薛錦達

上海納鐵福傳動系統(tǒng)有限公司

1 前言

基于轎車平臺的城市型SUV因兼具轎車的駕乘舒適性和越野車的越野通過性，受到越來越多的用戶的喜愛。從2009年起，中國市場上城市型SUV產銷量出現快速增長，大量新車型不斷涌現，典型車型有上海大眾的途觀，上海通用的昂科拉，長安福特的翼虎和翼博，東風標致雪鐵龍的標致3008等。這種快速增長的趨勢預計將在今后持續(xù)相當長的一段時間。

城市型SUV為提升其越野通過性和駕駛操控性能，多采用智能性四驅系統(tǒng)。其傳動系統(tǒng)中，將動力從前置發(fā)動機傳到后橋的縱向傳動軸對整車的燃油經濟性和乘坐舒適性有非常重要的影響，而高速節(jié)作為縱向傳動軸的核心零部件，在這其中起到了關鍵性的作用。

本文首先簡單地回顧了縱向傳動軸上萬向節(jié)技術的發(fā)展歷史，然后從傳動效率和NVH性能兩方面出發(fā)，介紹了GKN公司的“Counter TrackTM”和“Cross TrackTM”技術，并介紹了上海納鐵福傳動系統(tǒng)公司應用這兩項技術開發(fā)的新型高速節(jié)的特點和應用優(yōu)勢。

2 縱向傳動軸萬向節(jié)技術發(fā)展歷程

縱向傳動軸以往多應用于后輪驅動的載重貨車或皮卡，其萬向節(jié)多采用十字萬向節(jié)。因為十字萬向節(jié)沒有伸縮移動功能，為了補償車輛在行駛過程中底盤各部件之間的相對運動，同時為了整車裝配方便，縱向傳動軸一般采用移動花鍵的設計來達到伸縮移動功能［1］［2］。這種十字萬向節(jié)加移動花鍵的配置形式存在以下缺點［2］：

1.十字萬向節(jié)的不等速性，可能造成車輛行駛過程中的振動和噪音；

2.滑動花鍵在有扭矩作用時，存在很大的滑移阻力，可能使發(fā)動機的振動通過傳動軸傳遞到車輛后橋部件，引發(fā)整車的噪音和振動問題。

作為乘用車的城市型SUV對整車的NVH性能要求越來越高?；谝陨显?，近年來十字萬向節(jié)和滑動花鍵的配置逐漸被高速等速節(jié)所替代。

目前常用的高速等速節(jié)可分為兩種類型：一類為固定式的高速節(jié)，代表節(jié)型是Rzeppa型高速固定節(jié)；另一類為帶有伸縮功能的移動式高速節(jié)，代表節(jié)型有交叉球道型（以下簡稱VL型）、雙偏置型（以下簡稱DO型）和三銷型（以下簡稱GI型）高速節(jié)。

3 萬向節(jié)傳動效率和Counter TrackTM技術

在工作角度大于3°的情況下，用高速節(jié)替代十字萬向節(jié)可以大幅度提升整車的NVH性能。但是，與十字萬向節(jié)相比，固定式高速節(jié)的傳動效率相對較低。根據文獻［1］的數據，固定式高速節(jié)在5°工作角度下，其傳動功率損失通常約為0.5%，在10°工作角度下，其功率損失可達1%。

對于單純后輪驅動的車型來講，其發(fā)動機輸出的功率將全部流經高速節(jié)，因此，高速節(jié)的功率損失將表現為嚴重的節(jié)內發(fā)熱。另外，高速節(jié)位于車輛底盤下方，通風散熱條件不理想，且周邊存在三元催化裝置、排氣管等高溫部件，所以這些不利因素加在一起，使固定式高速節(jié)的發(fā)熱問題成為限制其廣泛應用的一個重要原因。

為了解決這個問題，一方面可以通用采用高溫油脂和耐高溫材料密封件，另一方面可通過改進固定式高速節(jié)的設計，降低高速節(jié)的功率損耗。固定式高速節(jié)的功率損耗，主要來自于節(jié)內部球籠等零件內外球面上的滑動摩擦。為了提升萬向節(jié)的傳動效率，GKN公司開發(fā)了全新的Counter TrackTM技術，其工作原理如圖1所示。圖中a為通常的固定節(jié)工作方式，萬向節(jié)零件上球道的開口方向相同，這樣的設計使球籠在工作狀態(tài)下承受一個側向的推力，此推力使萬向節(jié)內部各零件的球面發(fā)生接觸，從而引起球面間的滑動摩擦損耗；圖中b為采用Counter TrackTM技術的萬向節(jié)工作方式，因為采用兩組開口方向相反的球道，使作用在球籠上的側向力自身即可達到平衡狀態(tài)，所以消除了萬向節(jié)各零件球面之間的接觸力，從而使萬向節(jié)內部的摩擦損耗大幅度降低。

上海納鐵福傳動系統(tǒng)有限公司采用Counter TrackTM技術開發(fā)的新一代固定式高速節(jié)PX節(jié)，并采用8鋼球設計，在保證載荷能力的前提下大幅度減小了外形尺寸和材料重量，其傳遞功率損失比普通固定式高速節(jié)降低50%以上。圖2顯示在相同的工作條件下，PX節(jié)的工作溫度可比普通固定式高速節(jié)的工作溫度下降15℃以上，因而更適合在高工作角度、高功率流、高溫環(huán)境等各種苛刻條件下應用。

圖1 采用Counter TrackTM技術的萬向節(jié)設計原理圖Fig.1 Working principles of Rzappajoint and Counter TrackTMconcepts joint

圖2 采用Counter TrackTM技術的PX節(jié)工作溫度Fig.2 Working temperature comparison of Rzappa joint and Counter TrackTMconcept joint

4 NVH性能和Cross TrackTM技術

縱向傳動軸上移動式高速節(jié)的移動阻力大小直接影響了車內的共振噪聲水平。根據文獻［2］的研究結果，當采用移動阻力較小的高速DO節(jié)或高速GI節(jié)時，車內共振噪聲水平較低，當采用移動阻力較大的高速VL節(jié)或滑動花鍵時，車內共振噪聲水平較高。

但是，如果通過增加萬向節(jié)內零件配合間隙的方式來降低移動式高速節(jié)的移動阻力，通常會造成萬向節(jié)的圓周間隙增加。當傳動軸傳遞的扭矩發(fā)生變化時，萬向節(jié)圓周間隙的增加可能會造成傳動系統(tǒng)的沖擊噪聲和車輛操控中的頓挫感。因此，往往需要在移動阻力和圓周間隙之間進行折中選擇，并針對車輛存在的主要NVH問題，合理選擇合適的移動式高速節(jié)類型。在偏向于考慮車輛操控反應的快速性和平順性時，往往采用圓周間隙較小而移動阻力較大的高速VL節(jié)，在偏向于車內安靜性和舒適性的情況下，多采用圓周間隙較大而移動阻力較低的高速 DO 節(jié)或高速 GI節(jié)［3］［4］。

為了克服移動阻力和圓周間隙之間的矛盾，GKN公司開發(fā)了“Cross TrackTM”技術，上海納鐵福傳動系統(tǒng)有限工作在此技術基礎上開發(fā)了新型的移動式高速節(jié)PC節(jié)，其主要零件內外星輪的結構形式如圖3所示。

圖3 采用Cross TrackTM技術的PC節(jié)內外星輪結構形式Fig.3 PC joint ball track configurations using Cross TrackTMconcept

從圖中可以看出，Cross TrackTM技術的主要特點是：萬向節(jié)內外星輪上的球道分為兩組交替排列，一組為與萬向節(jié)軸線平行的直球道，另一組為與萬向節(jié)軸線成一定角度的斜球道。

PC節(jié)的斜球道均向同一方向傾斜，因為這樣的特殊設計，使鋼球載荷在直球道和斜球道之間不再是均勻分布。圖4所示為用ADAMS軟件對PC節(jié)在旋轉一圈的過程中直球道和斜球道上承受鋼球壓力的仿真技術結果，從中可以看出，大部分的載荷由直球道承擔，而斜球道上僅承受較小的載荷。

圖4 PC節(jié)旋轉一周時直球道和斜球道承受載荷的動態(tài)變化情況Fig.4 Force change on PC joint tracks through one revolution of joint

萬向節(jié)發(fā)生伸縮運動時，因斜球道方向和鋼球運動趨勢不一致，使鋼球對內外星輪的相對運動產生了動態(tài)的移動阻力，當鋼球受載增加時，此移動阻力也相應增加。而PC節(jié)因其特殊球道設計而大幅度降低了斜球道上的鋼球載荷，使其移動阻力遠低于高速VL節(jié)。

高速DO節(jié)和GI節(jié)雖然都采用直球道設計，但因受其工作原理所限，其滾動體和球道之間存在滑動摩擦力，因此必須保持一定的內部間隙以降低移動阻力，進而造成其圓周間隙較大。與之相反，PC節(jié)通過斜球道的交叉作用控制球籠的運動以保證運動傳遞的等速性，其工作原理與高速VL節(jié)類似，鋼球和球道之間的摩擦性質為單純的滾動摩擦，所以減小零件內部的配合間隙不會造成移動阻力的大幅度增加。與高速DO節(jié)和GI節(jié)相比，PC節(jié)可以在相同的移動阻力下大幅度降低萬向節(jié)的圓周間隙。

綜上所述，PC節(jié)綜合了高速DO節(jié)和GI節(jié)移動阻力低和高速VL節(jié)圓周間隙小的優(yōu)點。因此PC節(jié)的應用，可以更好地兼顧車輛的操控響應快速平順性和車內噪音的安靜和舒適性。

5 結語

針對城市型SUV對車輛舒適性要求的不斷提高，高速等速萬向節(jié)在SUV縱向傳動軸上得到了越來越廣泛的應用。在GKN公司的Counter Track TM技術基礎上開發(fā)的新型PX節(jié)，可以在更大的工作角度和傳動功率條件下穩(wěn)定可靠地工作，因此為整車傳動系統(tǒng)的布置帶來了更多的靈活性和便利性。而在GKN公司Cross Track TM基礎上開發(fā)的新型PC節(jié)，同時具有低的移動阻力和圓周間隙，更好地兼顧了車輛的操控響應快速平順性和車內噪音的安靜和舒適性，是高端城市型SUV縱向傳動軸的最佳選擇。

［1］S.Migirius，D.Booker，High Speed Constant Velocity Joints for Car and Light Truck Driveshafts，SAE International Congress and Exposition，1995.

［2］Yoshihiko Hayama，Masahide Miyata，Constant Velocity Universal Joints for Propeller Shafts，SAE International Congress and Exposition，1999.

［3］H.Chr.Seherr－Thoss.Universal Joints and Driveshafts，Analysis，Design，Applications，2ndedition，Springer Press.

［4］SAE，Universal Joints and Driveshaft Design Manual，Advances in Engineering Series，No.7.