重型汽車傳動軸的輕量化研究

摘 要：為解決某重型汽車傳動軸存在的過重導致能耗高和壽命短的問題，選擇傳動軸輕量化設計中常用的幾種材料，并通過有限元和理論計算相結合的方式驗證了模型的正確性，最后使用有限元軟件對不同材料傳動軸的軸筒進行研究。研究表明，鋁合金和鎂合金軸筒的重量相比于優化前分別降低了57.7%和71%；碳纖維復合材料軸筒經結構和材料優化后相比于優化前降低了96%。

關鍵詞：傳動軸；有限元分析；輕量化

相關研究表明，汽車的整備質量每減重10%，燃油消耗量可降低6%～8%，使用壽命增加50%[1]。因此，各大汽車廠商都將目光聚焦在了汽車輕量化設計，希望以此提高自身的競爭力。傳動軸可為汽車行駛提供動力，其輕量化研究也逐漸被各廠商重視，近年來大量學者對汽車傳動軸的研究也較多。魏春梅等[2]對重型汽車傳動軸的結構進行了輕量化研究，研究表明拓撲優化可以有效實現汽車傳動軸的輕量化。曹培歡等[3]針對汽車傳動軸提出了碳纖維復合材料結構及性能一體化設計方法，此方法相較之前減重了22.8%。王成明等[4]對汽車傳動軸進行了優化，優化后的結構在運行中振幅減小了23.17%。張啟偉等[5]針對汽車傳動軸設計了一種具有自潤滑功能的萬向節十字軸承，該軸承可有效提高傳動軸的使用壽命。徐華福等[6]對商用車傳動軸中的端面齒法蘭叉和焊接叉進行了結構輕量化和疲勞壽命優化。雖然各研究者對汽車傳動軸的結構研究較多，但是對傳動軸的材料分析卻很少，因此有必要對不同材料的傳動軸進行分析。

本文以某重型汽車傳動軸的軸筒為研究對象，采用有限元和理論計算相結合的方式對軸筒進行建模并進行靜力學分析，獲得軸筒在不同材料下的最大剪切應力、最大變形和總質量，最后針對不同材料的軸筒提出建議。

輕量化材料

在汽車工業持續追求輕量化以提升能效和性能的背景下，汽車制造材料的選擇發生了顯著的變化，如圖1所示，鎂、鋁合金及塑料等其他材料在汽車制造中比例逐年上升[7]。隨著時間的推移，鋼鐵和鑄鐵在汽車材料中的占比逐年下降，以鋼鐵下降最為突出，而鋁合金和塑料的占比卻呈現上升趨勢。雖然鋁合金和塑料的占比越來越大，但并沒有完全替代鋼鐵和鑄鐵，主要原因是成本問題。

在追求材料輕量化的過程中，還需要考慮成本8d2aa6acbc024cbd132875c2001e6de6與減重效果，以確保在實現輕量化目標的同時，不犧牲成本效益。常見的輕量化材料的相對成本及減重效果[8]如圖2所示。材料的相對成本越高，減重越明顯。以鑄鐵為基準，當采用鋁合金替代時，雖然能夠減重55%，但是材料成本卻增加至原來的2倍，鎂合金的成本增加至之前的3倍，所以在進行材料輕量化同時成本和減重幅度都要考慮。

軸筒材料的選擇及方案

零部件的設計是由功能、幾何形狀和材料三個因素決定的，它們可由以下函數表示

P=f（F，G，M） （1）

式中 P-—— 設計；

F——功能；

G——幾何形狀；

M——材料。

為了使選擇的材料最佳，那么P值應為最大或最小值。將上述公式的的功能F、幾何形狀G和材料M都看成自變量，則上述公式可進行如下變換

P=f1（F）f2（G）f3（M） （2）

公式中f3為材料因素，f1和f2的乘積為結構因素。由上述函數可知，3個因素都是獨立存在的，可以在不考慮結構因素的條件下，只對材料因素研究來獲得最優材料。同時在選擇最優材料時，不僅要從減重效果出發，還要考慮其結構剛度、強度和變形等因素。所以材料的密度ρ和彈性模量E就至關重要了，通常用比彈性模量來表示

M1= E/ρ （3）

需要注意的是，此公式只是輕量化中選擇材料的材料指數之一，特別適用于零件承受單軸和均勻分布的應力。經查詢輕量化手冊得知，主要承載彎曲應力的零部件應用如下公式

（4）

根據傳動軸的工作狀態可知，其主要承受單軸與彎曲應力。將碳纖維復合材料、鋁合金、鎂合金和鋼的材料參數帶入公式3和4中可得到它們的M1和M2值（見表1）。

從表1中可知，當傳動軸主要承受拉應力時，鋁、鎂合金和鋼的M1值區別不大，但是當傳動軸承受彎曲應力時，鋁、鎂合金的M2值明顯比鋼高。四種材料中，碳纖維復合材料的M1和M2值都明顯高于其他材料。

軸筒的輕量化設計

1. 材料參數的設定

結合企業的實際生產情況，本次輕量化的材料，選擇鎂、鋁合金和碳纖維復合材料。其中碳纖維復合材料材料參數見2表。

2. 軸筒強度分析

傳動軸的軸筒與花鍵套和萬向節相連，故其主要失效形式是由于扭矩過大導致其發生變形甚至斷裂。其正常工作時，扭轉強度應滿足

τ =16DT/π（D4－d4）≤[τ] （5）

式中 [τ]——許用剪切應力；

D——軸筒外徑；

d——軸筒內徑；

T——扭矩。

此次選擇傳動軸的軸筒尺寸如下：D=140mm，d=120mm，扭矩T=2400N·m，計算得軸筒剪切應力[τ]=96.8MPa。材料選擇的是40Cr，其許用切應力[τ]=432MPa。取安全系數為2.5，則τ=96.8<[τ]/2.5=172.8MPa。由此可知40Cr軸筒在正常工作時中，其安全性較高。

3. 軸筒有限元分析

將軸筒模型導入有限元軟件中進行分析，得到軸筒正常工作時的剪切應力云圖和變形云圖，如圖3和圖4所示。

由圖3可知，軸筒最大剪切應力出現在軸筒的表面為104MPa，與公式（5）理論計算值相差7%，符合實際工程誤差。且軸筒的最大變形出現在與萬向節叉連接的位置且在材料允許范圍內，表明了軸筒有限元模型正確。

4. 軸筒材料輕量化方案分析

本次材料輕量化選擇的是工藝及技術方面都很成熟的材料，分別是鋁合金、鎂合金及碳纖維復合材料。由公式（5）可知，軸筒的剪切應力只與軸筒內外徑和扭矩相關，與軸筒材料無關。但是不同材料的軸筒在工作中，其自身受到的應力和變形是不一樣的，所以可以在其滿足自身強度和變形的條件下進行減重，以此來獲得最優材料。三種不同材料、相同結構尺寸的軸筒在工作狀態下受到的最大剪切應力和最大變形，如圖5所示。

從圖5可知，更換材料后的軸筒的剪切應力相差不大，與公式（5）相吻合。由于鎂、鋁合金的安全許用應力為120MPa，所以軸筒的結構尺寸不用改動。但由于復合材料的許用剪切應力為680MPa，而仿真計算所得值為97MPa，故碳纖維復合材料軸筒具有較大的減重空間。所以，本次輕量化的思路要從軸筒的結構尺寸方面進行優化。由于軸筒要與花鍵套和萬向節相連，所以其連接配合尺寸不能改變，那么就只有對軸筒進行減薄，從而達成最大輕量化的目標。通過公式（5）可知，要減薄軸筒只能減小外徑，經過大量的計算分析得到不同外徑軸筒的剪切應力和變形如圖6所示。

由圖6可知，隨著軸筒外徑不斷減小，剪切應力逐漸增大，當外徑為123mm時，剪切應力為720MPa，其值已經超過了復合材料的許用剪切應力，所以軸筒外徑的最小值應取124mm，此時最大剪切應力為530MPa，最大變形為0.256mm，符合設計要求。

5. 軸筒材料輕量化方案對比

將不同材料軸筒在工作過程中受到的最大剪切應力、最大變形、總質量、減重效果和成本上升率整理得到數據見表3。

從表3可知，鋁合金、鎂合金和碳纖維軸筒相對于40Cr軸筒質量分別下降了58%、71%和95%。但是由于鋁合金、鎂合金和碳纖維軸筒成本分別上升了110%、154%和248%，所以從減重效果和成本上升率來看，鋁合金相較于鎂合金和碳纖維軸筒來說更具性價比。

結語

通過對傳動軸軸筒進行靜力學分析，得到了其在工作過程中的最大剪切應力與最大變形。將得到的結果與理論計算值進行對比，驗證了模型的正確性。接著將鎂合金、鋁合金和碳纖維復合材料賦予軸筒，得到不同材料軸筒的剪切應力與變形量。最后對碳纖維復合材料軸筒進行了尺寸優化并進行了軸筒材料輕量化方案的對比。通過對比，得出以下結論：

1）傳動軸軸筒在工作過程中的最大剪切應力為101MPa，最大變形為0.24mm。

2）鋁合金軸筒相對優化前的質量降低了58%。

3）鎂合金軸筒相對優化前的質量降低了71%。

4）碳纖維復合材料軸筒相對于優化前的質量降低了95%。

5）雖然碳纖維復合材料降重效果最好，但是由于其成本較高，建議使用在特殊要求的轎車；鎂、鋁合金的降重也很明顯，特別是鋁合金材料更有性價比，建議使用在中高端的汽車和重型汽車上。

參考文獻：

[1] 依克熱木·阿木提. 汽車輕量化技術的應用發展趨勢[J]. 汽車與配件，2018（20）：56-57.

[2] 魏春梅，楊暢，嚴學濤. 重載汽車傳動軸的拓撲優化與輕量化設計[J]. 機械設計與制造，2020（11）：289-292.

[3] 曹培歡，彭梓堯，岳曉麗，等. 碳纖維復合材料汽車傳動軸材料結構及性能一體化設計[J]. 東華大學學報（自然科學版），2021，47（5）：89-96.

[4] 王成明，張得富，陳云升. 汽車傳動軸振動的仿真分析與優化[J]. 機械設計與制造，2022（9）：27-31.

[5] 張啟偉，陶燕琳，李兵. 汽車自潤滑新型十字軸承設計及有限元分析[J]. 汽車工藝師，2022（9）：10-14.

[6] 徐華福，高旗，牛杰. 商用車傳動軸輕量化關鍵技術及應用[J]. 汽車零部件，2023（9）：105-109.

[7] 盧春元，房占鵬. 汽車傳動軸輕量化設計研究[J]. 汽車測試報告，2024（3）：19-21.

[8] 楊暢. 基于拓撲優化方法的汽車傳動軸輕量化設計[D].湖北工業大學，2019.

基金資助：成都航空職業技術學院自然科研項目“汽車傳動軸優化設計與輕量化材料研究”（ZZX0623084）；成都航空職業技術學院

自然科研項目“基于儒科夫斯基變換的液力變矩器泵輪葉片參數化集成”（ZZX0623082）。

*通訊作者：李貞麗