汽車傳動軸中間軸發展現狀分析

成鈺　鄒進成

摘 要：傳動軸中間軸是傳動軸的重要組成部分，主要用來傳遞發動機扭矩，傳動軸中間軸的設計要依照不同設計要求，綜合考慮影響設計的各種影響因素，本文主要針對傳動軸中間軸現狀展開分析，包括分析傳動軸的材料，中間軸分類和熱加工工藝。

關鍵詞：材料 中間軸分類 熱加工工藝

1 引言

目前，傳動軸的產量已經超過8000萬。軸的設計必須考慮到材料、制造工藝及熱處理這些復雜的過程[1-3]。更進一步主要考慮的是有關噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）和成本效益，而且后者正變得越來越重要[4]。由于傳動軸的大量需求和高安全的要求，給傳動軸的設計和制造帶來了挑戰。為此本文重在介紹目前各種軸的種類（傳動軸由萬向節和中間軸構成，這里僅對傳動軸中間軸展開分析），和中間軸的加工工藝[5]。影響傳動軸中間軸設計的因素主要有如下幾種。

2 材料

材料中的含碳量對材料的強度和疲勞影響極大，當材料中的含碳量在0.4%-0.8%時，材料的強度隨著材料的含碳量的增加而增加，另一方面，碳含量降低了材料的韌性性能以及焊接能力，同時也增加了在硬化過程中裂縫的危險，從這個角度講，最佳含碳量應該在0.4%-0.5%之間。

3 熱處理方式

熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理三大類。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。

滲碳處理，增加了材料里面的碳元素，碳氮共滲，在增加碳元素的基礎上還增加了氮元素。表面硬化，使零件的表面硬度增加，心部硬度有增加的也有減少的。淬火后進行回火相結合的熱處理，能獲得高強度，硬度和塑性，韌性都較好的綜合機械性能。

4 軸的分類及工藝

4.1 桿軸

a、桿軸

桿軸（如圖1.a）是成本最有效的設計。用最便宜管狀材料和制造的成本效益比當一個管狀材料使用。桿軸的缺點，它的重量大且對噪聲、振動與聲振粗糙度（NVH）影響有限。

b、鉆孔桿軸

最簡單的方法，以減少重量的為目的的桿軸，是節省某些截面扭矩過剩的材料，在某些情況下，這個過程是比使用厚壁管相對較小的外直徑更具成本效益。然而，現在這項技術主要是由冷成型所取代。（如圖1.b）

c、摩擦焊接桿軸

一方面為了減少旋轉桿軸的重量，另一方面考慮到NVH的影響，軸由兩部分組成，兩部分最初設計不同的長度。（如圖1.C）每個部分都有一個區域的小直徑，和一個擴大后的直徑。通常，大直徑的部分鉆孔。孔的直徑取決于所需的扭矩傳輸和本節的外徑。比較長的大直徑部分經鉆孔加工后，需要和另外一段摩擦焊接，（如圖2）盡管考慮到高切削（鉆孔，旋轉），這種軸還在被應用，因為它同時考慮到了NVH和減重。

d、兩端向后擠壓和摩擦焊接的桿軸

類似于摩擦焊接軸（如圖2）同時考慮到了NVH和減重，區別在于材料的冷成型，而不是削減。

4.2 管軸

a、外徑、內徑等變化的管軸（均勻壁厚）

這種軸的加工和桿軸摩擦焊接的差異在于，（如圖3）鉆孔軸所需的外輪廓是由冷成型制造，而不是削減。軸的壁厚幾乎是不變的。而且材料纖維是連續的，所以外輪廓相同的管軸比鉆孔軸可以傳遞更高的扭矩且疲勞壽命更大。

這種類型的管軸簡單，成本效益，而且減重大。

b、外徑不變、內徑變化的管軸（變壁厚）

在恒轉矩和疲勞要求保持不變下，要求更高的減重，有必要沿軸改變壁厚（如圖4）。由于軸兩端轉矩輸入的特點是應力集中，花鍵的壁厚設計應該比中間部分更厚。

c、外輪廓變化且壁厚變化的管軸

最佳輕型結構，為了增強機械剛度以及對NVH特殊的需求，必須顯著增加管軸的外徑，另外為了減重，讓軸的應力均勻分布的管軸（如圖5）。

d、外輪廓復雜變化且壁厚變化的管軸

某些NVH要求需要有盡可能高的彎曲固有頻率。彎曲固有頻率與質量和彎曲剛度相關。

其中n為軸的彎曲固有頻率，c為軸的彎曲剛度，m為軸的質量。

其中L為軸的長度，D為軸的外徑，d為軸的內徑，E為材料的彈性模量。

5 結語

軸的噪聲，振動，平順性，輕量化和扭轉剛度特性性能是互相影響互相制約的。比如，輕量化要求傳動軸擁有更薄的壁厚，然而，壁厚越厚扭轉剛度越大。同樣，高彎曲固有頻率的傳動軸比那些要求高扭轉剛度的半軸要求更薄的壁厚。因此，對于設計者來說，只有理解上述性能參數之間的關系才能設計出空心軸的壁厚和外徑尺寸從而實現車輛對NVH性能和大扭矩傳遞的要求。

參考文獻：

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[3]P. Amborn，Dipl-lng. H. Modern Side-Shafts for Passenger Cars：Manufacturing Processes I[J]. Journal of Materials Processing Technology 48（1995）13-24.

[4]P.Punborn，Prof. S.K. Ghosh，I.K. Lead better.Modem Side-Shafts for Passenger Cars：Manufacturing Processes II - Monobloc Tube Shafts[J]. Journal of Materials Processing Teclmology 63（1997）225-232

[5]酈明，奧脫·布克斯鮑姆.結構抗疲勞設計[S].北京：機械工業出版社，1987.