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提高传动轴动平衡精度的方法


提高传动轴动平衡精度的方法
白俊伟
摘要:传动轴是一个高转速、少支承的旋转体,因此它的动平衡是至关重要的。一般传动轴 在出厂前都要进行动平衡试验, 并在平衡机上进行了调整。 随着国内高速公路的快速发展和 人们经济水平的提高,客户对整车乘坐舒适性的不断提高,汽车的高速性能越来越受到汽车 行业、 企业的高度重视,而汽车传动轴的高速动平衡正是影响汽车高速性能的关键因

素之一, 本论文主要是以依维柯传动轴总成为研究对象, 从传动轴总成零部件的机械加工方面进行研 究,找出提高传动轴动平衡精度的方法。 关键词: 传动轴;动平衡精度;机械加工

0 引言
传动轴动平衡精度关系到传动轴乃至整车能否整车工作的重要指标,各传动轴生产厂家 均把传动轴的动平衡工序作为一个重要的质量控制点, 加以严格控制和管理。 当传动轴的剩 余不平衡量较大时,其工作噪音、振动也随之加大,这样就会影响整车的舒适性,甚至会影 响车辆的正常行驶。因此,减小其剩余不平衡量,提高传动轴的动平衡精度是改善整车性能 一个重要因素。

1 传动轴动平衡原理
物体的不平衡状态可以分为静不平衡和动不平衡两种状态,根据物体的结构又可以把他 们分为刚性转子和挠性转子。在整车中,传动轴作为连接变速箱和车桥的工具,起到传递扭 矩的作用, 因为其传递的扭矩较大以及自身的结构, 其不平衡状态应作为刚性转子的不平衡 状态。 传动轴的静不平衡主要是指传动轴的质量中心不在传动轴的旋转中心线上,这样就有一 个不平衡质量矩存在于质心所在的径向平面上,在无任何力偶矩存在时称为静不平衡,其结构 模型如图 1 所示

传动轴的动平衡主要指在传动轴静不平衡状态下通过在传动轴两端焊接平衡片的方法, 力图使总成的质量重心通过旋转中心,尽可能的实现静平衡。但当转子旋转时,二离心力大小 相等、方向相反,组成一对力偶,此力偶矩将引起二端轴承产生周期性变化的动反力。这种由 力偶矩引起的传动轴振动的不平衡就是传动轴自身的动不平衡,图 2 动不平衡模型

根据图 2 动不平衡模型可以判断通过动平衡理论分析:传动轴的动不平衡不可能 100%的 完全消除,而只能通过技术手段和加工水平的不断改善提高,将传动轴的动不平衡量值控制在 一定的范围之内,减小由于传动轴自身的动不平衡对整车带来的不利影响。

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传动轴动平衡影响因素

2.1 带滑动花键结构传动轴动平衡的影响因素 传动轴带滑动花键结构主要组成,如图 3 所示。 图 3 带滑动花键结构的传动轴 从传动轴结构上分析影响总成动不平衡的一是零件自身质量及加工后质量是否相对自身对 称中心质量分布均匀;二是分总成及各零件装配后其质量中心是否与传动轴旋转中心重合;三 是分总成及零件相互装配后配合间隙的控制,由于零件装配后的配合间隙的存在使得各零件 及分总成质量中心相对传动轴旋转中心线的位置不固定,这样就使得传动轴动不平衡量只能 控制在一定的范围之内,且存在变差[5] 。 影响传动轴带滑动花键结构动不平衡的主要因素有: 三大间隙:?滑动花键副配合间隙;?耳孔与轴承径向配合间隙;?卡簧与轴承端面轴向间隙。 两大焊接质量是:?轴管两端与花键轴及万向节叉;?花键套与万向节叉。 六大加工质量是:?耳孔内径;?卡簧槽间距;?耳孔端面对称性;?卡簧厚度;?毛坯中心与加工中 心 的一致性;?毛坯自身精度。 因此要改善传动轴带滑动花键结构的动不平衡必须考虑上述 11 项关键因素。 2.2 传动轴带中间支撑动平衡的影响因素 传动轴带中间支撑结构主要组成,如图 4 所示。 图 4 带中间支撑的传动轴 影响传动轴带中间支撑结构动不平衡的主要因素有: 三大间隙:?滑动花键副配合间隙;?耳孔与轴承径向配合间隙;?卡簧与轴承端面轴向间隙。 一种焊接质量:轴管两端与花键轴及万向节叉。 六大加工质量:?耳孔内径;?卡簧槽间距;?耳孔对称性;?卡簧厚度;?毛坯中心与加工中心的一 致性;?毛坯自身精度。 因此要改善传动轴带中间支撑结构的动不平衡必须考虑上述 10 项关键因素。由于中间支承 仅有里面的轴承在整车行使过程中绕轴旋转[6],所以中间支承对传动轴总成动平衡影响较小, 在此不做分析。 3 传动轴动平衡改善技术应用 传动轴动平衡的改善、降低需要从影响传动轴动平衡的各项因素着手分析,但降低传动轴动 平衡不仅会增加产品的成本,而且传动轴动平衡的控制水平与当前国内传动轴行业的技术水 平、 改善手段紧密相关。 下面针对影响传动轴动平衡的三大间隙因素分别对改善的内容进行 分析。

3.1 三大间隙的控制、改善
从传动轴动平衡影响因素分析,传动轴自身的间隙控制应是改善传动轴动平衡水平的重要环 节。由于间隙的存在使得传动轴动平衡量值始终浮动在一定的范围之内,而且无法固定在某 一个数值。这为复校传动轴的动平衡量值增加了难度,因为装配关系、配合状态的变化使得 首检动平衡量值无法唯一再现,只能按照一定的控制范围进行核对、分析。为此在本次改善 的过程中主要采用实验的方法进行改善、验证。3.1.1 传动轴滑动花键副间隙控制 传动轴滑动花键副主要指花键轴外花键和花键套内花键的相互啮合。 花键的配合主要存在两 种间隙: 齿侧间隙和齿顶间隙。 齿侧间隙主要与内外花键齿厚相关,齿顶间隙主要与内外花键 大径相关。主要改进以内花键为配合主体,改进花键轴外花键尺寸。为保证改善尺寸符合现

场加工水平现进行如下试验:首先分别测量 50 件花键轴、 花键套花键尺寸,并分别进行标号记 录,按照测量结果进行花键配对装配标记,并记录相互的间隙值[7] 。 从花键公差分布图分析花键加工尺寸近似正态分布,无异常可以作为试验数据进行分析使用。 按照上述花键尺寸分布将花键轴与花键套配对记录并进行动平衡试验验证滑动花键副间隙 与动平衡量值之间的对应关系如图 5 所示。 图 5 大径间隙的影响 通过上述花键径向间隙对动平衡量值的影响曲线可以看到随着间隙的不断减小,初始不平衡 量值及动平衡量值均呈现递减的趋势 (间隙变小后不平衡量多分布在小平衡量的区间),由此 可以得出结论通过缩小大径配合间隙是可以有效降低传动轴动不平衡量值的。 对花键齿侧间 隙对初始不平衡量值及动平衡量值进行数据分析如图 6 所示。 通过对花键齿侧间隙对动平衡量值的影响曲线可以看到随着齿侧间隙的不断减小,初始不平 衡量值及动平衡量值同样呈现递减的趋势,可通过缩小齿侧配合间隙是可以有效降低传动轴 动不平衡量值。 对均值进行对比分析显示间隙的缩小对传动轴初始动平衡量值下降率达到 16%~45%,对动平 衡量值的降低可以达到 14%。 3.1.2 卡簧与轴承端面间隙的控制 十字轴轴承的轴向定位方式主要有簧定位和盖板定位两种。 卡簧的定位在传动轴结构中主要 涉及叉子中卡簧槽间距及卡簧槽宽度、卡簧厚度,十字轴轴承端 面距离。对十字轴两轴承端面距离由于是标准件加工精度相对较高,在实际改善传动轴动平 衡过程中保证零件尺寸符合图纸要求。 卡簧槽间距及卡簧厚度是影响十字轴轴向间隙的关键 尺寸,原有现场加工的卡簧槽尺寸检查是配置槽距规,但槽距规只能定性的判断该尺寸合格与 不合格,对后期动平衡的改善无参考数据,不利于数据的分析判断。为此需要对现场配置专用 游标卡尺对卡簧槽槽距尺寸进行定量测量,并对卡簧槽槽距尺寸进行分组及标识。同时对卡 簧的厚度按照尺寸公差进行分组、标识。卡簧厚度及卡簧槽槽距尺寸进行分组识别后,在传 动轴后期装配的过程中按照不同的组数进行分组对应装配,这样传动轴十字轴的轴向间隙就 可控制在一定的范围之内,这为降低传动轴动平衡量值创造了有利条件 [8] 。 图 6 花键齿侧间隙的影响 十字轴盖板定位方式主要涉及叉子端面距及十字 轴轴承端面距。 而叉子的端面距是本次控制的重点,实际操作中对过盈量(间隙为负值)进行测 量并对动平衡进行试验,有关分析如图 7 所示。 从图 7 分析耳孔端面距与十字轴轴承端面之间随着过盈量的增加初始动平衡量值及动平衡 量值在不断下降,这为改善传动轴动平衡量值提供了改善的方向。3.1.3 轴承外圆与耳孔间隙 的控制 轴承外圆与耳孔间隙主要指轴承外圆尺寸与耳孔内径尺寸之间的配合间隙,但该间隙不仅与 尺寸加工相关,而且与耳孔圆度密切相关。对耳孔圆度的控制却存在质量波动,采取增加检验 频次,明确检验要求,提高设备 CP 值的方式来改善现状。 对耳孔圆度采取配置形位公差检具的 手段控制。 3.2 其他影响因素分析 对传动轴动平衡影响因素两大焊接质量及六大加工质量均属于现场质量过程控制的范畴,而 且部分零件加工质量与上述三大间隙的控制密切相关。 实际操作中发现其它影响因素对动平

衡影响较大的一是传动轴焊接后万向节叉、花键轴与轴管焊接跳动,焊接后 A、B 两处的跳动 必须进行严格控制,这需要增强日常的监控和质量控制。 图 7 耳孔端面与轴承端面过盈量的影响 二是叉子毛坯自身精度及加工后毛坯中心与加工中心的一致性。 对零件加工中心的识别目前 可以通过检验手段进行后期控制,但对毛坯加工工装、夹具及加工方式的研究却需要进一步 改善和提高,这是提高传动轴动平衡等级的研究、发展方向。

4 结论
(1)由大量现场实物,借助汽车设计理论和机械原理等,通过有效改善花键参数,实现卡簧的分 组装配,零件尺寸的严格控制。 (2)将传动轴总成间隙及质量分布控制在一定的范围之内 ,实现了传动轴动平衡技术要求 ,为 货车传动轴动的升级换代提供了有效支撑。 (3)同时通过本次传动轴动平衡技术的改善为进一步提升传动轴动平衡水平积累了宝贵经验。 (4)与先前发表的研究工作论文相比来说,不局限于模拟仿真有限元分析,利用基础原理,借助 大量实物进行深入分析。 (5)建议尝试仿真模拟与实物分析相结合来进行更加深入地分析和研究。


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