一种用于车辆驱动的柔性轴系及其工作原理制造技术

本说明书运用牛顿运动定律及能量守恒定律分析车辆的运动原理，提出了车辆平衡驱动工作原理。车辆在刚性、同步传动的条件下，其动力装置对车辆的驱动为冲击驱动，即车辆在保持匀速、水平运动的条件下，其动力装置输出的动力大于其驱动轮克服匀速阻力所做的功。而在柔性、异步传动的条件下，其动力装置对车辆的驱动为平衡驱动，即车辆在保持匀速、水平运动的条件下，其动力装置输出的动力与其驱动轮克服匀速阻力所做的功保持相等。基于胡克定律及车辆平衡驱动工作原理，本说明书提出了实现车辆平衡驱动的柔性轴及柔性轴系的定义及其结构，并提出了柔性轴及柔性轴系的主要技术参数的设计及计算方法。

【技术实现步骤摘要】
一种用于车辆驱动的柔性轴系及其工作原理
本专利技术属于汽车
，涉及一种用于车辆平衡驱动的柔性轴系及平衡驱动的工作原理。
技术介绍
自汽车诞生以来一百多年间汽车技术不断完善、不断进步，汽车的应用也不断扩大，迄今汽车已遍及人类社会生产、生活及社会活动的方方面面。目前我国已经成为全球汽车产销第一大国，随着汽车社会保有量不断增加，诸如汽车尾气排放、燃料枯竭等环保和能源问题也日益凸显。人们对汽车节油、驾乘舒适性及安全性等汽车性能的要求也越来越高。自汽车诞生以来至今，汽车动力传递一直采用刚性传动方法，汽车驱动过程中伴随着动力扭矩与车辆质量惯性力之间的冲击作用,会出现动力反弹，传动系统中各个传动零部件均会独自产生无序、不规则的振动。目前汽车驱动系统及其零部件的设计已经达到了很高的水平，并且在恒温、无尘的环境中，采用现代高精密制造技术进行汽车驱动系统及其零部件的加工和装配。尽管如此，但对于汽车驱动性能的改善却收效甚微。这些说明，现有建立在汽车刚性传动、冲击驱动方法基础上的汽车驱动技术发展已经接近极限。我们迫切需要寻找新的汽车传动、驱动的方法，从而在降低汽车能耗、提高汽车驾乘安全性及舒适性、提高汽车使用寿命等方面取得突破，并且为汽车驱动技术的发展提供新的、更大的发展空间。
技术实现思路
一.柔性轴的定义⒈术语⑴扭转弹性模量杆部截面尺寸及长度均确定的柔性轴在满足胡克定律条件下，扭矩与弹性扭转角的比值，单位：牛·米/度，用字母E表示。⑵比例扭转角：柔性轴在满足胡克定律条件下发生的弹性扭转变形角。<br>⑶平衡扭转角：柔性轴在车辆动力扭矩和驱动轮行驶阻力矩相互作用下产生的比例扭转角。⑷平衡扭矩：在柔性轴平衡扭转角范围内，由柔性轴内原子间的弹性变形回复力所形成的作用于柔性轴外圆表面的扭矩。⑸平衡扭矩偶：在柔性轴系比例扭转角范围内，分别作用于柔性轴系动力输入端与动力输出端的大小相等、作用方向相反的二个平衡扭矩。⑹异步转动：柔性轴系在平衡驱动过程中其动力输入端与动力输出端之间发生的相对转动。⒉柔性轴的定义及基本特性柔性轴是由材料的弹性变形符合胡克定律的线性材料制成，是一根空心轴，其二端为连接端，中杆部分为薄壁圆筒，柔性轴用于车辆动力装置与驱动轮之间的动力传递。当动力波从柔性轴的一端传递至另一端时，柔性轴同时具有二条动力传递途径，即柔性轴整体的同步转动和柔性轴各横截面之间的异步转动。当车辆动力装置的动力变化时，柔性轴各横截面之间的异步转动始终符合胡克定律。如图1所示，将一根柔性轴（件1所示）二端的连接部支承于轴承座（件2、3所示）中，在柔性轴的二端分别施加扭矩M1和M2，其作用方向相反。当M1和M2大小相等时，柔性轴保持不转动，在柔性轴金相组织内会保持一定的比例扭转变形量，并且会产生弹性变形回复力，这种弹性变形回复力会在柔性轴的外圆表面形成扭矩，该扭矩称为平衡扭矩。该平衡扭矩同时作用于柔性轴的二端，并保持大小相等、作用方向相反，该对扭矩称为平衡扭矩偶。当柔性轴二端的作用扭矩大小不相等时，柔性轴会向较大扭矩的作用方向转动，但较大扭矩的一端只是保持扭矩增大的趋势，柔性轴的平衡扭矩及平衡扭矩偶与量值较小的扭矩保持大小相等。这是因为：在忽略不计柔性轴二端支承轴承转动阻力及柔性轴质量的条件下，柔性轴二端的作用扭矩M1和M2是作用力与反作用力的关系，由牛顿第三运动定律可知，M1和M2总是保持大小相等方向相反。综上所述，柔性轴的基本特性是：在比例变形范围内，分别作用于柔性轴二端的作用方向相反二个外加扭矩，无论其大小如何变化，作用于柔性轴二端的平衡扭矩偶总是与二个外加扭矩中量值较小的外加扭矩保持大小相等。⒊柔性轴的材料化学成份及力学性能柔性轴要实现其动力传递及平衡驱动的功能，就必须要能够产生符合胡克定律的扭转弹性变形，同时还要具备足够高的静扭强度。中碳低合金结构钢金相组织内原子与原子之间通过金属键结合，能够产生较大的弹性变形，同时也具有较高的强度。因此，柔性轴的材质可以选用中碳低合金结构钢，如国标牌号中40Cr、42CrMo、40MnB、35CrMo、45#等。柔性轴的材质也可以选用弹簧钢，如国标牌号中65Mn、45CrMoV、W18Cr4V等。⑴柔性轴的扭转弹性模量当对柔性轴两端的连接部各施加一大小相等，方向相反的力矩时，柔性轴会发生弹性变形，柔性轴两端连接部分由于受到外力的固定牵制作用，其变形量很小，柔性轴的扭转变形主要发生在形状为薄壁圆筒的中杆部分，因此，柔性轴的力学性能分析可以用一薄壁圆筒来代替。本专利技术柔性轴系涉及的薄壁圆筒如图2所示。薄壁圆筒的长度L的尺寸范围400豪米至1000豪米，直径D的尺寸范围5豪米40豪米，壁厚t的尺寸范围0.6豪米至6豪米。在这里假设柔性轴的变形是均匀的，且满足胡克定律。在薄壁圆筒截面壁厚的中点所在的圆柱面上取出二个相邻的截面，如图3所示。这二个截面上分别有A、B二个质点，这二个质点在发生扭转变形前是重叠的。在切向应力τ的作用下发生了位移ΔL，根据胡克定律可得到下式：τ·cosθ=E1·ΔL―(1)公式(1)中，θ角为圆心角α的二分之一，当圆心角α极小时，cosθ可视为1，A、B二点之间的圆弧长度等于ΔL，E1为薄壁圆筒材料的弹性模量。据此，由公式（1）可得到以下公式：τ=E1·R·α―(2)公式（2）中，R为薄壁圆筒截面壁厚的中点所在的圆柱面的半径，α为A、B二点之间圆弧的圆心角（弧度）。设薄壁圆筒的横截面积为S，由于S、R这二个量均为常数，由公式（2）可得到以下公式：τ·S·R=E1·S·R²·α―(3)当薄壁圆筒壁厚较小时，公式（3）左边的（τ·S·R）即为作用于薄壁圆筒外圆表面的平衡扭矩，将该平衡扭矩设为M。将A、B二个质点所在截面之间的轴向距离设为Δd，薄壁圆筒的总长度为L，由此可得到以下公式：M=（Δd/L）·E1·S·R²·α·（L/Δd）―(4)公式（4）中[（Δd/L）·E1·S·R²]为一常数，将该常数设为E，公式（4）中[α·（L/Δd）]即为薄壁圆筒二端的扭转角，将该扭转角设为φ。由此可得到以下公式：M=E·φ―(5)从公式（5）可看出，薄壁圆筒外圆表面的平衡扭矩M与薄壁圆筒二端的扭转角φ之间为线性关系。公式（5）中的E称为薄壁圆筒的扭转弹性模量。扭转弹性模量代表某一根一定杆部截面尺寸的柔性轴的平衡扭矩与其二端的扭转角之间的线性比例关系。扭转弹性模量与柔性轴的材料化学成份及金相组织、中杆截面直径、壁厚及长度有关。柔性轴的扭转弹性模量可采用试验方法确定。⑵柔性轴的扭转流线延伸率柔性轴的扭转流线延伸率表示：当柔性轴发生比例扭转变形时，薄壁圆筒上任意一根平行于轴线的直线段（由若干个质点所组成）沿其所在园柱面变形后，位于该直线段上的全部质点均沿圆柱面的切线方向位移，并形成一条圆柱面上的螺旋线，这条螺旋线称为扭转流线，其相对于原圆柱面上平行于轴线的直线段的长度延伸率称为扭转流线延伸率。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.柔性轴用于车辆动力装置与驱动轮之间的动力传递，柔性轴是由材料的弹性变形符合胡克定律的线性材料制成，是一根空心轴，其二端为连接部分，其中杆部分为薄壁圆筒(比例扭转变形的有效长度)，薄壁圆筒的长度尺寸范围为400豪米至1000豪米，直径尺寸范围为5豪米至40豪米，壁厚尺寸范围为0.6豪米至6豪米。/n

【技术特征摘要】
1.柔性轴用于车辆动力装置与驱动轮之间的动力传递，柔性轴是由材料的弹性变形符合胡克定律的线性材料制成，是一根空心轴，其二端为连接部分，其中杆部分为薄壁圆筒(比例扭转变形的有效长度)，薄壁圆筒的长度尺寸范围为400豪米至1000豪米，直径尺寸范围为5豪米至40豪米，壁厚尺寸范围为0.6豪米至6豪米。


2.当动力波从柔性轴的一端传递至另一端时，柔性轴同时具有二条动力传递途径，即柔性轴整体的同步转动和柔性轴各横截面之间的异步转动；当车辆动力装置的动力变化时，柔性轴各横截面之间的异步转动始终符合胡克定律。


3.车辆平衡驱动功能单元的柔性轴系由初级轴系和半轴构成，初级轴系由3至9根杆部长度略有不同，其余结构尺寸匀相同的初级轴以串联的方式构成，第一根初级轴的动力输入端与动力装置的动力输出端联接，第一根初级轴的动力输出端与第二根初级轴的动力输入端联接，第二根初级轴的动力输出端与第三根初级轴的动力输入端联接，依次类推，最后一根初级轴的动力输出端与减速机构的动力输入端联接；初级轴系的动力输入端即第一根初级轴的动力输入端，初级轴系的动力输出端即最后一根初级轴的动力输出端。


4.初级轴由芯轴、中间轴、外层轴、滑动轴承及刚套等构成，芯轴、中间轴、外层轴的二端为传动连接部，轴的中杆部为薄壁园筒；芯轴、中间轴、外层轴、滑动轴承置于刚套内，刚套外圆的二端为支承轴承。


5.芯轴的动力输入端通过其外圆表面与中间轴动力输出端内孔壁之间的滑动轴承发生异步转动，芯轴的动力输出端与中间轴的动力输入端为紧固连结；中间轴的动力输入端通过其外圆表面与外层轴动力输出端内孔壁之间的滑动轴承发生异步转动，中间轴的动力输出端与外层轴的动力输入端内孔壁为紧固连接；外层轴的动力输入端通过其外圆表面与刚套内孔壁之间的滑动轴承发生异步转动。


6.中间轴动力输入端的外圆表面上有花键，与其外侧的连接盘内孔花键连接，在同侧刚套上的二个连接爪穿过动力输出齿轮腹板上的弧形孔，并插入连接盘上的弧形孔中；动力输出齿轮腹板上的弧形孔与刚套连接爪之间有较大的间隙，可保证二者相对自由转动；连接盘上的弧形孔与刚套连接爪之间为紧配合，中间轴动力输入端、连接盘、刚套等三者只能同步转动。


7.在芯轴动力输入端的动力输入齿轮腹板上有内外二组弧形孔，在同侧的刚套连接爪插入其外组弧形孔中，弧形孔与连接爪二者之间有规定大小的间隙，二者之间可发生一定角度的相对转动；当芯轴的异步转动角达到其最大允许值时，刚套的连接爪与芯轴动力输入端的动力输入齿轮腹板上的外组弧形孔的限位面接触，这时芯轴的异步转动角不再增大，而是与刚套保持同步转动，其异步转动角保持不变。


8.在芯轴动力输入端的动力输入齿轮腹板上有内组弧形孔，在同侧外层轴动力输入端面的连接爪插入其中，弧形孔与连接爪二者之间有规定大小的间隙，二者之间可发生一定角度的相对转动；当中间轴的异步转动角达到其最大允许值时，外层轴动力输入端面的连接爪与动力输入齿轮腹板上的内组弧形孔的限位面接触，这时中间轴的异步转动角不再增大，而是与动力输入齿轮保持同步转动，其异步转动角保持不变。


9.当外层轴动力输入端面的连接爪与动力输入齿轮腹板上的内组弧形孔的限...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓晓光，
申请(专利权)人：邓晓光，
类型：发明
国别省市：山东;37