薛锦达

上海纳铁福传动系统有限公司

1 前言

基于轿车平台的城市型SUV因兼具轿车的驾乘舒适性和越野车的越野通过性，受到越来越多的用户的喜爱。从2009年起，中国市场上城市型SUV产销量出现快速增长，大量新车型不断涌现，典型车型有上海大众的途观，上海通用的昂科拉，长安福特的翼虎和翼博，东风标致雪铁龙的标致3008等。这种快速增长的趋势预计将在今后持续相当长的一段时间。

城市型SUV为提升其越野通过性和驾驶操控性能，多采用智能性四驱系统。其传动系统中，将动力从前置发动机传到后桥的纵向传动轴对整车的燃油经济性和乘坐舒适性有非常重要的影响，而高速节作为纵向传动轴的核心零部件，在这其中起到了关键性的作用。

本文首先简单地回顾了纵向传动轴上万向节技术的发展历史，然后从传动效率和NVH性能两方面出发，介绍了GKN公司的“Counter TrackTM”和“Cross TrackTM”技术，并介绍了上海纳铁福传动系统公司应用这两项技术开发的新型高速节的特点和应用优势。

2 纵向传动轴万向节技术发展历程

纵向传动轴以往多应用于后轮驱动的载重货车或皮卡，其万向节多采用十字万向节。因为十字万向节没有伸缩移动功能，为了补偿车辆在行驶过程中底盘各部件之间的相对运动，同时为了整车装配方便，纵向传动轴一般采用移动花键的设计来达到伸缩移动功能［1］［2］。这种十字万向节加移动花键的配置形式存在以下缺点［2］：

1.十字万向节的不等速性，可能造成车辆行驶过程中的振动和噪音；

2.滑动花键在有扭矩作用时，存在很大的滑移阻力，可能使发动机的振动通过传动轴传递到车辆后桥部件，引发整车的噪音和振动问题。

作为乘用车的城市型SUV对整车的NVH性能要求越来越高。基于以上原因，近年来十字万向节和滑动花键的配置逐渐被高速等速节所替代。

目前常用的高速等速节可分为两种类型：一类为固定式的高速节，代表节型是Rzeppa型高速固定节；另一类为带有伸缩功能的移动式高速节，代表节型有交叉球道型（以下简称VL型）、双偏置型（以下简称DO型）和三销型（以下简称GI型）高速节。

3 万向节传动效率和Counter TrackTM技术

在工作角度大于3°的情况下，用高速节替代十字万向节可以大幅度提升整车的NVH性能。但是，与十字万向节相比，固定式高速节的传动效率相对较低。根据文献［1］的数据，固定式高速节在5°工作角度下，其传动功率损失通常约为0.5%，在10°工作角度下，其功率损失可达1%。

对于单纯后轮驱动的车型来讲，其发动机输出的功率将全部流经高速节，因此，高速节的功率损失将表现为严重的节内发热。另外，高速节位于车辆底盘下方，通风散热条件不理想，且周边存在三元催化装置、排气管等高温部件，所以这些不利因素加在一起，使固定式高速节的发热问题成为限制其广泛应用的一个重要原因。

为了解决这个问题，一方面可以通用采用高温油脂和耐高温材料密封件，另一方面可通过改进固定式高速节的设计，降低高速节的功率损耗。固定式高速节的功率损耗，主要来自于节内部球笼等零件内外球面上的滑动摩擦。为了提升万向节的传动效率，GKN公司开发了全新的Counter TrackTM技术，其工作原理如图1所示。图中a为通常的固定节工作方式，万向节零件上球道的开口方向相同，这样的设计使球笼在工作状态下承受一个侧向的推力，此推力使万向节内部各零件的球面发生接触，从而引起球面间的滑动摩擦损耗；图中b为采用Counter TrackTM技术的万向节工作方式，因为采用两组开口方向相反的球道，使作用在球笼上的侧向力自身即可达到平衡状态，所以消除了万向节各零件球面之间的接触力，从而使万向节内部的摩擦损耗大幅度降低。

上海纳铁福传动系统有限公司采用Counter TrackTM技术开发的新一代固定式高速节PX节，并采用8钢球设计，在保证载荷能力的前提下大幅度减小了外形尺寸和材料重量，其传递功率损失比普通固定式高速节降低50%以上。图2显示在相同的工作条件下，PX节的工作温度可比普通固定式高速节的工作温度下降15℃以上，因而更适合在高工作角度、高功率流、高温环境等各种苛刻条件下应用。

图1 采用Counter TrackTM技术的万向节设计原理图Fig.1 Working principles of Rzappajoint and Counter TrackTMconcepts joint

图2 采用Counter TrackTM技术的PX节工作温度Fig.2 Working temperature comparison of Rzappa joint and Counter TrackTMconcept joint

4 NVH性能和Cross TrackTM技术

纵向传动轴上移动式高速节的移动阻力大小直接影响了车内的共振噪声水平。根据文献［2］的研究结果，当采用移动阻力较小的高速DO节或高速GI节时，车内共振噪声水平较低，当采用移动阻力较大的高速VL节或滑动花键时，车内共振噪声水平较高。

但是，如果通过增加万向节内零件配合间隙的方式来降低移动式高速节的移动阻力，通常会造成万向节的圆周间隙增加。当传动轴传递的扭矩发生变化时，万向节圆周间隙的增加可能会造成传动系统的冲击噪声和车辆操控中的顿挫感。因此，往往需要在移动阻力和圆周间隙之间进行折中选择，并针对车辆存在的主要NVH问题，合理选择合适的移动式高速节类型。在偏向于考虑车辆操控反应的快速性和平顺性时，往往采用圆周间隙较小而移动阻力较大的高速VL节，在偏向于车内安静性和舒适性的情况下，多采用圆周间隙较大而移动阻力较低的高速 DO 节或高速 GI节［3］［4］。

为了克服移动阻力和圆周间隙之间的矛盾，GKN公司开发了“Cross TrackTM”技术，上海纳铁福传动系统有限工作在此技术基础上开发了新型的移动式高速节PC节，其主要零件内外星轮的结构形式如图3所示。

图3 采用Cross TrackTM技术的PC节内外星轮结构形式Fig.3 PC joint ball track configurations using Cross TrackTMconcept

从图中可以看出，Cross TrackTM技术的主要特点是：万向节内外星轮上的球道分为两组交替排列，一组为与万向节轴线平行的直球道，另一组为与万向节轴线成一定角度的斜球道。

PC节的斜球道均向同一方向倾斜，因为这样的特殊设计，使钢球载荷在直球道和斜球道之间不再是均匀分布。图4所示为用ADAMS软件对PC节在旋转一圈的过程中直球道和斜球道上承受钢球压力的仿真技术结果，从中可以看出，大部分的载荷由直球道承担，而斜球道上仅承受较小的载荷。

图4 PC节旋转一周时直球道和斜球道承受载荷的动态变化情况Fig.4 Force change on PC joint tracks through one revolution of joint

万向节发生伸缩运动时，因斜球道方向和钢球运动趋势不一致，使钢球对内外星轮的相对运动产生了动态的移动阻力，当钢球受载增加时，此移动阻力也相应增加。而PC节因其特殊球道设计而大幅度降低了斜球道上的钢球载荷，使其移动阻力远低于高速VL节。

高速DO节和GI节虽然都采用直球道设计，但因受其工作原理所限，其滚动体和球道之间存在滑动摩擦力，因此必须保持一定的内部间隙以降低移动阻力，进而造成其圆周间隙较大。与之相反，PC节通过斜球道的交叉作用控制球笼的运动以保证运动传递的等速性，其工作原理与高速VL节类似，钢球和球道之间的摩擦性质为单纯的滚动摩擦，所以减小零件内部的配合间隙不会造成移动阻力的大幅度增加。与高速DO节和GI节相比，PC节可以在相同的移动阻力下大幅度降低万向节的圆周间隙。

综上所述，PC节综合了高速DO节和GI节移动阻力低和高速VL节圆周间隙小的优点。因此PC节的应用，可以更好地兼顾车辆的操控响应快速平顺性和车内噪音的安静和舒适性。

5 结语

针对城市型SUV对车辆舒适性要求的不断提高，高速等速万向节在SUV纵向传动轴上得到了越来越广泛的应用。在GKN公司的Counter Track TM技术基础上开发的新型PX节，可以在更大的工作角度和传动功率条件下稳定可靠地工作，因此为整车传动系统的布置带来了更多的灵活性和便利性。而在GKN公司Cross Track TM基础上开发的新型PC节，同时具有低的移动阻力和圆周间隙，更好地兼顾了车辆的操控响应快速平顺性和车内噪音的安静和舒适性，是高端城市型SUV纵向传动轴的最佳选择。

［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.