CN102116613A - 连接万向节的连接轴及设计方法和采用该轴的底盘及汽车 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连接万向节的连接轴及设计方法和采用该轴的底盘及汽车。具体，该方法包括a)初定该连接轴长度；b)根据所述驱动半轴建立驱动半轴运动的动力学模型；c)基于该连接轴长度根据所述动力学模型确定移动节的位移-摆角曲线；d)如果所述位移-摆角曲线超出移动节的边界曲线的左侧，则减少所述该连接轴长度，并回到步骤c)；如果所述位移-摆角曲线超出移动节的边界曲线的右侧，则增加所述连接轴长度，并回到步骤c)；如果所述位移-摆角曲线距离所述移动节的所述边界曲线的安全余量大致相等，则结束本方法。根据本发明的方法能够使得驱动半轴中用于连接两个万向节的连接轴具有最佳的长度来满足各种不同的工况。

Description

连接万向节的连接轴及设计方法和采用该轴的底盘及汽车

技术领域

本发明涉及汽车传动技术，尤其涉及一种汽车驱动半轴中用于连接两个万向节比如固定节和移动节或者移动节和移动节的连接轴长度的确定方法以及检测方法以及通过该方法得到的连接轴以及采用这种连接轴的底盘和汽车。

背景技术

传动系统的基本功用是将发动机发出的动力传给汽车的驱动车轮，产生驱动力，使汽车能在一定速度上行驶。举个例子，对于前置后驱的汽车，发动机发出的转矩依次经过离合器、变速箱、万向节、传动轴、主减速器、差速器、驱动半轴传给后车轮，所以后轮又称为驱动轮。驱动轮得到转矩便给地面一个向后的作用力，并因此而使地面对驱动轮产生一个向前的反作用力，这个反作用力就是汽车的驱动力。汽车的前轮与传动系一般没有动力上的直接联系，因此称为从动轮。传动系统的组成和布置形式是随发动机的类型、安装位置，以及汽车用途的不同而变化的。例如，越野车多采用四轮驱动，则在它的传动系中就增加了分动器等总成。而对于前置前驱的车辆，它的传动系中就没有传动轴等装置。

驱动半轴是差速器与驱动轮之间传递扭矩的实心轴或空心轴，其内端一般通过花键与半轴齿轮连接，外端与轮毂连接。现代汽车常用的半轴，根据其支承型式不同，有全浮式和半浮式两种。全浮式半轴只传递转矩，不承受任何反力和弯矩，因而广泛应用于各类汽车上。全浮式半轴易于拆装，只需拧下半轴突缘上的螺栓即可抽出半轴，而车轮与桥壳照样能支持汽车，从而给汽车维护带来方便。半浮式半轴既传递扭矩又承受全部反力和弯矩。它的支承结构简单、成本低，因而被广泛用于反力弯矩较小的各类轿车上。但这种半轴支承拆取麻烦，且汽车行驶中若半轴折断则易造成车轮飞脱的危险。

驱动半轴在主减速器和车轮轮毂之间连接并传递扭矩，轮毂端一般使用固定节，即不可轴向移动，驱动半轴移动节可以轴向移动，用来补偿由于连接件的运动而引起的驱动半轴长度变化，但驱动半轴移动节既不能脱落也不能顶死以满足整车各种使用工况。

由于驱动半轴中用于连接两个万向节比如固定节和移动节或者移动节和移动节的连接轴长度与整车相匹配的设计方法涉及悬架、驱动半轴总成、动力总成悬置等设计，以及涉及整车动力总成或主减速器的布置等领域，其复杂度高，实现难度大。因此，业界并没有较好的方法来设计驱动半轴中用于连接两个万向节的连接轴的长度。

此外，目前的测试手段无法测量出车辆极限工况下的驱动半轴中用于连接两个万向节的连接轴长度，导致该连接轴长度或偏长或偏短，如果该连接轴长度过长，则在某些极限工况下移动节就会顶死，如果该连接轴长度过短，则在极限工况下移动节就会脱落，使车辆无法运行或发生事故。

因此，存在一种这样的需求，即提供一种设计驱动半轴中用于连接两个万向节比如固定节和移动节或者移动节和移动节的连接轴的方法，该方法能够使得该连接轴具有最佳的长度来满足各种不同的工况。

发明内容

本发明的目标是提供一种测试驱动半轴中用于连接两个万向节的连接轴长度是否合理的方法，包括以下步骤：

根据所述驱动半轴建立驱动半轴运动的动力学模型；

根据所述动力学模型确定所述驱动半轴的移动节在各个工况下的位移-摆角曲线；

如果所述位移-摆角曲线超出移动节的边界曲线的左侧，则表示所述连接轴长度过短；

如果所述位移-摆角曲线超出移动节的边界曲线的右侧，则表示所述连接轴长度过长；

如果所述位移-摆角曲线没有超出移动节的边界，则表示所述连接轴长度合理。

在上述方法中，所述边界曲线由所述移动节本身特性确定。

在上述方法中，所述位移-摆角曲线的确定与动力总成的摆动位移、装配误差和悬架的偏差有关。

在上述方法中，所述连接轴为实心轴或者空心轴。

在上述方法中，所述两个万向节为固定节和移动节，或者为移动节和移动节

本发明的另一目标是提供一种确定测试驱动半轴中用于连接两个万向节的连接轴的长度的方法，包括以下步骤：

a)初定连接轴长度；

b)根据所述驱动半轴建立驱动半轴运动的动力学模型；

c)基于连接轴长度根据所述动力学模型确定移动节的位移-摆角曲线；

d)如果所述位移-摆角曲线超出移动节的边界曲线的左侧，则减少所述连接轴长度，并重复步骤c)；

e)如果所述位移-摆角曲线超出移动节的边界曲线的右侧，则增加所述连接轴长度，并重复步骤c)；

f)如果所述位移-摆角曲线没有超出移动节的边界，则结束本方法。

在上述方法中，所述边界曲线由所述移动节本身特性确定。

在上述方法中，所述位移-摆角曲线的确定与动力总成的摆动位移、装配误差和悬架的偏差有关。

在上述方法中，所述连接轴为实心轴或者空心轴。

在上述方法中，所述两个万向节为固定节和移动节，或者为移动节和移动节

本发明的进一步的目标是提供一种通过如上述方法得到的驱动半轴中用于连接两个万向节的连接轴。

本发明的进一步的目标是提供一种使用上述的驱动半轴中用于连接两个万向节的连接轴的汽车底盘。

本发明的进一步的目标是提供一种使用上述的驱动半轴中用于连接两个万向节的连接轴的汽车。

结合其中显示和描述了本发明的示例性实施例的附图阅读以下详细描述后，本领域的技术人员将明白本发明的这些以及其他的目标、特征和优势。

附图说明

虽然本说明书以具体指出并清楚声明本发明内容的权利要求书来结束，但是相信根据结合附图的以下描述将更好地理解本发明。

图1示出了一种驱动半轴的动力学模型；

图2示出了驱动半轴动力学模型在不同情况下的变型；

图3-5示出了不同情长度的驱动半轴移动节摆角-位移曲线；

图6示出了右驱动半轴移动节摆角-位移曲线；

图7示出了左驱动半轴移动节摆角-位移曲线；

图8示出了左、右移动节三柱槽壳内沟道磨损痕迹；

图9示出了根据本发明一个实施例的流程图；

图10示出了根据本发明的另一个实施例的流程图。

具体实施方式

本发明提供的是一种检测以及确定驱动半轴中用于连接两个万向节例如固定节和移动节或者移动节和移动节的连接轴长度的方法。在本领域中，该连接轴可以是实轴，也可以实施为空心轴。下文中，主要以实轴为例对本发明进行说明。但是，本领域普通技术人员应该理解，以下说明同样适用于空心轴。

首先，图1示出了一种根据驱动半轴的运动而建立的动力学模型。具体地，该动力学模型的建立是依据整车悬架参数以及悬架和动力总成总布置的硬点坐标，并将车辆运行中动力总成的摆动位移、装配误差、悬架的偏差等考虑在内。其中101为轮毂，1022为转向节，103为下摆臂，104为横向稳定杆，105为转向器横拉杆，106为驱动轴移动节，107为驱动半轴实轴，108为纵拉杆，109为减震器，110为限位块。

该动力学的模型的工作原理是这样的。拿某种汽车底盘来作为示例，其悬架参数中，车轮上跳最大90mm，向下跳动最大70mm，转向器总行程149mm，车轮上下跳动是伴随着下摆臂绕自身固定轴线的转动以及减震器的被压缩或拉伸一起运动，以适应复杂路面，当车轮上下跳动过程中会带着动驱动半轴一起上下运动；另外车轮转向时绕着主销轴线转动，而驱动半轴固定节绕固定节中心转动，固定节中心与主线轴线一般不重合，因此当转动方向盘时，转向器推拉转向节，带动车轮转转向，车轮转向时带着动驱动半轴绕自身的固定节中心转动；因此为保证车辆在各种工况下都能持续运行，就依靠移动节的轴向滑移量来补偿由于车轮跳动和转向带来的长度变化。

具体地，图2示出了在不同的工况下的该动力学模型的不同形式。其中，210表示在没有转向的情况下，车轮下跳到极限时的该驱动半轴的动力学模型；212表示在没有转向的情况下，车轮上跳到极限时该驱动半轴的动力学模型；214表示的则是在没有跳动的情况下，车轮右转到极限时该驱动半轴的动力学模型；216表示的是在没有跳动的情况下车轮左传到极限时的该驱动半轴的动力学模型。

由于车轮上下跳动以及转向带动驱动半轴实轴一起运动，装在移动节内的三销节在移动节的滑行球道内滑移。在不同的工况下，三销节相对移动节轨道中心的距离也在不断变化，同样，实轴轴线与移动节轴线的夹角也在不断变化。从动力学模型得出三销节相对于移动节中心的滑移距离(定义拉伸为负，压缩为正)，以及实轴轴线与移动节轴线的夹角，然后以夹角为Y轴，相对移动节中心的滑移距离为X坐标，即可得到图2-4的V形曲线。在计算图2-4的V形曲线的过程中，将动力总成的摆动位移、装配误差、悬架偏差等考虑在内，并且需要考虑极限偏差。

图3-5示出了不同长度的驱动半轴移动节摆角-位移曲线。具体地，对于图3来说，横轴表示驱动半轴移动节的摆角，纵轴表示三销节相对于移动节中心的滑移距离。本发明中，把拉伸距离定义为负值，把压缩距离定义为正值。图3中，边界曲线307则由驱动半轴确定。即，对于给定的驱动半轴，本领域普通技术人员即可确定其边界曲线。

其中，左侧V型曲线301表示的是将动力总成最大摆动位移，装配误差，悬架偏差等考虑在内时的极限拉伸状态。而中间V型曲线303表示的没有移动的状态，这种状态是最理想的状态，其动力总成摆动位移为0，装配误差和悬架偏差都为0。右侧V型曲线305表示的是将动力总成最大摆动位移，装配误差，悬架偏差等考虑在内时的极限压缩状态。

每个V型曲线的变化与实轴相对于移动节的运动是相对应的。具体地，以左侧V型曲线301作为示例，301的左侧最高点313表示车轮下跳到极限，而右侧最高点315表示车轮上跳到极限，而最低点315则表示车轮下跳与上跳的转折点，接近水平位置。需要注意的是，由于半轴为空间布置，因此该处夹角一般不等于0。

在图3中，V型曲线301的左侧超出边界曲线307，表示驱动半轴实轴在拉伸到极限时移动节有脱落的风险。即，驱动半轴实轴长度过短。

图4示出了另一种长度的驱动半轴实轴的驱动半轴移动节摆角-位移曲线。在图4中，与图3所示类似，边界曲线407则由驱动半轴确定。即，对于给定的驱动半轴，其边界曲线即是确定的。其中，左侧V型曲线401表示的是将动力总成最大摆动位移，装配误差，悬架偏差等考虑在内时的极限拉伸状态。而中间V型曲线403表示的最理想的没有移动的状态，其动力总成摆动位移为0，装配误差和悬架偏差都为0。右侧V型曲线405表示的是将动力总成最大摆动位移，装配误差，悬架偏差等考虑在内时的极限压缩状态。

在该种实轴长度下，V型曲线405的右侧超出边界曲线407，表示驱动半轴实轴在压缩到极限时移动节有顶死的风险。即，驱动半轴实轴长度过长。

图5示出了第三种长度的驱动半轴实轴的驱动半轴移动节摆角-位移曲线。与图3所示类似，边界曲线507则由驱动半轴确定。其中，左侧V型曲线501表示的是将动力总成最大摆动位移，装配误差，悬架偏差等考虑在内时的极限拉伸状态。而中间V型曲线503表示的最理想的没有移动的状态，其动力总成摆动位移为0，装配误差和悬架偏差都为0。右侧V型曲线505表示的是将动力总成最大摆动位移，装配误差，悬架偏差等考虑在内时的极限压缩状态。

在该种实轴长度下，所有数据全部在边界曲线以内，距离边界曲线还有一定的安全余量，并且，左右V型曲线501和505的安全余量相等。此时的实轴长度为最佳尺寸，可以与整车相匹配。

图6和图7分别示出了一个示范性实施例的右驱动半轴移动节摆角-位移曲线和左驱动半轴移动节摆角-位移曲线。而图8相应地示出了左、右移动节三柱槽壳内沟道磨损痕迹。

图6中，每个V型曲线601、603和605是由很多点组成的。如图6下方的放大图所示，这三点均是转向工况点。具体地，这三点分别是左转向极限点，右转向极限点，而最右侧的点为没有转向时的点。图右侧的数字表明车轮跳动的位移，正值表示车轮向上跳动，负值表示车轮向下跳动。图右侧的符号表示的则是车轮跳动到该位移时的工况点用这个符号来表示，即V形曲线中相应的点。

图9示出了根据本发明的另一个实施例的确定驱动半轴的长度的方法。首先，给出一个实轴初始长度901。该初始长度可以由本领域普通技术人员根据其具体环境以及根据经验给出。其次，根据所述驱动半轴建立驱动半轴运动的动力学模型902。然后，基于初步给定的实轴长度并根据驱动半轴的动力学模型确定移动节的位移-摆角曲线903。接着，比较位移-摆角曲线与移动节的边界曲线904。如果所述位移-摆角曲线超出移动节的边界曲线的左侧，则减少所述实轴长度905，并回到步骤903；如果所述位移-摆角曲线超出移动节的边界曲线的右侧，则增加所述实轴长度906，并回到步骤903；如果所述位移-摆角曲线距离所述移动节的所述边界曲线的安全余量大致相等，则结束本方法910。

图10示出了根据本发明的另一个实施例的确定驱动半轴的长度的方法。首先，给出一个实轴初始长度1001。该初始长度可以由本领域普通技术人员根据其具体环境以及根据经验给出。其次，根据所述驱动半轴建立驱动半轴运动的动力学模型1002。然后，基于初步给定的实轴长度并根据驱动半轴的动力学模型确定移动节的位移-摆角曲线1003。接着，比较位移-摆角曲线与移动节的边界曲线1004。如果所述位移-摆角曲线超出移动节的边界曲线的左侧，则减少所述实轴长度1005，并回到步骤1003；如果所述位移-摆角曲线超出移动节的边界曲线的右侧，则增加所述实轴长度1006，并回到步骤1003。

如果两侧的位移-摆角曲线均未超出移动节的边界曲线，则进一步比较位移-摆角曲线距离移动节的边界曲线右侧的安全余量与距离所述移动节的边界曲线左侧的安全余量之间的大小关系1007。

如果比较的结果是所述位移-摆角曲线没有超出移动节的边界曲线但是所述位移-摆角曲线距离所述移动节的边界曲线左侧的安全余量明显大于距离所述移动节的边界曲线右侧的安全余量，则增加所述实轴长度1005，并回到步骤1003。

如果比较的结果是所述位移-摆角曲线没有超出移动节的边界曲线但是所述位移-摆角曲线距离所述移动节的边界曲线右侧的安全余量明显大于距离所述移动节的边界曲线左侧的安全余量，则减少所述实轴长度1006，并回到步骤1003。

如果所述位移-摆角曲线距离所述移动节的所述边界曲线的安全余量大致相等，则结束本方法1010。

同时，本发明的方法还可以用于检测驱动半轴实轴长度。具体地，在建立驱动半轴运动的动力学模型并根据所述动力学模型确定所述驱动半轴的移动节在各个工况下的位移-摆角曲线之后，比较比较位移-摆角曲线与移动节的边界曲线。如果所述位移-摆角曲线超出移动节的边界曲线的左侧，则表示所述实轴长度过短；如果所述位移-摆角曲线超出所述移动节的所述边界曲线的右侧，则表示所述实轴长度过长；如果所述位移-摆角曲线没有超出所述移动节的所述边界曲线，则表示所述实轴长度合理。其中，当位移-摆角曲线距离所述移动节的所述边界曲线的安全余量大致相等时，所述实轴的长度是最合理的。

根据上述方法，还可以判断悬架布置硬点和动力总成布置硬点是否合理，以及该驱动半轴移动节类型是否能满足整车使用工况。具体地，如动力学模型原理中所说明的，车轮绕主销轴线转动，驱动轴固定节绕自身的固定节中心转动，它们一般不会重合；而固定节中心距离主销轴线距离越大，转向引起的移动节滑移量就越大，即V形曲线中的线宽就越大，该距离越小，V形曲线的线宽就越小，最理想的状况是固定节中心正好落在主销轴线上，此时车轮转向时和固定节拥有相同的转动中心，转向引起的移动节的滑动位移始终为0。在车辆设计初期，悬架参数初步确定后，需要使用该方法检查是否合理，如果V形曲线的线宽较大，就需要修正悬架参数。

此外，本发明的另一个实施例还提供了一种根据图9和10所示的方法得到的驱动半轴。

此外，本发明的另一个实施例还提供了使用上述实施例的驱动半轴的汽车底盘。

此外，本发明的进一步的实施例还提供了使用上述实施例的驱动半轴的汽车。

尽管上面已经描述了示范性实施例，但本发明不限于这些示范性实施例。在本发明的精神和范围内，这些示范性实施例可以被结合使用或者每个示范性实施例可以被部分地修改。

虽然本发明的优选示范性实施例是采用特定术语进行描述的，但这种描述只是用于说明的目的。应当理解的是，在不脱离权利要求的精神和范围内，可以对权利要求书做出各种修改和变换。

Claims (16)

1.一种检测驱动半轴中用于连接两个万向节的连接轴部分的长度的方法，包括以下步骤：

根据所述驱动半轴建立驱动半轴运动的动力学模型；

根据所述动力学模型确定所述驱动半轴的移动节在各个工况下的位移-摆角曲线；

如果所述位移-摆角曲线超出移动节的边界曲线的左侧，则表示所述连接轴长度过短；

如果所述位移-摆角曲线超出所述移动节的所述边界曲线的右侧，则表示所述连接轴长度过长；

如果所述位移-摆角曲线没有超出所述移动节的所述边界曲线，则表示所述连接轴长度合理。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位移-摆角曲线距离所述移动节的所述边界曲线的安全余量大致相等时，所述连接轴的长度是最合理的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述边界曲线由所述移动节本身特性确定。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述位移-摆角曲线的确定与动力总成的摆动位移、装配误差和悬架的偏差有关。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连接轴为实心轴或者空心轴。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个万向节为固定节和移动节，或者为移动节和移动节。

7.一种确定驱动半轴中用于连接两个万向节的连接轴部分的长度的方法，包括以下步骤：

a)初定所述连接轴长度；

b)根据所述驱动半轴建立驱动半轴运动的动力学模型；

c)基于连接轴长度根据所述动力学模型确定移动节的位移-摆角曲线；

d)如果所述位移-摆角曲线超出移动节的边界曲线的左侧，则减少所述连接轴长度，并回到步骤c)；

如果所述位移-摆角曲线超出移动节的边界曲线的右侧，则增加所述连接轴长度，并回到步骤c)；

如果所述位移-摆角曲线距离所述移动节的所述边界曲线的安全余量大致相等，则结束本方法。

8.如权利要求7所述的方法，进一步包括，如果所述位移-摆角曲线没有超出移动节的边界曲线，但是所述位移-摆角曲线距离所述移动节的边界曲线左侧的安全余量明显大于距离所述移动节的边界曲线右侧的安全余量，则增加所述连接轴长度，并回到步骤c)。

9.如权利要求7所述的方法，进一步包括，如果所述位移-摆角曲线没有超出移动节的边界曲线，但是所述位移-摆角曲线距离所述移动节的边界曲线右侧的安全余量明显大于距离所述移动节的边界曲线左侧的安全余量，则减少所述连接轴长度，并回到步骤c)。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述边界曲线由所述移动节本身特性确定。

11.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述位移-摆角曲线的确定与动力总成的摆动位移、装配误差和悬架的偏差有关。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述连接轴为实心轴或者空心轴。

13.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述两个万向节为固定节和移动节，或者为移动节和移动节。

14.通过如权利要求7-13中任一项所述方法得到的驱动半轴中用于连接两个万向节的连接轴部分。

15.使用如权利要求14所述的驱动半轴中用于连接两个万向节的连接轴部分的汽车底盘。

16.使用如权利要求14所述的驱动半轴中用于连接两个万向节的连接轴部分的汽车。

Images