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CA1050载货汽车驱动半轴

设计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半轴齿轮传给驱动车轮。在断开式驱动桥和转向驱动桥中，驱动车轮的传动装置包括半轴和万向节传动装置且多采用等速万向节。在一般非断开式驱动桥上，驱动车轮的传动装置就是半轴，这时半轴将差速器半轴齿轮与轮毂连接起来。在装有轮边减速器的驱动桥上，半轴将半轴齿轮与轮边减速器的主动齿轮连接起来。
1.半轴的型式
普通非断开式驱动桥的半轴，根据其外端的支承型式或受力状况的不同而分为半浮式、3/4浮式和全浮式三种。

半浮式半轴以靠近外端的轴颈直接支承在置于桥壳外端内孔中的轴承上，而端部则以具有锥面的轴颈及键与车轮轮毂相固定，或以突缘直接与车轮轮盘及制动鼓相联接)。因此，半浮式半轴除传递转矩外，还要承受车轮传来的弯矩。由此可见，半浮式半轴承受的载荷复杂，但它具有结构简单、质量小、尺寸紧凑、造价低廉等优点。用于质量较小、使用条件较好、承载负荷也不大的轿车和轻型载货汽车。
3/4浮式半轴的结构特点是半轴外端仅有一个轴承并装在驱动桥壳半轴套管的端部，直接支承着车轮轮毂，而半轴则以其端部与轮毂相固定。由于一个轴承的支承刚度较差，因此这种半轴除承受全部转矩外，弯矩得由半轴及半轴套管共同承受，即3/4浮式半轴还得承受部分弯矩，后者的比例大小依轴承的结构型式及其支承刚度、半轴的刚度等因素决定。侧向力引起的弯矩使轴承有歪斜的趋势，这将急剧降低轴承的寿命。可用于轿车和轻型载货汽车，但未得到推广。
全浮式半轴的外端与轮毂相联，而轮毂又由一对轴承支承于桥壳的半轴套管上。多采用一对圆锥滚子轴承支承轮毂，且两轴承的圆锥滚子小端应相向安装并有一定的预紧，调好后由锁紧螺母予以锁紧，很少采用球轴承的结构方案。

由于车轮所承受的垂向力、纵向力和侧向力以及由它们引起的弯矩都经过轮毂、轮毂轴承传给桥壳，故全浮式半轴在理论上只承受转矩而不承受弯矩。但在实际工作中由于加工和装配精度的影响及桥壳与轴承支承刚度的不足等原因，仍可能使全浮式半轴在实际使用条件下承受一定的弯矩，弯曲应力约为5～70MPa。具有全浮式半轴的驱动桥的外端结构较复杂，需采用形状复杂且质量及尺寸都较大的轮毂，制造成本较高，故轿车及其他小型汽车不采用这种结构。但由于其工作可靠，故广泛用于轻型以上的各类汽车上。
综合考虑各种半轴的优缺点和本车的实际情况，本设计采用全浮式半轴。
2.全浮式半轴计算载荷的确定

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：
a）纵向力X2最大时(X2＝Z2)附着系数尹取0.8，没有侧向力作用；
b）侧向力Y2最大时，其最大值发生于侧滑时，为Z2中，，侧滑时轮胎与地面侧向附着系数，在计算中取1.0，没有纵向力作用；
c）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。

CA1050载货汽车采用带有凸缘的全浮式半轴，其详细的计算校核如下：
a)全浮式半轴计算载荷的确定
全浮式半轴只承受转矩，其计算转矩按下式进行：
T=ξTemaxig1i0 （5-1）
式中：ξ——差速器的转矩分配系数，对圆锥行星齿轮差速器可取＝0.6；
ig1——变速器1挡传动比；
i0——主减速比。
已知：Temax＝300Nm；ig1＝4.3； i0＝5.20 ；=0.6
计算结果：
T=0.6×300×4.3×5.20
=3060N.m

3. 全浮式半轴的杆部直径的初选

在设计时，全浮式半轴杆部直径的初步选取可按下式进行：
（5-2）

式中d——半轴杆部直径，mm；
T——半轴的计算转矩，Nrn；
[]——半轴扭转许用应力，MPa。
根据上式带入T＝3060 Nm，得：
30.4mm≤d≤32.3mm
取：d=32mm

4.全浮式半轴的强度计算

全浮式半轴支承转矩，其计算转矩为：
（5-3）
三种半轴的扭转应力由下式计算：
（5-4）
式中——半轴的扭转应力，MPa；
T—一半轴的计算转矩，T=3260Nm；
d——半轴杆部直径，d=32mm。
将数据带入式（5-3）、（5-4）得：
=507MPa
半轴花键的剪切应力为
（5-5）
半轴花键的挤压应力为
（5-6）
式中T——半轴承受的最大转矩，T=17946.1Nm；
DB——半轴花键(轴)外径，DB=62.5mm；
dA——相配的花键孔内径，dA=57.74mm；
z——花键齿数；在此取24
Lp——花键工作长度，Lp=120mm；
B——花键齿宽，B=3.925mm；
——载荷分布的不均匀系数，取0.75。
将数据带入式（5-5）、（5-6）得：
=70.4Mpa
=59.1MPa
半轴的最大扭转角为
（5-7）
式中T——半轴承受的最大转矩，T=17946.1Nm；
l——半轴长度，l=900mm；
G——材料的剪切弹性模量，MPa；
J——半轴横截面的极惯性矩， mm4。

将数据带入式（5-7）得：
= 8°
半轴计算时的许用应力与所选用的材料、加工方法、热处理工艺及汽车的使用条件有关。当采用40Cr，40MnB，40MnVB，40CrMnMo，40号及45号钢等作为全浮式半轴的材料时，其扭转屈服极限达到784MPa左右。在保证安全系数在1.3～1.6范围时，半轴扭转许用应力可取为[＝490～588MPa。
对于越野汽车、矿用汽车等使用条件差的汽车，应该取较大的安全系数，这时许用应力应取小值；对于使用条件较好的公路汽车则可取较大的许用应力。
当传递最大转矩时，半轴花键的剪切应力不应超过71.05MPa；挤压应力不应该超过196MPa，半轴单位长度的最大转角不应大于8°/m。
本车采用全浮式半轴。进行半轴设计时先确定半轴直径，再对渐开线花键进行设计。
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。

参考文献
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