两驱汽车等速传动半轴最大承载扭矩分析

两驱汽车等速传动半轴最大承载扭矩分析

[摘要] 分析了不同动力系统布置的两驱汽车等速传动半轴的受力情况，通过不同工况下发动机输出扭矩与地面附着扭矩的关系，结合实例，阐述了两驱汽车等速传动半轴最大承载扭矩的计算方法。

关键词：等速传动半轴发动机输入扭矩附着扭矩最大承载扭矩

参数说明：

i FD----主减速

i TC ----液力变矩器系数

i1,i2…i n----各档速比

i R----倒档速比

f MT----手动变速箱效率系数

f AT----自动变速箱效率系数

f C----发动机冲击系数

E C----半轴传递效率系数

E P----中间传动轴传递效率系数

f S----附着冲击系数

R S----静态轮胎半径(m)

u----底面摩擦系数

T Jmax----半轴最大承载扭矩(Nm)

T FJmax----前进时半轴最大承载扭矩(Nm)

T RJmax----后退时半轴最大承载扭矩(Nm)

T Emax----发动机峰值扭矩(Nm)

T EGmax----动力系统传递的最大发动机扭矩(Nm)

T Amax----最大附着扭矩(Nm)

A----重心至前轮距离(m)

B----重心至后轮距离(m)

H----重心高(m)

L----轴距(m)

Q----整备重量(kg)

Q F----前桥重量(kg)

Q R----后桥重量(kg)

z----驱动轮数量

1 汽车等速传动半轴简介

等速传动半轴（下文简称半轴）是汽车传动系统中的一个重要组件，一端连接车轮，另一端连接变速箱，将发动机输出的扭矩由变速箱传递给车轮，从而驱动车辆。两驱汽车传动系统中有两根半轴（参见图1）。

图1 两驱汽车半轴布置示意图

半轴由固定节，中间轴，移动节三个主要部分组成（参见图2）。固定节为球笼式等速万向节，由外星轮，内星轮，球笼和钢球组成。固定节连接车轮，极限摆角可达到52°，用于实现车辆的转向。移动节为三销轴式等速万向节，由三销轴叉和三销轴总成组成。移动节连接变速箱，在车辆运行过程，半轴可通过移动节的轴向移动实现长度补偿。

图2 半轴结构示意图

在汽车设计开发过程中，半轴在整车上受到的最大承载扭矩对于整车厂和传动轴供应商来说是极为关键的。此参数决定了半轴的强度规格和外形尺寸。对于汽车的驱动性能和空间布置有决定性的意义。

2 汽车等速传动半轴最大承载扭矩理论计算

在车辆运行时，半轴同时受到发动机输入扭矩和地面附着扭矩的作用，以下分别就发动机输入扭矩和附着扭矩进行理论计算，通过分析不同动力系统布置的受力情况，得出了两驱汽车半轴的最大承载扭矩计算方法。

2.1 发动机输入扭矩计算

整车的动力系统布置将直接影响分配到半轴的最大扭矩。一般情况下，发动机前置的两驱乘用车按动力系统布置可以分为一下几种主要结构：前轮驱动+手动变速箱，前轮驱动+自动变速箱，后轮驱动+手动变速箱，后轮驱动+自动变速箱（见下图3）。当发动机达到峰值扭矩时，系统减速比最大时（变速箱1档或倒档时），半轴可得到最大发动机输入扭矩。以下分类解析了每种布置的动力传递的方式和最大发动机扭矩计算方法。

图3 两驱汽车动力系统布置示意图（绿线箭头表示扭矩传递的路径）

2.2.1前轮驱动+手动变速箱

前进时，半轴受到的最大发动机扭矩：z

E f f i i T T C C MT FD 1Emax EGmax ⨯⨯⨯⨯⨯=

(1) 后退时，半轴受到的最大发动机扭矩：z

E f f i i T T C C MT FD R Emax EGmax ⨯⨯⨯⨯⨯=

(2)

2.2.2前轮驱动+自动变速箱

前进时，半轴受到的最大发动机扭矩：z

E f f i i i T T C C AT FD 1TC Emax EGmax ⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

(3) 后退时，半轴受到的最大发动机扭矩：z

E f f i i i T T C C AT FD R TC Emax EGmax ⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

(4)

2.2.3后轮驱动+手动变速箱

前进时，半轴受到的最大发动机扭矩：z

E f i E f i T T C C FD p MT 1Emax EGmax ⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

(5) 后退时，半轴受到的最大发动机扭矩：z

E f i E f i T T C C FD p MT R Emax EGmax ⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

(6)

2.2.4后轮驱动+自动变速箱

前进时，半轴受到的最大发动机扭矩：z

E f i E f i i T T

C

C F

D p AT 1TC Emax EGmax

⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

(7) 后退时，半轴受到的最大发动机扭矩：z

E f i E f i i T T C

C F

D p AT R TC Emax EGmax

⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=

(8)

2.2 地面附着扭矩计算

下图4为整车的附着力示意图。

图4 整车附着力示意图

在计算两驱汽车半轴附着扭矩时，应按驱动方式和运行工况的不同，分别对以下4种情况进行计算：后驱前进，后驱后退，前驱前进，前驱后退（参见图5）。

图5 附着力受力简图

2.2.1 前驱前进 前轮为驱动轮，后轮为从动轮。由地面提供的附着力为uF ，于整车有向前加速的运动趋势，应此整车重心上产生惯性力相当于uF ，方向与附着力uF 方向相反。

以后轮与地面接触点O 为零点建立受力方程：L F H F u B 9.81Q ⨯+⨯⨯=⨯⨯ (9) 则地面提供给前轮的支撑力：H

u L B 9.81Q F ⨯+⨯⨯=

(10) 前桥单个车轮上受到的附着力矩：）

（H u L 2R B 9.81Q u f z

R F u f T S S S S Amax ⨯+⨯⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯=

(11)

2.2.2前驱后退

前轮为驱动轮，后轮为从动轮。由地面提供的附着力为uF ，于整车有向后加速的运动趋势，应此整车重心上产生惯性力相当于uF ，方向与附着力uF 方向相反。

以后轮与地面接触点O 为零点建立受力方程：L F H F u B 9.81Q ⨯=⨯⨯+⨯⨯ (12)