汽車傳動軸的輕量化設(shè)計

楊珍

摘??要：科學(xué)技術(shù)更新與發(fā)展的速度不斷加快，汽車制造與設(shè)計技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展，在汽車領(lǐng)域中，從以往只注重安全的理念逐漸過渡到節(jié)能、環(huán)保、智能于一體的多功能方向發(fā)展，同時也受到了社會各界的廣泛關(guān)注。經(jīng)過長期的研究得出以下結(jié)論：通過合理減輕汽車結(jié)構(gòu)重量，同時提高整體結(jié)構(gòu)及部件的安全穩(wěn)定性是改善汽車性能的重要手段，也使得輕量化材料得到廣泛應(yīng)用，低碳微合金鋼具有良好的耐沖擊性以及疲勞高強度，受到了高度關(guān)注。輕量化技術(shù)也在汽車鋼車身、發(fā)動機、傳動軸以及懸掛件等多個方面被廣泛應(yīng)用，而契合傳動軸部件相對更少，也讓其成為了薄弱環(huán)節(jié)，該文對汽車傳動軸相關(guān)概念進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步探究了汽車傳動軸的輕量化設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：汽車??傳動軸???輕量化??設(shè)計方案

中圖分類號：U463??????????????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Lightweight?Design?of?the?Automobile?Transmission?Shaft

YANG?Zhen

（Wuzhong?Secondary?Vocational?School，Jiangsu，?Suzhou，?Jiangsu?Province，215104?China）

Abstract：?The?speed?of?scientific?and?technological?updating?and?development?continues?to?accelerate，?and?the?technology?of?automobile?manufacturing?and?design?has?also?been?developed?rapidly，?which，?in?the?field?of?automobile，?has?gradually?transited?from?the?concept?of?only?focusing?on?safety?to?the?multi-functional?direction?of?energy?conservation，?environmental?protection?and?intelligence，?and?has?also?attracted?extensive?attention?from?all?walks?of?life.?After?long-term?research，?the?following?conclusions?have?been?drawn.?It?is?an?important?means?to?improve?the?performance?of?automobiles?by?reasonably?reducing?the?weight?of?automobile?structures?and?improving?the?safety?and?stability?of?the?overall?structure?and?components，?which?also?makes?lightweight?materials?widely?used.?Low?carbon?microalloyed?steel?has?good?impact?resistance?and?high?fatigue?strength，?which?has?attracted?great?attention.?The?lightweight?technology?is?also?widely?used?in?automobile?steel?body，?engines，?transmission?shafts，?suspension?parts?and?other?aspects，?and?there?are?relatively?fewer?matching?transmission?shaft?components，?which?also?makes?it?a?weak?link.?This?paper?analyzes?the?related?concepts?of?automobile?transmission?shafts，?and?further?explores?the?lightweight?design?scheme?of?automobile?transmission?shafts.

Key?Words：?Automobile;?Transmission?shaft;?Lightweight;?Design?scheme

數(shù)據(jù)顯示，汽車自身的質(zhì)量以及整體架構(gòu)在減少10%情況下能夠有效節(jié)約7%的燃油，隨著技術(shù)的不斷更新，可使用多種輕質(zhì)材料都可以達(dá)到汽車輕量化的目標(biāo)，如鋁、鎂等材料，通過優(yōu)化設(shè)計，從而達(dá)到改進(jìn)汽車結(jié)構(gòu)零部件的目的。該文通過一系列手段與計算方法，對汽車傳動軸結(jié)構(gòu)強度進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到傳動軸質(zhì)量最小的目標(biāo)，逐步實現(xiàn)汽車傳動軸輕量化設(shè)計的終極目的。

1??汽車傳動軸簡述

1.1??概述

汽車結(jié)構(gòu)當(dāng)中，傳動軸為圓形的可移動配件，主要作用是連接不同部件并完成裝配，大部分傳動軸主要材料為合金鋼管，其整體質(zhì)量較輕，抗扭性良好。其能夠確保扭矩平穩(wěn)傳遞，使得汽車能夠安全行駛，傳動軸是汽車系統(tǒng)當(dāng)中不可或缺的重要組成部分，近年來也對傳動軸提出了更高的綜合要求，確保扭轉(zhuǎn)永久不變形。傳動軸管不僅強度要符合要求，其精度和工藝技術(shù)也直接關(guān)乎著結(jié)構(gòu)性能[1]。

1.2??傳動軸的基本構(gòu)成

絕大多數(shù)的汽車傳動軸主要包含了軸管、十字軸以及萬向節(jié)等多個部分，萬向節(jié)主要是利用花鍵和空心軸管進(jìn)行相連，伸縮套能夠?qū)ψ兯倨骱万?qū)動橋的距離合理控制，從而確保其符合實際要求，促進(jìn)汽車的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。萬向節(jié)只有使得變速器輸出軸與輸入軸兩者間是等角度轉(zhuǎn)動，才能夠保障汽車行駛平穩(wěn)性，也能夠體現(xiàn)出萬向節(jié)能夠傳輸動力，促進(jìn)汽車行駛。整體來看，汽車傳動軸當(dāng)中的十字軸、突元叉以及軸承等共同構(gòu)成萬向節(jié)結(jié)構(gòu)，后輪驅(qū)動汽車主要是由萬向軸共同連接，這樣可確保主減速器軸與變速器兩者間動力的有效傳遞。萬向節(jié)作為傳動軸系統(tǒng)當(dāng)中的關(guān)鍵組成部分，前輪驅(qū)動汽車，萬向節(jié)和變速箱相連，后輪驅(qū)動汽車在運行過程中，懸架一般是變形狀態(tài)，驅(qū)動軸與變速器之間存在相對運動，這樣無法達(dá)到直線傳遞，其他的相關(guān)部件也可能會存在該情況，為了有效改善以上狀況，就需要確保動力裝置能夠正常有序傳遞，而萬向節(jié)傳動發(fā)揮了重要的作用。其主要作用是當(dāng)角度發(fā)生變化狀態(tài)時進(jìn)行動力傳遞，十字軸由包括了軸向固定件、軸承總成、叉形零件等部分，滾針軸承軸向固定件主要是一些比較小的部件共同組成，如螺栓、鎖片、壓板等小型零部件。萬向節(jié)主要是由中碳鋼等材料制造而成，變速箱與驅(qū)動橋連接，突元叉很多時候也可以連接其他傳動軸。汽車傳動軸系統(tǒng)可以與其他系統(tǒng)相連，如萬向節(jié)主要是連接變速箱與減速器的，各個零部件之間可相互傳遞驅(qū)動，從而確保汽車能夠穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，這也讓汽車傳動軸逐漸成為可變性質(zhì)的過橋裝置。各類汽車因車型以及發(fā)動機等各不相同，也讓汽車傳動軸中的零部件數(shù)量以及整體構(gòu)成不一致。

2??汽車傳動軸的輕量化

數(shù)據(jù)顯示，汽車結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量如果減少10%，能夠有效節(jié)約7%～8%的油量，按照這樣計算，當(dāng)汽車自身質(zhì)量減少100?kg左右質(zhì)量，燃料成本會減少大約20%。汽車作為快速發(fā)展的領(lǐng)域，輕量化已經(jīng)成為了主要發(fā)展趨勢，可通過鋁、鎂等材料，對其局部以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使得車身更薄，從而減輕汽車自身的質(zhì)量。傳動軸作為汽車非常重要的安保系統(tǒng)，也是傳遞動力的重要媒介，可以持續(xù)高效地輸出動力。傳動軸管則是實現(xiàn)輕量化最為重要的部分，傳動軸管的質(zhì)量要求是非常高的，其必須具備很好的精度，且表面的伸長率、強度，以及強度、焊縫質(zhì)量等要求都非常高。且現(xiàn)有的汽車傳動軸所使用的鋼材強度基本上都小于480?MPa，也不具備減薄壁厚的條件，因此無法實現(xiàn)傳動軸輕量化。也能夠看出汽車自身重量減輕，同時提升個部件安全性是最為有效的方法，也使得輕量化材料得到了廣泛的應(yīng)用。而微合金具有良好的剛性與耐沖擊性，且疲勞強度也比較高，汽車制造廠也將該技術(shù)廣泛應(yīng)用于車身、覆件、發(fā)動機、懸掛等多個方面，但是在汽車傳動軸方面的應(yīng)用相對較少，也讓其成為汽車制造生產(chǎn)環(huán)節(jié)中比較薄弱的環(huán)節(jié)，在今后的研究與發(fā)展過程中必須要引起高度重視[2]。

3??汽車傳動軸結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計及優(yōu)化

傳動軸主要包括了兩個部分，并在中間部位使用螺栓連接，充分利用現(xiàn)代化設(shè)計理念以及軟件進(jìn)行分析與驗證，同時對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過對兩種結(jié)構(gòu)型式加以對比，改進(jìn)之后優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下方面：首先是結(jié)構(gòu)使用的支撐方式存在不平衡量，且平衡狀態(tài)與裝車實際狀況相一致，經(jīng)過補償校正面后，可有效避免單獨平衡，由于中間位置比較近，會互相影響，可避免因連接部位出現(xiàn)松動，從而造成的各種問題。使用支承平衡技術(shù)，有效減少了噪聲以及振動等現(xiàn)象，尤其是對轉(zhuǎn)速、噪聲等要求都很高的車型，傳動軸的改善效果非常明顯。改進(jìn)型結(jié)構(gòu)在應(yīng)用后，連接滑動交叉逐漸替代法蘭連接，車身結(jié)構(gòu)重量也明顯減少了1.2?kg左右，同時節(jié)省了4條螺栓，使用一個螺母固定，連接也更為可靠，整體結(jié)構(gòu)更為簡化，裝配效率也大大提升，同時節(jié)省了原材料。經(jīng)過大量的應(yīng)用和實踐，經(jīng)過計算，汽車車身重量減輕，在節(jié)省螺栓的同時，也節(jié)約了成本，創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益[3]。

4??輕量化設(shè)計在汽車傳動軸中的實踐應(yīng)用

4.1??端面齒連接法蘭創(chuàng)新優(yōu)化

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展與更新，我國也與美、日、德等國家先后進(jìn)行了交流與探究，深入考察，積極借鑒先進(jìn)的制造技術(shù)和系統(tǒng)，其中，端面法蘭帶交叉細(xì)齒花鍵傳動軸的開發(fā)與利用是目前所面臨的重難點問題。在具體開發(fā)環(huán)節(jié)中，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)商用汽車嚴(yán)重超載等實際工況，以及專用車的特殊性要求、傳動軸零部件存在的問題等，使用CAD輔助開展設(shè)計工作，密切關(guān)注不同連接部件之間的強度以及配合等方面問題，對速度突變、扭矩交互作用等各種問題，進(jìn)行了應(yīng)力分析及試驗，結(jié)果顯示各項結(jié)果都符合設(shè)計要求。在實際制造環(huán)節(jié)，同時還使用了目前比較先進(jìn)的CAM制造技術(shù)，從而保障各類設(shè)計指標(biāo)能夠更加精準(zhǔn)地實現(xiàn)，技術(shù)參數(shù)在合理控制范圍之內(nèi)[4]。

4.2??拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化環(huán)節(jié)中，首先需要構(gòu)建模型，之后再利用搜索優(yōu)化的方式保留主要環(huán)節(jié)，減去一些不重要的環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。和傳統(tǒng)的優(yōu)化方式相比較，該方式更為簡便。傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計環(huán)節(jié)，尺寸以及參數(shù)都是非常重要的參考標(biāo)準(zhǔn)，而拓?fù)鋬?yōu)化過程中，則對結(jié)構(gòu)、材料特性、荷載等百分比進(jìn)行明確便可。當(dāng)前，變密度法是最為常用的方式，并且得到了廣泛的應(yīng)用，拓?fù)鋬?yōu)化之前應(yīng)當(dāng)明確整個計算過程，對方法及軟件進(jìn)行優(yōu)化，并構(gòu)建數(shù)據(jù)空間用于設(shè)計，之后再對數(shù)據(jù)空間劃分，設(shè)置具體的優(yōu)化目標(biāo)，同時完成計算環(huán)節(jié)，得到結(jié)果，并對結(jié)構(gòu)綜合分析：當(dāng)結(jié)果存在不合理情況，應(yīng)當(dāng)對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并重新劃分網(wǎng)格；當(dāng)計算結(jié)果相對合理，則需要對結(jié)果進(jìn)行分析。該文充分利用軟件構(gòu)建3D模型，并利用拓?fù)渌惴◤亩_(dá)到傳動軸優(yōu)化設(shè)計的目的[5]。

4.3??三維模型的構(gòu)建

汽車傳動軸主要包括了萬向節(jié)、十字軸以及軸管等各部件，首先要結(jié)合傳動軸總成具體設(shè)計要求完成數(shù)據(jù)采集，之后再根據(jù)具體的尺寸以及結(jié)構(gòu)構(gòu)建3D模型，針對傳動軸總成各部件的具體安裝位置以及自由度完成裝配，從而形成比較完整的傳動軸系統(tǒng)。通過對模型進(jìn)行分析與簡化，使用更加簡便的網(wǎng)格劃分，同時設(shè)置具體的優(yōu)化參數(shù)，首先，應(yīng)當(dāng)采用柔度更小的為主要目標(biāo)，并設(shè)置約束比的上限20%，并構(gòu)建傳動軸拓?fù)鋬?yōu)化模型，將上述相關(guān)數(shù)據(jù)輸入進(jìn)軟件中進(jìn)行綜合分析，經(jīng)過迭代之后獲取傳動軸拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。相同受力工況之下，可對傳動軸優(yōu)化前后強度進(jìn)行全面分析，能夠得出：經(jīng)過優(yōu)化之后，汽車的傳動軸力學(xué)性能有了很大的改善，同時對比其性能參數(shù)，傳動軸自身總質(zhì)量也明顯減少20%，并且各項性能參數(shù)也得到明顯優(yōu)化改進(jìn)[6]。

4.4??傳動軸輕量化設(shè)計常見的方法

目前汽車傳動軸輕量化設(shè)計過程中，常見的方法有以下幾種：首先是結(jié)構(gòu)優(yōu)化，也就是對傳動軸的各個零部件進(jìn)行二次設(shè)計與改進(jìn)，從而逐步達(dá)到零部件薄壁化的目的，同時使用CAD、CAE等現(xiàn)代化手段進(jìn)行設(shè)計，逐步實現(xiàn)輕量化設(shè)計的目標(biāo)；其次，還可以使用當(dāng)前最為先進(jìn)的工藝技術(shù)，如激光拼焊、切割以及液壓成型等一系列手段進(jìn)一步提升實際制造精確度，并實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化；再者，還可以使用一些高強度的材料，如鋁、鎂等，這些強度高且質(zhì)量比較小的材料，能夠全面替代傳統(tǒng)的材料，從而逐步實現(xiàn)輕量化的最終目的。結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包括了尺寸、形狀以及拓?fù)涞确矫妫渲谐叽鐑?yōu)化主要是對浮動尺寸慢慢參數(shù)化，并科學(xué)設(shè)置浮動范圍，并對尺寸完成排列與組合，并選擇更優(yōu)的方案；形狀優(yōu)化主要是從材料的外形方面入手，以此為方向，在減輕重量的同時，確保其外形美觀；拓?fù)鋬?yōu)化則是在特定區(qū)間范圍之內(nèi)，對產(chǎn)品材料進(jìn)行合理布置與優(yōu)化，并對多種方案進(jìn)行對比，從而確定最佳方案。經(jīng)過分析對比可得出，拓?fù)鋬?yōu)化方案使用范圍更加廣泛[7]。拓?fù)鋬?yōu)化主要是針對實際的荷載情況以及相關(guān)參數(shù)等方面因素，對材料分布進(jìn)行優(yōu)化。針對物體的結(jié)構(gòu)形態(tài)，主要可從以下方面入手：首先是材料離散化，使其形成不同的單元，分別進(jìn)行計算之后再相加；還有便是材料連續(xù)化，也就是對整體進(jìn)行劃分，并結(jié)合算法進(jìn)行保留與去除，可使用不同顏色進(jìn)行區(qū)分，在根據(jù)具體仿真結(jié)果以及實際經(jīng)驗，被保留的便是最佳方案。拓?fù)鋬?yōu)化的方法也比較多，其中變密度法則是非常具備代表性的方法。單元相對密度可充分反映材料密度與特性之間的關(guān)系，其還能夠優(yōu)化目標(biāo)，并通過構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化特征值，通過對設(shè)計變量數(shù)值大小加以改變，并設(shè)置上下線，從而獲取最優(yōu)解[8]。

4.5??傳動軸結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

傳動軸是汽車的主要部件組成部分，其主要是由前后傳動軸共同組成，研究表明，該類型傳動軸有著很大的優(yōu)化空間，所以，對其進(jìn)行輕量化設(shè)計是非常關(guān)鍵的。首先，可以對三維模型加以簡化，這樣也能夠有效提升有限元分析可行性，確保在符合實際情況的基礎(chǔ)上去除其中質(zhì)量較小以及相對復(fù)雜的零部件，如螺紋、墊片等，再結(jié)合以上原則，構(gòu)建裝配模型。研究表明，傳動軸的萬向節(jié)叉以及凸緣叉是主要的設(shè)計環(huán)節(jié)，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)可得出，凸緣叉兩側(cè)壁與中心應(yīng)力比較小，材料也比較多，需要進(jìn)一步優(yōu)化，花鍵軸叉的齒部應(yīng)力也比較小，可通過減少齒數(shù)的方式，減輕重量，因最大應(yīng)力比較小，可通過減少孔壁材料的方式進(jìn)一步實現(xiàn)輕量化，可有效優(yōu)化各部分結(jié)構(gòu)[9]。

4.6??輕量化設(shè)計結(jié)果

經(jīng)過不斷的研究與分析，已經(jīng)開發(fā)到了第三代，并得出以下結(jié)論：使用新型設(shè)計理念與工藝技術(shù)，端面設(shè)計存在弓形空腔，并且側(cè)面具備加強筋，結(jié)構(gòu)更加獨特，通過對比，可知：單件重量減輕約4.3?kg，成品重量減輕1.25?kg，強度明顯提高，且總成重量明顯減輕2.53?kg，有效節(jié)約了實際材料成本。其次，加工部位有所減少，效率大幅提升約40%，節(jié)省了能源，同時也降低勞動強度，提升了實際生產(chǎn)效率。整車裝配過程中，能夠有效節(jié)約4～6個螺母、螺栓等，且螺栓之間具備一定的連接作用，但是卻不受剪切力，改變了以往螺栓與法蘭之間的摩擦力及傳遞扭矩，這樣也能夠有效避免出現(xiàn)螺母松動的情況，且大大降低了事故的發(fā)生率[10]。

5??結(jié)語

輕量化設(shè)計已經(jīng)成為了汽車傳動軸研究的主要方向，并且得到了全面貫徹落實，同時也取得了卓越的成果，傳統(tǒng)設(shè)計只是從荷載方面進(jìn)行考慮，利用結(jié)構(gòu)布局的方式逐步實現(xiàn)降低局部應(yīng)力應(yīng)變以及疲勞損傷嚴(yán)重程度，但是在具體應(yīng)用環(huán)節(jié)中承受大量荷載，強度在變化的同時也存在一定的損傷，結(jié)構(gòu)強度也會不斷增加。在結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)節(jié)中，充分考慮到該強化效果，則可以在傳統(tǒng)優(yōu)化的前提下，獲得更加顯著的輕量化空間效果。隨著技術(shù)的快速發(fā)展與更新，輕量化設(shè)計覆蓋范圍也將會進(jìn)一步擴(kuò)大，并且逐步達(dá)到最佳效果。

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