关研究提供参考。

关键词：电动轿车;等速万向节;驱动轴;设计;验证
中图分类号：U463收稿日期：2022-07-05
DOI：10.19999/ki.1004-0226.2022.08.020
1 前言
针对等速万向节驱动轴所展开的研究较多，足以证明在电动轿车行业想要占据主导地位应更新相应零部件技术，给出更优的设计方案。

由于等速万向节驱动轴设计中受到多种因素的影响，需要对整车的布置和车型进行深入研究。

电动轿车在运行的过程中常出现异响的情况，这将严重影响其安全性能，因而在设计前要对等速万向节驱动轴总成的结构特性和发生异响的原因加以分析，以此完善设计工作，并通过验证证明设计的合理性。

2 电动轿车等速万向节驱动轴的结构特性
2.1 等速万向节驱动轴总成
目前所生产的电动轿车基本上利用相似的驱动轴总成结构，设置独立悬架，保证驱动装置能够在左右都带有等速万向节驱动轴的结构下实现轿车运转。

常见的结构形式是以伸缩型等速万向节、驱动轴、固定式等速万向节联用的方式，分别作用于不同的位置。

在车轮附近设置固定型等速万向节，连接与前轮毂渐开线内花键与外花键，在变速箱上设置伸缩型等速万向节，使得差速器半轴齿轮内花键与渐开线外花键相连。

按照以上所阐述的总成结构（见图1，其中1～11分别表示球笼式等速万向节、钢丝挡圈、固定端大卡箍、固定端密封罩、固定端小卡箍、驱动轴、伸缩端小卡箍、伸缩端密封罩、伸缩端大卡箍、挡圈（GB/T 894.1）、双偏置式等速万向节）设计电动轿车驱动轴，能够提升转矩和变速箱运动的平稳程度，将运动状态传递到轮毂驱动处，进而达到转向、行驶的目的（2）。

2.2 异响现象及原因
结合实践分析资料可以得出，电动轿车在运行时会出现异响的情况，尤其是当车速高于80km/h时，异响更为明显。

此种情况所带来的衍生问题是驱动轴抖动更频繁，能够感受到整车抖动愈加强烈。

除此以外，轿车行驶在较为不平整的路面时，会感受到转向时零件间相互撞击，此种形式的撞击主要存在于伸缩型和固定型等速万向节内部。

在以上两种情况下所产生的
撞击声响被称之为异响。

异响会造成零件磨损严重的问题，星形套和两端保持架无法维持原本的稳定状态，从而被损坏，失去应有效能，难以延长电动轿车的使用寿命，降低可靠性[3]。

出现异响的原因可从零件间隙大、磨损加重两个方面考虑，其中造成以上两个方面不良情况的因素有零件疲劳损坏、冲击载荷过大、温湿度变化、等速万向节随机变化、交变载荷作用于电动轿车上。

因此在进行产品设计时，要注意避免等速万向节驱动轴结构中零件间距过大，进行无干涉设计。

除此以外，还需要对主要零件采取热处理的办法，提高硬度和耐磨损性。

例如，选用高碳钢作为两端外壳的主要材料，经过正火和回火处理，将表面硬度提高至61HRC;使用中碳合金钢作为驱动轴的材料，经过调质和回火操作，将表面硬度提高至50～58 HRC。

经过热处理后，零件的强度和可靠性得到提高，为彻底解决驱动轴异响的问题还应当做好两离等速万向节内部的润滑和密封工作，降低磨损。

3 电动轿车等速万向节驱动轴设计
如图2所示，电动轿车的前转向驱动桥结构中包括轮毂轴承1、外半轴2、转向节轴3、万向节4、半袖管套5、内半轴6、差速器7和主减速器8等重要构造，转向和驱动功能正常使用的原理是：差速器和减速器接收到驱动电机传递的动能，将此动力均分给两侧半轴，而后前轮毂和万向节发挥作用，使得前轮被带动[4]。

3.1 选择结构类型
电动轿车在行驶的过程中能够保持稳定的状态，使得进入颠簸区段两前轮平稳着地的基础结构是等速万向节，其具备可轴向伸缩的特点，能够吸收车轮所受到的冲击，进而消除因冲击能量导致车轮着地受限的问题，达到平稳着陆的效果。

目前常见的可轴向伸缩的前桥内侧万向节包括双偏置式、三销球式、交叉滚道式和ARR型，前三种万向节其伸缩量的一般为30～50mm，转角的极限值是22°，最后一种万向节的伸缩量一般为30～50mm，转角的极限值是26°。

等速万向节的选择要基于对前桥工作状态的分析，其在转向的过程中会以转向节为中心，绕其旋转，承担转向的任务，当转动一定角度时，差速器和前桥半轴间的角速相等，二者间可实现动力传递。

选定的等速万向节的转角极限值是45°、50°、52°，等速方向节类型是球笼式51。

3.2 计算临界转速
共振现象是驱动轴工作时较为常见的现象之一，其出现的原理是：驱动轴本身具备的弯曲自然振动频率特性可在与其转速临近时产生共振，此时挠度剧增，驱动轴的完整性难以保持，容易造成断裂。

将此种状态下的转速称之为临界状态，即临界转速。

设计电动轿车等速万向节的环节中要将此要素考虑在内，要求应当不超过临界转速，以来维持稳定行驶。

在阶段临界转速时，使用以下公式：
此公式简化了等速万向节驱动轴总成，将其变为简支梁，作用于自由支承的等断面上。

其中为临界转速，安全系数可使用公式：K=n Jn ..m.x≥ [K]=1.5，其中nce max为最高时速状态下驱动轴的转速，[K]为许用安全系数，安全系數取值范围是[ 1.2，2.0]，在本文中取1.5。

式中， i。

为减速器的速比; n.ma、为驱动电机的额定最大转速， r/min。

3.3 确定强度
在强度确定的计算环节，要充分考虑到扭转力矩对于等速万向节驱动轴总成作用的影响，将转矩的计算作为强度确定的重点。

具体在计算中可从两个方面开展：a.按照驱动器减速器和驱动电机最大扭矩间的比值确定;b.按照驱动轮打滑作用确定，所应用的公式是：
式中，式中为驱动电机到驱动轴之间的传动效率（= 0.95）;ic为驱动电机到驱动轴的最大传动比; Tax为驱动电机最大转矩;K。

為动载系数（K。

= 0.95）。

在驱动轮打滑的情况下，载荷的计算公式变为：
式中，r，为代表车轮滚动半径;u为当处于最大加速度时的前轴负荷转移系数;g为重力加速度;G。

为满载前桥载荷。

在强度确定中，要比较、的大小，在对比后选择较小值，将其设定为最大承受载荷，记作基于计算驱动轴总成最小扭转屈服强度，，为其中的屈服安全系数（f，取1.7）。

而后计算载荷，公式为：
式中，载荷的单位是;静扭安全系数f。

取2.5。

经过计算，载荷值应当小于最小静扭强度，即
3.4 确定中间轴杆最小公称直径
确定中间轴杆最小公称直径的计算要在强度确定的基础上展开，依据现阶段使用JB/T 10189—2010《电动轿车用等速驱动轴及其总成》的标准，能够得出最终结论。

3.5 校核轴杆扭转刚度
电动轿车行驶时会出现车辆跑偏的情况，可操纵性受到抑制，造成以上问题的原因是驱动轴轴杆会扭转，当扭矩旋转作用于轴杆时，切应力导致扭转产生。

尤其是电动轿车，其区别于其他汽车输出扭矩的上升幅度，一旦处于满载起步加速的状态，将会导致扭矩急速上升，呈现出垂直上升的特点，这将会直接促使扭矩上升至额定值，向其他驱动结构所传递扭矩也达到极限，从而出现扭转变形的不良现象，无法保持平衡。

为解决这一问题，应当从驱动轴长度入
手，设计不同长度的驱动轴，利用不等直径促使扭转角等同，保证左右驱动车轮的稳定性，提高可操纵水平[8]。

在计算圆轴扭转角后，可得出轴的扭转变形，按照公式：
式中为圆轴扭转角，为横截面的极惯性矩，为轴的材料的剪切弹性模量，为扭矩，N·Tdmm。

在圆轴状态下，
结合上述公式可以看出，将扭转角的数值保持在相等的状态要依赖于左右驱动轴的不等长特性，计算出轴径间的关系，并计算出最小轴径，从而得到左右两根驱动轴轴径的具体值。

4 电动轿车等速万向节驱动轴的设计验证
结合大量资料和设计实践发现，燃油车与电动轿车在扭矩响应上存在着较大的差异，电动轿车的响应速度较快，需要进一步研究如何解决这一问题，设计可行的验证办法，保证设计的精准度和质量。

下文将从等速不等径和长度两个方面给出验证万向节驱动轴设计的办法。

4.1 等速不等径
上文提到，在满载状态下，电动轿车扭矩响应速度加快，刚处于起步阶段驱动电机扭矩的上升速度即可濒临临界值，为此要展开验证，运用多种办法，给出试验验证的结论。

验证中设计两套与原车相同等速万向节驱动轴结构，确保长度、万向节形式相同，将中间轴杆的直径作为自变量，在所设计的验证结构中设置不同的直径。

两个试验品直径的确定要依据最小扭矩，根据最小公称直径的确定公式，计算出轴杆的直径，将其作为其中一个被验结构，另一个按照上文计算σ的公式得来。

确定以上两套驱动轴在制作环节的数据后，分别将其安装在其他结构基本无差别的电动汽车上，保证驾驶的安全性。

通过使车辆满载起步逐渐加速的办法，松开方向盘，记录在此过程中两辆试验车的行驶状态，从而确定是否跑偏。

针对所得出的结果，分析驱动轴的优缺点，进而结合车辆的基本行驶特征，使用上文计算σ的公式推出轴杆直径，最终选定最为合理轴杆的直径。

4.2 长度试验验证
考虑长度试验验证方案要从电动轿车的总成出发，高压接线盒、蓄电池、DCDC、PCU、减速器和驱动电机是重要组成部分，布置动力总成变化较大，半轴花键和车轮转动的中心不能维持在同一直线上，主销作为转动中心，车轮在此结构的作用下会转动。

根据对电动轿车动力总成的分析结果来看，动力的精准传递应当在设置可伸缩万向节驱动轴的基础上实现，将其置于差速器和车轮间。

设计可伸缩万向节驱动轴要重点计算伸缩量，其作为核心技术参数，当数
值变化时将影响车轮上下运动的幅度。

因而，要计算出极限值，保证在低于极限值的状态下运行，确保球壳与万向节间紧密衔接。

试验极限状态的办法是：当处于下极限状态，球壳最外端可见万向节，而后验证长度，确定驱动轴是否满足要求。

当处于上极限状态时，球壳最里端可见万向节，而后验证长度，确定驱动轴是否满足要求。

此试验要想得到精准科学的数值，至少要开展500次试验，并且需要在试验结束后，将防尘罩拆除，测量球壳底部与最里端磨痕间的长度，以此完善驱动轴长度的设计工作。

5 结语
在对电动汽车等速万向节驱动轴展开设计的过程中，要就其基本结构间的运转联系机制加以分析，根据轿车维持安全稳定行驶的原理，计算出相应的数值，进而运用实验办法，对设计结果进行完善，如此才能确保电动轿车具备较长的使用寿命。

在市场经济时代，电动轿车的生产商要重视设计环节，逐步提升技术水平，引入先进技术，从而在市场竞争中站稳脚跟。

参考文献：
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作者简介：
陆建春，男，1966年生，工程师，研究方向为汽车用等速驱动轴。