1. 传动轴总成
学习目标
阅读本章后，您应该能够：
· 识别卡车动力传动系统中的组件。
· 解释检查、润滑和更换万向节的过程。
· 描述万向节磨损的各种类型。
· 概述诊断底盘动力传动系统振动的工艺。
· 拆卸和更换传动轴万向节。
· 定义并解释传动轴相位的重要性。
· 解释动力传动系统工作角度的重要性以及如何计算它们。
· 对重型传动轴总成进行相位调整。
· 描述给传动轴做动平衡的过程。
介绍
传动轴，有时也被称为螺旋桨轴，功能简单：从一个动力传动系统组件传递驱动力矩到另一个组件。这一过程应该平稳、无振动地完成。在重型卡车中，这意味着要将发动机扭矩从变速器的输出轴传递到后桥或辅助变速器。传动轴还用于连接6×4牵引车的前桥和后桥。图22-1展示了一个装有辅助变速器的串联驱动牵引车中使用的传动轴布局。虽然这种布局今天不常用，但这里作为复杂传动轴总成的一个示例而展示。
图22-1传动轴在传动系统部件之间传递扭矩。
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英语术语 |
汉语翻译 |
英语术语 |
汉语翻译 |
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Main transmission |
主变速箱 |
Main driveshaft |
主传动轴 |
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Auxiliary transmission |
辅助变速箱 |
Center bearing |
中间轴承 |
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Slip joints |
滑动花键 |
Rear axle carrier |
后桥组 |
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Universal joints |
万向节 |
Interaxle driveshaft |
桥间传动轴 |
传动轴功能
在大多数情况下，传动轴需要以一定角度传递扭矩，该角度与它所连接的传动系统部件的中心线之间存在夹角。由于后驱动桥属于悬架系统的一部分，而非直接固定在卡车的刚性车架纵梁上，当后悬架因路面起伏和载荷变化产生位移时，传动轴必须具备持续适应角度变化的能力。除了要承受持续变化的角度外，传动轴在传递扭矩时还需能够伸缩调整。当后桥因路面变化、扭矩反作用力及制动力影响而前后摆动时，传动轴的长度必须相应改变以适应这种运动。
22.1传动轴的构造
传动轴总成由万向节（U型接头）、叉形轭架、滑动花键和传动轴管组成。其中，传动轴管采用空心管状结构设计，既能承受高扭矩载荷，又能保持轻量化。图22-2展示了典型重型卡车传动轴的组成部件。本节我们将逐一研究这些部件在传动轴总成中的作用。
图22-2重型卡车传动轴的分解图。
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英文术语 |
中文翻译 |
技术说明 |
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Hanger bearing (center) |
悬挂轴承（中央） |
用于支撑传动轴中间的承载部件 |
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Driveshaft |
传动轴 |
传递动力的主要轴件 |
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Full round yoke type |
全圆轭架型 |
一种完整的环形万向节连接部件 |
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Seal |
密封件 |
防止润滑油泄漏的防护部件 |
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Slip spline |
滑动花键 |
允许轴向滑动的传动连接部件 |
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Differential |
差速器 |
分配扭矩并允许轮速差的装置 |
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Universal joint |
万向节 |
实现变角度扭矩传递的关节部件 |
传动轴
为了将发动机扭矩从变速器传递到后传动轴，传动轴必须耐用且坚固。如果一个发动机产生1000磅英尺的扭矩，当这个扭矩通过变速器中12:1的齿轮比放大时，它在传动轴上产生了12000磅英尺的扭矩。该轴必须足够坚固，能够将这种扭力传递到满载的轮轴而不变形。
系列等级
传动轴采用高强度钢管制造，在保证最轻重量的同时提供最大强度。其管径与壁厚的设计取决于以下因素：最大扭矩、车辆载重、运行工况、道路条件及峰值制动扭矩。这些参数最终转换为系列编号——例如当提及1800系列传动轴时，该编号即标定了该传动轴可承受的最大扭矩、最大轴马力及最高转速。在长途公路牵引车领域，最常用的传动轴等级为1700系列的四种变型。表22-1列出了卡车常用传动轴系列的技术规范（该表仅供查阅，无需刻意记忆其内容）。
表22-1按系列划分的卡车传动轴规格
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传动轴系列 |
额定扭矩(N·m) |
额定扭矩(磅·英尺) |
最大功率(kW) |
最大功率(马力) |
最大安全转速(rpm) |
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1550系列 |
3,100 |
2,280 |
125 |
170 |
5,000 |
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1610系列 |
4,670 |
3,450 |
180 |
240 |
4,500 |
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1710系列 |
6,200 |
4,570 |
245 |
330 |
4,500 |
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1710 HD |
8,400 |
6,210 |
245 |
330 |
4,500 |
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1760系列 |
6,200 |
4,570 |
270 |
360 |
4,500 |
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1760 HD |
8,400 |
6,210 |
270 |
360 |
4,500 |
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1810系列 |
7,900 |
5,850  |
320 |
430 |
4,500 |
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1810 HD |
10,760 |
7,940 |
320 |
430 |
4,500 |
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1880系列 |
14,050 |
10,330 |
375 |
500 |
3,000 |
配置
根据传动系统长度不同，可使用单节、双节或三节传动轴总成。更换传动轴时必须遵循卡车原始设备制造商（OEM）推荐的传动轴规格标准。规格过大、过小、超重或动平衡不良的传动系统部件会导致传动系统反复故障，这些故障可能延伸至传动轴总成以外的动力总成部件。规格过大的传动轴会给变速箱和车桥部件带来不必要的负荷，而规格过小的传动轴往往容易快速且频繁地发生故障。
传动轴部件
在一个简易的传动轴中，两端的叉臂将轴与其他传动系统部件连接起来。通常，一端的叉臂会焊接在轴管上，而另一端则通过滑动花键连接到滑动叉臂或传动轴的第二节。滑动花键的作用是适应连接变速箱和驱动桥总成之间所需的传动轴长度变化。传动轴两端的叉臂通过U型接头与变速箱的输出轴和输入轴以及驱动桥的端叉臂相连。图22–3展示了一个突出显示滑动花键的传动轴总成的细节。
图22-3带有滑动接头的传动轴。
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英文术语 |
中文翻译 |
技术说明 |
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Universal joint |
万向节 |
用于传递扭矩并允许角度变化的机械连接件 |
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Solid splined stub |
实心花键短轴 |
带外花键的实心短轴，用于传动连接 |
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Hollow driveshaft tube |
空心传动轴管 |
中空管状结构，兼顾强度与轻量化 |
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Slip yoke |
滑动叉 |
可轴向滑动的万向节叉部件 |
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Yoke |
万向节叉 |
万向节的U形连接部件 |
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Splines |
花键 |
传递扭矩的轴向齿形结构 |
滑动接头由一个硬化的花键轴短柱组成，它被焊接到传动轴管的末端。滑动叉臂的阳端带有外部花键，插入带有匹配内部花键的阴滑动叉臂中。花键允许传动轴在传递全扭矩负载的同时改变长度。滑动花键用润滑脂进行润滑，并且还涂有聚合物尼龙涂层。Spicer使用的聚合物尼龙涂层被称为Glidecoat，它允许滑动同时显著减少磨损。带螺纹的防尘盖包含一个垫圈和密封件（通常是合成橡胶或毛毡），用于排除污染物并保持润滑脂。
万向节
通常被称为万向节的通用联轴器。万向节的作用是连接传动线组件，同时允许它们在不同和不断变化的角度下运转。万向节的中心部分由一个锻造的轴承十字架组成，也称为蜘蛛。锻造的十字架可能会加工成润滑脂嘴（润滑脂套头）和四组滚针轴承。万向节的末端称为轴颈。轴颈是滚针轴承运行的渗碳淬火的地面表面。轴承盖容纳滚针轴承，它们紧密地适配到轴套的孔中，以保持万向节在一对彼此偏移的轴承套内。滚针轴承和轴颈使用底盘润滑脂润滑，这将在本章后面详细介绍。从轴颈上拆下一个轴承盖的完整万向节组件如图22-4所示。
图22-4万向节总成。
在一些万向节的每个轴颈中心有一个立管（一种止回阀），它防止运行期间产生的热液体润滑剂的逆流。当万向节静止时，一个或多个轴颈必须是直立的（图22-5）。没有立管，润滑剂将从上部润滑通道和轴颈流出，导致部分干润滑启动，可能会导致磨损。立管有助于确保每次启动时轴颈和滚针轴承的充分润滑。其他万向节在每个十字架上都有橡胶止回阀，执行相同的功能。
图22-5每个十字轴端部的立管确保持续润滑并防止干启动。
轴承组件
每个十字架都有四个轴承组件，一个用于每个轴颈轨道。每个组件由轴承杯中的滚针轴承和围绕杯口的橡胶密封圈组成。滚针轴承由于其强度和耐用性而被使用。它们可以承受由旋转传动轴的振荡动作产生的高负载。
针状滚子轴承同样需要的径向空间较小，从而减小了万向节的整体直径。大多数万向节在出厂时仅涂抹了足够的润滑剂，以确保在将其组装到传动轴上时，滚柱能够保持原位。万向节安装完毕后，应涂抹额外的润滑脂。针状滚子轴承被置于轴承盖组件中的轴承座内（见图22-6）。轴承座安装在万向节的轴颈上，并将轴承盖组件固定在万向节叉内。大多数轴承座呈圆形，能够紧密地嵌入万向节叉的孔中。其他万向节则采用翼形轴承座，而非常见的圆形轴承座。翼形轴承座组件通过螺栓固定在万向节叉的肩部，如图22-7所示。
图22-6轴承杯和滚针。
图22-7翼型万向节和叉头。
每个轴承座都经过润滑，并装有密封件，以确保轴承内部不沾染灰尘和其他污染物。图22-8展示了一种常见的密封设计。
图22-8典型的万向节十字轴密封。
安装硬件
万向节可以通过不同的方式连接到万向节叉上。图22-9展示了将万向节固定到万向节叉上的四种常见方法。半圆端万向节叉使用轴承带或U型螺栓夹紧到万向节上。全圆端万向节叉则使用卡簧或轴承锁板将万向节固定在叉孔中。
图22-9将万向节固定在叉头上的四种方法：(A)轴承板；(B)卡环；(C)带子；(D)U型螺栓。
中间支撑轴承
当变速器（或辅助变速器）与后桥之间的距离过大，无法使用单个传动轴连接时，会使用中间支撑轴承（见图22-10）。这些轴承通常被称为悬挂轴承。中间支撑轴承固定在车架上，并对一对相连的传动轴进行对中。悬挂轴承通过在轴承周围安装橡胶绝缘体来缓冲传动轴和车架的振动。中间支撑轴承安装在一个冲压钢支架中，该支架对轴承组件进行对中并将其固定到车架横梁上。橡胶绝缘体在支撑轴承的同时，提供了一定的容错空间。大多数悬挂轴承都是密封的，因此在其使用寿命内无需进行维护润滑。长度超过70英寸（180厘米）的传动轴通常需要安装中间支撑轴承。图22-11展示了悬挂轴承的剖视图，图22-12则展示了重型悬挂轴承和万向节的实物图。
图22-10悬挂或中心轴承。
图22-11典型中心轴承的横截面。
图22-12悬挂轴承和万向节。
传动轴几何结构
有两种类型的传动轴配置用于将驱动力矩传递到驱动轮：平行万向节传动轴和非平行传动轴（或折弯传动轴）。在平行万向节类型中，传动轴中的所有配套法兰或万向节叉都位于彼此平行的平面上，给定轴上的万向节工作角度（见图22-13中的A和B尺寸）相等且方向相反。例如，如果变速器输出轴的中心线相对于真正水平面向下倾斜5度，则辅助主轴或后桥小齿轮轴的前端中心线必须向上倾斜5度。
图22-13平行接头传动轴布置。
在非平行或折弯安装中，传动轴的万向节工作角度（图22-14中的A和B）相等，但配套法兰和/或万向节叉并不平行。例如，变速器万向节叉相对于水平面向下倾斜3度，而后桥小齿轮法兰则向上倾斜12度。只要该传动轴的万向节工作角度保持相等，传动轴就可以无振动地运行。
图22-14“折背”型传动轴；角度A和B相等。
万向节工作角度
为确保传动轴无振动且持久运行，需要适当的万向节工作角度。大多数传动轴在垂直平面上倾斜，如图22-15a所示，但在一些卡车上，传动轴也在水平方向上偏移（倾斜），如图22-15b所示。当传动轴同时在垂直和水平平面上倾斜时，就形成了一个复合角度。
图22-15(A)单平面角度传动轴；(B)双平面角度传动轴。
所有万向节都有一个最大工作角度，在该角度下它们可以平稳地传递扭矩。这个工作角度部分取决于万向节的大小和设计。超过万向节的最大推荐工作角度会迅速损坏万向节，并损坏相连的传动轴部件。
高工作角度与高转速相结合往往会缩短万向节的使用寿命。万向节工作角度不等会导致振动，并引发万向节、变速器和差速器的问题。理想情况下，传动轴每端的工作角度应相等或相差不超过1度，且最大工作角度不应超过3度。传动轴的转速是决定特定应用中最大允许工作角度的主要因素。图22-16展示了一辆串联驱动牵引车前驱动托架后部的万向节。
图22-16前桥总成输出端的万向节。
表22-2将预期的传动轴转速与最大工作角度进行了关联。可以看出，传动轴转速越快，允许的工作角度就越低。这些角度是在传动轴从变速器向下倾斜以连接到后桥差速器托架输入叉时的万向节处计算的。例如，一台2100转/分的发动机通过快速超速档变速器和相当慢的轴速比，可能会使传动轴的转速超过3000转/分。这将把最大允许角度限制在5度以内，该角度是在卡车停放在平坦路面上时测量的。
表22-2最大万向节角度
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传动轴转速（转/分钟） |
最大正常工作角度 |
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5,000 |
3°15′ |
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4,500 |
3°40′ |
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4,000 |
4°15′ |
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3,500 |
5°00′ |
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3,000 |
5°50′ |
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2,500 |
7°00′ |
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2,000 |
8°40′ |
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1,500 |
11°30′ |
在工作角度相等的情况下，后万向节在旋转过程中减速的量与前万向节加速的量相同，从而实现万向节相互抵消。传动轴和被传动轴将以恒定且相同的速度旋转。如果两个相对的万向节工作角度相差超过1度，传动轴在旋转周期内会加速和减速，因此无法平稳旋转。结果是产生振动并最终导致万向节失效。
当车辆悬架在不平的路面上发生挠曲时，万向节的工作角度会变大。
如果这种情况发生在低速行驶时，除非传动系角度原本就很高，否则通常不会造成太大问题。与过去需要短轴距牵引车以保持车辆总长符合法律限制的时代相比，如今传动系角度引发的问题较少。这些法律限制的放宽使得可以使用更长的轴距，从而使传动轴变得更长，并消除了万向节的大工作角度。
车间谈话
以一定角度运行的万向节会导致传动轴产生周期性速度变化，使其在每转一圈中加速和减速两次。非均匀的输出速度会在任何以角度运行时产生传动系脉动。以相反方式但同样工作的是连接到传动轴输入轴后部的传动系万向节。为了避免因不均匀性而产生的有害扭转振动，后万向节需要抵消前万向节的不均匀旋转。这可以通过将变速器输出轴和传动轴输入轴设置在相对相似的角度上，从而产生相等的万向节工作角度来实现。这被称为传动轴万向节角度抵消。当传动轴两端的万向节角度保持在至少相差1度以内时，未抵消的非均匀旋转将降至最低。由传动轴振动引起的齿轮撞击声、齿轮卡滞、同步器故障和扭转振动将被消除。
传动轴越长，重量越大，因此径向力也越大，特别是在传动轴转速增加时。在高速行驶时，平衡变得更为关键。这就是为什么制造商会限制管长。例如，在3000转/分的转速下，任何单个传动轴段（在两端万向节中心线之间测量）的长度通常不应超过70英寸（180厘米）。
传动系相位
重型万向节具有独特的特性。由于它们总是在一定角度下运行，因此在360度旋转期间不会传递恒定扭矩或以均匀速度旋转（见图22-17）。
图22-17传动轴每转一圈速度增加和减少两次。
当驱动叉以恒定转速旋转时，传动轴每转一圈会加速和减速两次。为了平衡这种在传动轴平均速度上下波动的现象，万向节必须如图22-18所示彼此同相定位。不同相的情况会产生类似于两个孩子转跳绳时，如果只有一侧的孩子松开跳绳，就会产生一侧被抽打的效果；相比之下，如果绳子两端的孩子同时松开跳绳，那么绳子中产生的波浪会相互抵消，两个孩子都不会感受到波浪产生的反作用力。
图22-18两个同相的万向节将抵消传动轴的速度波动。
相位角
当相位一致时，滑动叉耳（凸耳）和另一端的焊接叉应完全对齐，如图22-19所示。如果传动轴装配时错位一个花键，则传动轴相位不一致，可能会导致剧烈振动。滑动叉和管轴上应印有相对的对齐箭头标记，以便将传动轴装配成相位一致。如果传动轴没有标记定时箭头，请自行标记。使用钢划针做一个轻微的划痕标记。术语“相位角”用于描述传动轴组件上每个叉的相对旋转位置。如果装配错误，哪怕只是错位一个花键，也会导致剧烈振动。
重型卡车系统
Heavy Duty Truck Systems
（原书第七版）
编著：肖恩·贝内特
翻译：兰福亮