轎車(chē)等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸的輕量化設(shè)計(jì)方法研究

王建偉, 盧 曦

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093; 2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)學(xué)院,紹興 312000)

轎車(chē)等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸的輕量化設(shè)計(jì)方法研究

王建偉1,2, 盧 曦1

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海 200093; 2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車(chē)學(xué)院,紹興 312000)

以輕量化為指標(biāo),考慮轎車(chē)等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸的空間布置約束、產(chǎn)品功能約束、產(chǎn)品強(qiáng)度約束、制造工藝及熱處理工藝約束和性能約束,提出了一種轎車(chē)等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸輕量化的設(shè)計(jì)方法.通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)軸滿(mǎn)足產(chǎn)品強(qiáng)度要求.與傳統(tǒng)實(shí)心軸、等內(nèi)徑空心軸、摩擦焊接空心軸對(duì)比,減重效果明顯.

傳動(dòng)中間軸; 輕量化; 設(shè)計(jì)方法; 減重

隨著全球能源危機(jī)的加劇,輕量化已經(jīng)成為解決能源危機(jī)的一種重要手段.輕量化設(shè)計(jì)不再僅僅是使用不同強(qiáng)度水平材料的替代問(wèn)題,而更多的是材料特性、載荷、設(shè)計(jì)(尺寸)和制造方法之間的影響與制約問(wèn)題[1].

汽車(chē)輕量化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)途徑主要包括輕量化材料、輕量化設(shè)計(jì)方法和輕量化制造技術(shù)[2-5].高昂的成本限制了輕量化材料的推廣和應(yīng)用,輕量化設(shè)計(jì)方法和輕量化制造技術(shù)是目前發(fā)展和應(yīng)用的主要趨勢(shì).輕量化設(shè)計(jì)方法包括合理的結(jié)構(gòu)優(yōu)化輕量化設(shè)計(jì)和基于強(qiáng)度特征的輕量化設(shè)計(jì).其中,結(jié)構(gòu)優(yōu)化輕量化設(shè)計(jì)又包括形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化;基于強(qiáng)度特征的輕量化設(shè)計(jì)主要是將汽車(chē)零部件的強(qiáng)度潛能充分發(fā)揮出來(lái).輕量化制造技術(shù)主要包括新型的鑄造技術(shù)、粉末冶金技術(shù)及成型技術(shù)等.

等速萬(wàn)向傳動(dòng)軸總成是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)非常重要的一個(gè)部件,將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩傳遞至車(chē)輪,驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛.傳動(dòng)軸總成通常由移動(dòng)節(jié)段萬(wàn)向節(jié)、傳動(dòng)中間軸、固定節(jié)段萬(wàn)向節(jié)、護(hù)套等組成.

隨著人們對(duì)車(chē)輛舒適性尤其是NVH(噪聲振動(dòng)與聲振粗糙度)等方面的要求越來(lái)越高,等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸從最初的實(shí)心軸過(guò)渡到帶阻尼器或者配重的實(shí)心軸,為了進(jìn)一步降低油耗,傳動(dòng)中間軸又逐漸過(guò)渡到摩擦焊管軸.伴隨萬(wàn)向節(jié)及制造方法的改進(jìn),旋鍛技術(shù)逐漸成為傳動(dòng)中間軸的主要生產(chǎn)方法,因?yàn)?其能夠確保在整根軸上形成連續(xù)纖維組織,并且可以根據(jù)整車(chē)輕量化需求和性能需要實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)中間軸的變截面、變壁厚,達(dá)到輕量化的目的[6-8].

傳動(dòng)中間軸傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通常采用設(shè)計(jì)手冊(cè)提供的材料性能數(shù)據(jù)、尺寸系數(shù)、表面加工系數(shù)、疲勞缺口系數(shù)等,計(jì)算該軸的安全系數(shù),與許用安全系數(shù)進(jìn)行比較,確定傳動(dòng)中間軸的材料和外形尺寸[9],該方法更多地考慮傳動(dòng)中間軸的強(qiáng)度要求.文獻(xiàn)[10]的研究顯示,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的傳動(dòng)中間軸的強(qiáng)度富裕量較大,輕量化設(shè)計(jì)空間仍然很大.

雖然國(guó)內(nèi)外汽車(chē)廠家已經(jīng)采用管軸生產(chǎn)方法,但是,目前對(duì)于等速萬(wàn)向旋鍛中間軸的輕量化設(shè)計(jì)方法還鮮有報(bào)道.因此,在滿(mǎn)足強(qiáng)度的條件下,為了更準(zhǔn)確地進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),必須將傳動(dòng)中間軸的材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝和強(qiáng)化工藝耦合起來(lái)研究.本文選用25CrMo4材料,考慮等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸的空間布置約束、連接配合約束,耦合等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸的結(jié)構(gòu)尺寸、加工工藝、強(qiáng)化工藝,研究等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸的輕量化設(shè)計(jì)方法.

1 設(shè)計(jì)過(guò)程

轎車(chē)傳動(dòng)中間軸使用過(guò)程中承受的載荷包括少量的大載荷和大量的疲勞小載荷.傳動(dòng)中間軸承受的大載荷主要是車(chē)輛在低速、傳動(dòng)中間軸大彎角情況下發(fā)生,此時(shí)傳動(dòng)中間軸除了傳遞大扭矩外還承受彎矩.傳動(dòng)中間軸承受的大量小載荷主要是車(chē)輛直線行駛情況下,主要傳遞扭矩,由于此時(shí)等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸彎角小,彎矩可以忽略.

等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸的輕量化設(shè)計(jì)方法在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下,主要以輕量化為設(shè)計(jì)指標(biāo),綜合考慮空間布置、連接配合、加工工藝和強(qiáng)化工藝.

為了便于說(shuō)明傳動(dòng)中間軸輕量化設(shè)計(jì)方法,按照傳動(dòng)中間軸的局部功能將其分為3大部分,如圖1所示,即固定節(jié)段、中間段、移動(dòng)節(jié)段.其中,固定節(jié)段包括花鍵段1、功能約束段2、護(hù)套段3.移動(dòng)節(jié)段包括花鍵段1′、 功能約束段2′、護(hù)套段3′.

圖1 傳動(dòng)中間軸

轎車(chē)等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸的輕量化設(shè)計(jì)方法如下:

a. 考慮裝配約束確定花鍵段外徑尺寸,考慮花鍵加工工藝確定產(chǎn)品內(nèi)徑尺寸;

b. 考慮轉(zhuǎn)角約束確定功能約束段外徑尺寸,綜合考慮傳動(dòng)中間軸輕量化、靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度確定功能約束段內(nèi)徑尺寸;

c. 根據(jù)卡箍安裝尺寸確定護(hù)套段外徑尺寸,根據(jù)產(chǎn)品輕量化、靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度確定護(hù)套段內(nèi)徑尺寸;

d. 根據(jù)空間布置確定中間段外徑,以輕量化為指標(biāo),耦合產(chǎn)品幾何尺寸、加工工藝、強(qiáng)化工藝后的強(qiáng)度確定中間段內(nèi)、外徑尺寸;

e. 根據(jù)應(yīng)力集中限制,可確定傳動(dòng)中間軸過(guò)渡段內(nèi)、外徑尺寸.

彎扭組合負(fù)載時(shí)傳動(dòng)中間軸承受的應(yīng)力值更大,其靜強(qiáng)度計(jì)算式為

(1)

(2)

(3)

式中:σd為傳動(dòng)中間軸承受的最大等效應(yīng)力;M為二次彎矩;Wz為抗彎截面系數(shù);T為扭矩;Wp為抗扭截面系數(shù);d為傳動(dòng)中間軸內(nèi)徑;D為傳動(dòng)中間軸外徑.

文獻(xiàn)[11]給出了傳動(dòng)中間軸工作過(guò)程中承受的二次彎矩M的計(jì)算式為

(4)

式中,α為萬(wàn)向節(jié)擺角.

傳動(dòng)中間軸疲勞載荷按照純扭轉(zhuǎn)負(fù)載處理,疲勞強(qiáng)度的計(jì)算式為

(5)

式中:a,b為材料常數(shù);N為疲勞壽命.

2 設(shè)計(jì)實(shí)例

以某等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸為例,毛坯選用25CrMo4無(wú)縫鋼管,經(jīng)旋鍛成形后進(jìn)行滲碳淬火熱處理.傳動(dòng)中間軸固定節(jié)段萬(wàn)向節(jié)大徑尺寸為29.64 mm,移動(dòng)節(jié)段萬(wàn)向節(jié)大徑尺寸為27.78 mm;傳動(dòng)軸總成在固定節(jié)段擺角40°、移動(dòng)節(jié)段擺角10°時(shí)靜斷裂強(qiáng)度不小于4 000 N·m;在固定節(jié)段擺角和移動(dòng)節(jié)段擺角7°條件下,試驗(yàn)扭矩±1 245 N·m時(shí),傳動(dòng)軸總成節(jié)段平均循環(huán)壽命不小于30萬(wàn)次.本文對(duì)轎車(chē)等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì).

2.1 花鍵段

外徑:傳動(dòng)中間軸花鍵段根據(jù)兩端萬(wàn)向節(jié)尺寸確定,花鍵段1處和1′處大徑尺寸分別為29.64 mm和27.78 mm;

內(nèi)徑:根據(jù)花鍵成形工藝要求,成形壁厚最小為6 mm,因此,可取初始花鍵段壁厚為6 mm,同時(shí)考慮傳動(dòng)中間軸由無(wú)縫鋼管旋鍛而成,為便于設(shè)定成形工藝參數(shù),對(duì)傳動(dòng)中間軸1和1′的內(nèi)徑尺寸圓整,確定1和1’的內(nèi)徑最大值分別為17 mm和16 mm.根據(jù)式(1)和式(5)驗(yàn)算,分別滿(mǎn)足靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度要求.

2.2 功能約束段

a. 外徑.

(a) 功能約束段2.

圖2為固定節(jié)段等速萬(wàn)向節(jié)在最大擺角(α=α1,max)時(shí)與傳動(dòng)中間軸的位置關(guān)系.固定節(jié)段轉(zhuǎn)角約束段最大外徑d1,max滿(mǎn)足如下關(guān)系式:

式中:R為固定節(jié)段等速萬(wàn)向節(jié)外套球面半徑;L1為固定節(jié)段等速萬(wàn)向節(jié)回轉(zhuǎn)中心O到外套端口的距離;α1,max為固定節(jié)段等速萬(wàn)向節(jié)最大擺角;δ1為固定節(jié)段防塵套影響尺寸.

傳動(dòng)中間軸固定節(jié)段萬(wàn)向節(jié)最大擺角40°,將相關(guān)尺寸代入式(6)計(jì)算固定節(jié)段轉(zhuǎn)角約束外徑,圓整后取26.5 mm.

圖2 固定節(jié)段轉(zhuǎn)角約束示意圖

(b) 移動(dòng)節(jié)段功能約束段2′.

移動(dòng)節(jié)段允許傳動(dòng)中間軸在軸向滑動(dòng),不同移動(dòng)節(jié)段位置處傳動(dòng)中間軸和萬(wàn)向節(jié)的最大擺角不同,當(dāng)滑移位置靠外時(shí),轉(zhuǎn)角較大,當(dāng)滑移位置位于移動(dòng)節(jié)段最里端時(shí),為極限工況,擺角最小.圖3為移動(dòng)節(jié)段萬(wàn)向節(jié)和傳動(dòng)中間軸在最大擺角以及軸向滑動(dòng)極限位置(α=α2,max,S=Smax)時(shí)的位置關(guān)系.移動(dòng)節(jié)段功能約束段最大外徑d2,max滿(mǎn)足如下關(guān)系式:

式中:d2,max為傳動(dòng)中間軸移動(dòng)節(jié)段轉(zhuǎn)角約束段2′最大外徑;D為移動(dòng)節(jié)段等速萬(wàn)向節(jié)外套圓柱面直徑;L2為移動(dòng)節(jié)段等速萬(wàn)向節(jié)中心到外套端口的距離;α2,max為移動(dòng)節(jié)段等速萬(wàn)向節(jié)最大擺角;δ2為移動(dòng)節(jié)段防塵套影響尺寸;

圖3 移動(dòng)節(jié)轉(zhuǎn)角約束示意圖

傳動(dòng)中間軸移動(dòng)節(jié)段萬(wàn)向節(jié)最大擺角為10°,將相關(guān)尺寸代入式(7)計(jì)算出移動(dòng)節(jié)段轉(zhuǎn)角約束外徑,圓整后取26 mm.

b. 內(nèi)徑.

根據(jù)傳動(dòng)中間軸功能結(jié)構(gòu)可知功能約束段是傳動(dòng)中間軸最危險(xiǎn)位置,功能約束段承受的載荷最大.當(dāng)固定節(jié)段擺角為40 °、移動(dòng)節(jié)段擺角為10 °、承受載荷為4 000 N·m時(shí),最大負(fù)載是彎扭組合載荷,根據(jù)強(qiáng)度要求按照應(yīng)力式(1)計(jì)算,圓整后確定約束段2處內(nèi)徑最大值為13.5 mm,約束段2′處內(nèi)徑最大值為13 mm;當(dāng)固定節(jié)段擺角和移動(dòng)節(jié)段擺角均為7 °時(shí)應(yīng)用疲勞強(qiáng)度式(5)計(jì)算,代入材料參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算,滿(mǎn)足扭矩±1 245 N·m時(shí),平均循環(huán)壽命不小于30萬(wàn)次的產(chǎn)品要求.故約束段2處內(nèi)徑為13.5 mm,外徑為26.5 mm,約束段2′處內(nèi)徑為13 mm,外徑為26 mm.

2.3 護(hù)套段

護(hù)套段3和3′外形和尺寸根據(jù)護(hù)套卡箍安裝要求,確定固定節(jié)段護(hù)套段3外徑尺寸為29 mm,移動(dòng)節(jié)段護(hù)套段3′外徑尺寸為28 mm.根據(jù)傳動(dòng)中間軸強(qiáng)度計(jì)算式(1)確定護(hù)套段3處內(nèi)徑為17 mm,護(hù)套段3′處內(nèi)徑為16 mm.通過(guò)式(7)計(jì)算,計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足疲勞壽命要求.

2.4 中間段

根據(jù)空間布置約束確定中間段外徑極大值為32 mm.分析傳動(dòng)中間軸受力可知,中間段承受的應(yīng)力較小,而中間段長(zhǎng)度又較長(zhǎng),因此,中間段是傳動(dòng)中間軸輕量化的主要部件,中間段截面積越小越好.

根據(jù)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算式(1)和疲勞強(qiáng)度式(5)可知,隨著內(nèi)徑的增加,傳動(dòng)中間軸所受應(yīng)力將逐漸增大,但同時(shí)截面積隨之減小,意味著傳動(dòng)中間軸更輕.因此,中間段存在某一個(gè)內(nèi)、外徑值,輕量化與應(yīng)力達(dá)到平衡,此刻既滿(mǎn)足產(chǎn)品強(qiáng)度,同時(shí)又能最大化地實(shí)現(xiàn)輕量化.當(dāng)固定節(jié)段擺角40°、移動(dòng)節(jié)段擺角10°時(shí),傳動(dòng)中間軸承受靜載荷最大,按照式(1)計(jì)算傳動(dòng)中間軸中間段承受的應(yīng)力值.傳動(dòng)中間軸中間段承受的應(yīng)力值參考相鄰護(hù)套段及功能約束段應(yīng)力值,同時(shí)考慮旋鍛成形工藝參數(shù)控制的便利性,最終確定旋鍛中間軸中間段內(nèi)徑為26 mm.

旋鍛成形后的傳動(dòng)中間軸無(wú)法滿(mǎn)足產(chǎn)品使用強(qiáng)度要求,因此,需要進(jìn)行強(qiáng)化工藝處理,常用的強(qiáng)化工藝為滲碳、淬火.為了滿(mǎn)足產(chǎn)品的表面強(qiáng)度及沿深度方向的強(qiáng)度梯度要求,通過(guò)控制產(chǎn)品熱處理工藝硬度來(lái)滿(mǎn)足產(chǎn)品強(qiáng)度要求.根據(jù)材料的滲碳、淬火曲線可知,在產(chǎn)品外徑32 mm,內(nèi)徑26 mm時(shí),傳動(dòng)中間軸的表面硬度及沿深度方向的硬度梯度滿(mǎn)足產(chǎn)品要求.因此,最終確定中間段內(nèi)、外徑分別為26 mm和32 mm.

2.5 過(guò)渡段

過(guò)渡尺寸應(yīng)平緩過(guò)度,充分考慮應(yīng)力集中現(xiàn)象及疲勞有效應(yīng)力集中系數(shù),臺(tái)階高度不小于0.5 mm,過(guò)渡圓角半徑不小于12 mm.

根據(jù)以上方法確定的輕量化轎車(chē)等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸主要結(jié)構(gòu)尺寸圖如圖4所示.

圖4 傳動(dòng)中間軸結(jié)構(gòu)尺寸

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照萬(wàn)向傳動(dòng)軸總成試驗(yàn)規(guī)范,進(jìn)行變截面變壁厚輕量化空心傳動(dòng)中間軸強(qiáng)度校核,靜強(qiáng)度試驗(yàn)樣品編號(hào)分別為J01,J02,J03,J04,疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)樣品編號(hào)分別為P01,P02,P03,P04.萬(wàn)向傳動(dòng)軸總成靜強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分別如圖5和圖6所示,靜強(qiáng)度試驗(yàn)和疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和表2所示.

圖5 靜斷裂照片

圖6 疲勞斷裂照片

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,新設(shè)計(jì)的轎車(chē)等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度均滿(mǎn)足產(chǎn)品要求.

分別以同等強(qiáng)度水平的實(shí)心軸產(chǎn)品(圖7)、等內(nèi)徑空心軸產(chǎn)品(圖8)以及摩擦焊接空心軸產(chǎn)品(圖9)作為參照對(duì)象進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)效果評(píng)估.其中,實(shí)心軸質(zhì)量為2.31 kg,等內(nèi)徑空心軸質(zhì)量為1.96 kg,摩擦焊接空心軸質(zhì)量為1.38 kg，其本設(shè)計(jì)方法得到的輕量化導(dǎo)向性空心軸質(zhì)量為1.16 kg,其相對(duì)各參照對(duì)象的減重效果如表3所示(見(jiàn)下頁(yè)).

表1 靜強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果

圖7 原始實(shí)心軸

圖8 等內(nèi)徑空心軸

圖9 摩擦焊接空心軸

參照對(duì)象減重比例/%實(shí)心軸50.2等內(nèi)徑空心軸35.0摩擦焊接空心軸16.3

4 結(jié) 論

本文以輕量化為指標(biāo),綜合考慮產(chǎn)品空間布置約束、產(chǎn)品功能約束、加工工藝約束、熱處理工藝約束及強(qiáng)度約束等,提出了一種轎車(chē)等速萬(wàn)向傳動(dòng)中間軸的輕量化設(shè)計(jì)方法.按照所提出的輕量化方法設(shè)計(jì)的傳動(dòng)中間軸滿(mǎn)足產(chǎn)品強(qiáng)度要求,同時(shí)與實(shí)心軸、等內(nèi)徑空心軸、摩擦焊接空心軸相比,減重效果明顯.

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(編輯:石 瑛)

Light-Weight Design of Constant Velocity Universal Joint Drive Countershaft

WANG Jianwei1,2, LU Xi1

(1.SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China;2.CollegeofAutomobile,ZhejiangIndustryPolytechnicCollege,Shaoxing312000,China)

A light-weight design method was introduced considering the constraints of the space layout,function,strength,manufacturing and strengthening processes of the constant velocity universal joint drive countershaft.The shafts designed based on this light-weight method can meet the requirements,which was verified by static strength and fatigue tests.Besides,its effect on weight reduction is much more clear than those of solid shafts,constant diameters hollow shafts and friction-welded shafts.

drivecountershaft;light-weight;designmethod;weightreduction

1007-6735(2017)02-0143-06

10.13255/j.cnki.jusst.2017.02.008

2016-11-15

上海汽車(chē)工業(yè)科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目(1623);上海市科技攻關(guān)項(xiàng)目(14521100500)

王建偉(1982-),男,博士研究生.研究方向:汽車(chē)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性及輕量化設(shè)計(jì).E-mail:wjwei0405@126.com

盧 曦(1968-),男,教授.研究方向:汽車(chē)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠性及其輕量化設(shè)計(jì)、汽車(chē)回收零部件再使用強(qiáng)度評(píng)價(jià).E-mail:luxi_usst@163.com

TH 114; U 463.3

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