机动车传动系统零部件载荷的设计计算探讨

摘 要：机动车传动系统是发动机与行驶系统的连接纽带。在机动车传动系统设计过程中，零部件载荷计算是很重要的部分。文中对机动车传动系的扭转振动、最大转矩、静强度的计算等问题进行了探讨和研究。

关键词：机动车传动系统；离合器；扭转振动；最大转矩；静强度

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2013）08-0051-02

0 引 言

在机动车行驶过程中，其传动系统零部件承受的载荷的大小和性质受诸多因素的影响，例如车轮与路面间的相互作用，司机对操纵机构的操作力和操纵方式， 以及发动机的工作工况等等。传动系的零件与发动机的旋转部分、车轮以及整车构成一个多质量振动系统，这个系统在特定条件下会产生共振，从而降低传动系的寿命。上述因素均使传动系零部件承受动载荷；而当发动机处于静止状态时，传动系零部件则承受静载荷。

1 传动系的扭转振动

传动系中的扭转共振将加大传动系零件如轴、轴承、齿轮、壳体等的载荷，并引起附加振动，提高噪声水平。在机动车行驶过程中要想消除共振，可以采用选择传动系的质量和扭转刚度匹配的方法，或加装扭转减振器以减小扭振的振幅。

传动系的前端与发动机相连，末端与驱动轮相接并通过弹性轮胎与整车的平移质量联系起来。图1所示是机动车传动系的真实系统和当量系统简图，图中的上半部分为传动系的真实系统，它是一个多质量弹性扭转振动系统。将此系统简化成图1的下半部分所示为传动系的当量系统，事实上，它也是用简图表示的传动系无阻尼自由扭振的力学模型。

当发动机转矩主谐量的频率与传动系的固有频率一致时，传动系将会发生扭转共振。引起传动系扭转共振的发动机转速ne（r/min）为：

式中，ωj是传动系固有频率，单位为rad/s； kj是发动机转矩主谐量的阶数。

由于最低阶的主谐量是引起传动系扭振和动载荷的最重要的激振转矩简谐分量，所以这里发动机转矩主谐量的阶数可取最低主阶数，最低主阶数由下式确定：

式中，M是发动机气缸数；nS为发动机冲程数，四冲程的取4，二冲程的取2。

由上面的发动机转速公式亦可换算得到传动系发生扭转共振时的车速va（km/h）为：

式中， rr为车轮滚动半径，单位为m； ig是变速器的传动比；i0是主减速比。

在传动系设计时，由上式决定的共振车速应远离机动车常用的车速范围。

传动系的扭转共振会使其零件的振幅、载荷和应力显著增大并产生强烈的噪声，严重影响传动系及其零部件使用寿命。在共振状态下，传动系中甚至会出现负转矩，致使相啮合的齿轮轮齿间产生强烈的撞击。为消除或减缓传动系的扭振，降低其共振载荷及噪声，在离合器中常设有扭转减振器。利用扭转减振器的弹性元件来降低离合器与变速器间的扭转刚度、降低传动系三节点振型的固有频率，以便将较为严重的扭转车速移出常用车速范围。

2 传动系最大转矩的确定

传动系的最大动载荷通常产生于猛接离合器起步时和紧急制动时。离合器和制动系的结构和性能参数在很大程度上是由最大动载荷所决定的。

在车辆制动时不分离离合器的情况下来求传动系的最大动载荷，在这种工况下，传动系可简化为图2所示的当量系统。

3 传动系的静强度计算

3.1 按发动机最大转矩Temax

取发动机最大转矩作为传动系的第一种计算载荷为：

式中，Tj为传动系轴上的计算转矩，单位为N·m；i∑为传动系在所计算零件之前的总传动比；ηT为传动系在所计算零件之前的传动效率。上式可用于半轴之前的传动系零件。其半轴的计算转矩为：

式中，ξ为差速器的转矩分配系数，对于圆锥行星齿轮差速器，可取ξ=0.6。

这种计算载荷常用于传动系零件的静强度校核计算和同类车型传动系零件的静强度比较计算。按这种工况计算时，安全系数通常取 n=2.0～3.0。

3.2 按驱动车轮与路面的最大附着力矩Tφmax

取驱动车轮与路面的最大附着力矩Tφmax作为传动系的第二种计算载荷：

式中，G2为驱动桥给水平路面的最大负荷，单位为N；φmax为轮胎与路面的最大附着系数，通常取φmax=0.8；rr为轮胎的滚动半径，单位为m；i∑为传动系在所计算零件之前的总传动比；ηT为传动系在所计算零件之前的传动效率。

计算半轴时应引进差速器的转矩分配系数ξ，即半轴的计算转矩为：

按这种工况计算时，安全系数通常取 n=2.0～3.0。这种计算载荷适用于具有大的比功率值，且其最低档的计算牵引力要大于驱动车轮附着力的机动车。

3.3 按最大动载荷

取汽车行驶工况转变时产生的最大动载荷作为传动系的第三种计算载荷。这时计算转矩为：

式中，kd为动载荷系数，为变速器第一轴上产生的最大转矩与发动机最大转矩之比，一般通过对样车的试验求得。取值范围为：轿车kd=1.5～2.0，货车kd=2.0～2.5，越野汽车kd=2.5～3.0。安全系数可取n=1.25～1.5。

4 结 语

本文的机动车传动系统零部件载荷计算方法适用于所有的机动车辆。整个传动系统设计是一个很复杂的过程，要考虑的因素很多，需根据约束条件把所有参数代入程序，不断进行计算、调整和试验验证，并与整车系统进行匹配，方可得到一个合理的传动系统设计方案。

参 考 文 献

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