摘要：车辆半轴既要能传递正常行驶的工作扭矩，又要充当传动系的保险丝，以保证齿轮等重要零件免遭过大的冲击载荷而破环。为此，本文分析了半轴设计传统方法的缺陷，介绍用爬坡行驶的最大工作扭矩设计叉车半轴的合理性和可行性。关键词：半轴 扭矩 设计
车辆半轴不仅应可靠传递正常的工作扭矩，同时还应限制非正常情况的冲击载荷，以实现对传动齿轮的过载保护。也就是说过大的冲击载荷导致车辆传动系零件损坏，首先应是半轴，而不是变速器、主传动等齿轮或其它部件。因为半轴制造简单，更换方便。 基于这种观点，半轴应有恰到好处的杆径设计和可靠的花键联接，以及合理的材料和加工工艺，以保证正常使用时半轴有足够的寿命，并能承受一定的次数的冲击载荷而不损坏。这就要求半轴正常使用的扭转剪应力小于材料的抗扭屈服极限，而非正常过大冲击载荷的剪应力可以超过抗扭屈服的极限。同时，半轴的抗扭刚度也要适当，以便传动系过载时，借半轴的屈服扭转变形实现保护。1 半轴的杆径计算 叉车等工程车辆的传动系普遍采用全浮式半轴。根据受力分析，全浮式半轴只传递扭矩，不承受弯矩等其它外力。因此应力计算为
式（2）为车辆半轴按照静强度设计的依据，说明杆径是否合理，主要决定于计算扭矩Mn的大小。2 Mn的确定2.1传统计算方法 传统计算方法是从两方面确定Mn的大小。一是根据发动机最大扭矩和传动系参数计算，二是按照驱动车轮的地面附着力计算。由于驱动差速器差速不差力，左右半轴分别传递总力矩的一半，计算公式为
根据（3）、（4）两式计算结果，取较小值用于设计半轴杆径的扭矩。 实际上，不论用式（3）还是式（4）计算半轴扭矩，都与半轴正常承受载荷相差较大。有关统计资料表明，车辆正常使用时，发动机扭矩利用率仅有60%左右。因为车辆在选配发动机时，都有一定的功率储备，其最大扭矩比实际需求就大，这样用公式（3）确定的扭矩，就给半轴强度赋予了第一道安全系数。另外，叉车等工程车辆，一般都选用低速大扭矩发动机，使得相同功率情况下，发动机最大扭矩又有所提高，导致半轴强度赋予了第二道安全系数。如果按式（4）计算扭矩，其附着系数一般都取0.7~0.8，再考虑叉车满载时驱动桥的负荷G1达到整车总重的约90%，在这样的工况下车轮打滑，显然很不正常，故用车轮打滑极限扭矩设计半轴同样赋予半轴过大的安全系数。另外，材料的许用应力，一般文献(1,2)推荐取500~600Mpa，这对45、40Gr等材料经调质或中频以上淬火处理制造的半轴的抗扭强度极限，也已经有了大于1.3的安全系数。 综上所述，经过层层的安全措施，最后设计的半轴杆径过粗，扭转刚度过大是必然的。这正是国产车辆与国外同类车比较，半轴笨大的主要原因，而材料性能的差距只是次要的。2.2爬坡行驶的最大扭矩 车辆正常行驶时，半轴承受的最大扭矩产生在爬坡运行中，因此Mn可由车辆设计规定的最大爬坡度计算，文献（3）称之为坡道载荷设计法。结合（3）式，仍然取0.6的分配系数，计算公式为
这种计算半轴设计扭矩合理且符合实际，因为不管车辆动力如何，超过牵引性能所要求的最大工作力矩均非正常运行，而任何非正常的最大载荷都是不确定的，计算一个不确定的值当然没有意义。 公式（5）中（α+f）是由（sinα+fcosα）简化而得。按照叉车相关标准，内燃驱动时的爬坡能力为20%，电瓶驱动不大于15%，坡度角都不算大，认为α≈sinα，cosα≈1可行且偏安全。对于f根据我国的道路情况，在叉车计算中一般都取0.02，这相对汽车的取值也是偏大的。所以，按照（5）式设计叉车半轴，完全能够保证强度、刚度的要求。3 结束语 按照最大爬坡行驶力矩设计半轴，可使半轴杆径减小，对传动起到保险丝的作用。但会否引起正常使用时的强度不足，对此，在汽车方面已经得到了验证。况且式（5）针对叉车特点，与汽车计算比较，在相关系数取值上均偏于安全。由于车辆运行中半轴载荷实际是随机的，不同路况不同车辆都有差别，因此理想的半轴设计扭矩应由典型路试的随机载荷综合确定。
国家工程机械质量监督检验中心 吕东 雷晓卫
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