载货汽车半轴的设计
【摘要】本文是基于EQ1090载货汽车的半轴的设计。通过计算校核，设计出的半轴具有较好的安全、稳定性，满足其使用条件。
【关键词】载货汽车;半轴;设计
1.引言
半轴用来将差速器半轴齿轮的输出转矩传到驱动轮或轮边减速器上。半轴一般是实心的，一般用花键槽与半轴齿轮相连，另一端圆盘与轮毂用螺栓联接。从差速器传出来的转矩经过半轴（或再经过轮边减速器）、轮毂，最后传给车轮，所以半轴是传动系中传递转矩的一个重要零件。
2.半轴的选型
驱动车轮的传动装置位于汽车传动系的末端，其功用是将转矩由差速器的半轴齿轮传给驱动车轮。驱动车轮的结构形式与驱动桥的驱动形式密切相关，在一般的非断开式驱动桥上，驱动车轮的传动装置就是半轴。半轴的形式主要取决于半轴的支撑形式。普通非断开式驱动桥的半轴，根据其外表支撑形式或受力状况的不同分为半浮式，3/4浮式和全浮式三种[1]。
半浮式半轴承受的载荷较复杂，但是机构简单、质量小、尺寸紧凑、造价低廉，所以被质量较小、使用条件好、承载负荷也不大的轿车和微型客货车所采用。3/4浮式半轴的优点是结构简单轻便，因此可用于轿车和微型、轻型客货车，但没有推广起来。全浮式半轴的驱动桥外端结构比较复杂，制造成本高，但其工作可靠，常应用在各种载货汽车、越野汽车和客车上[2]。
根据各种半轴的特点分析，在这里选用全浮式半轴。
3.半轴的设计计算
3.1 半轴的受力分析
全浮式半轴及受力简图如图1所示。
图1 全浮式半轴及受力简图
半轴主要的尺寸是它的直径，计算时首先应合理地确定作用在半轴上的载荷，应考虑以下三种可能的载荷工况：
A.纵向力X2（制动力或驱动力）最大时（X2=Z2φ），附着系数φ取0.8，没有侧向力的作用;
B.侧向力Y2最大时为Z2φ（发生于侧滑时），没有纵向力作用，地面与轮胎的侧向附着系数φ1在计算侧滑时取1.0;
C.垂向力最大时（在汽车以高速通过不平整路况发生时），其值为（Z2-gw）kd，其中gw为车轮对地面的垂直载荷，kd为动载荷系数，这时不考虑纵向力和侧向力的作用。
由于车轮承受的纵向力X2，侧向力Y2值的大小受车轮与地面最大附着力的，即有：
（1）
所以纵向力最大时没有侧向力作用，侧向力最大时也没有纵向力作用。
3.2 半轴计算载荷的确定
全浮式半轴只承受转矩，转矩T计算时可由式（2）求得，其中X2L，X2R的计算，可以根据下面的式子计算，取两个值中较小的一个。
（2）
（1）若按最大附着力计算，即：
（3）
式中：
φ—轮胎与地面的附着系数取0.8[2];
m，—汽车加速或减速时的质量转移系数，后驱动桥的可取1.2～1.4在这里取1.3。
根据式（3）得：X2L=X2R=1.3·0.8·92733.32/2=48221.327N
（2）若按发动机最大转矩计算，即：
（4）
式中：ξ—差速器的转矩分配系数，对于普通圆锥行星齿轮差速器取0.6;
Ttpd—发动机最大转矩，368N·m;
η—汽车传动效率，计算时取0.90;
iTL—传动系最低挡传动比48.75;
rr—轮胎的滚动半径，0.48526m。
根据式（4）、式（5）得：X2L=X2R=0.6·368·0.9·48.75/0.48526=19963.731N
T=19963.731·0.48526=9687.600N·m
3.3 半轴杆部直径初选
全浮式半轴杆部直径的初选可按下式进行：
（5）
式中：d—半轴杆部直径，mm;
[τ]—半轴扭转许用应力，Mpa。
根据式（5）得：d=（2.05～2.18）·21.318=（43.702～46.474）mm
根据强度要求在此d取46mm。半轴杆部直径应小于或者等于半轴花键的底径，容易使半轴各部分达到基本等强度。
3.4 半轴的强度计算
（1）半轴的扭转应力计算τ（Mpa）
（6）
τ=506.8MPa<[τ]=（490～588）Mpa
（2）半轴扭转角的计算
（7）
式中：l—半轴长度，800mm;
G—材料的剪切弹性模量，取80GMPa;
Ip—半轴横截面的极惯性矩;
Ip=3.14·4/32=439573.215mm;
θ=0.0000126o<8o
（3）半轴花键计算
半轴和半轴齿轮一般采用渐开线花键连接，花键内径的大小应该不小于其杆部直径，所以选用压力角30°，齿数20，模数3的圆柱渐开线花键并对花键进行挤压应力和键齿切应力验算。
1）半轴花键的剪切应力τs（Mpa）
（8）
式中：DB—半轴花键的外径，mm，在此取57mm;
dA—相配花键孔内径，mm，在此取51.25mm;
z—花键齿数;在此取18;
Lp—花键工作长度，mm，在此取100mm;
b—花键齿宽，mm，在此取4.712mm;
φ—载荷分布的不均匀系数，计算时取0.75。
τs=56.275MPa<73MPa
2）半轴花键的挤压应力σc（Mpa）
（9）
σc=39.148MPa<200MPa
通过以上的验证校核本次半轴的设计符合要求。
3.5 半轴的材料及热处理
半轴使用的材料大部分是含铬的中碳合金钢，如40Cr，40CrMnMo，40CrMnSi，40CrMoA，35CrMnSi，35CrMnTi等。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（凸缘部分可降至HB248）[2]。近年来采用高频、中频淬火的方法越来越多。由于硬化层本身的强度较高，并且在半轴的表面形成了大的残余压应力，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十分显著。本设计中选用40Cr作为半轴材料，进行了渗碳处理。
4.结论
对EQ1090载货汽车半轴进行了设计与校核，选择了全浮式半轴，花键为模数3mm，压力角30°，齿数18的圆柱渐开线花键，工作长度定为100mm，半轴长度定为800mm。经校核，半轴所有尺寸符合设计要求。
参考文献
[1]刘惟信.汽车车桥设计[M].北京：清华大学出版社， 2004.
[2]罗永革，冯樱.汽车设计[M].北京：机械工业出版社，2011.
