卡車傳動(dòng)軸輕量化技術(shù)路線概述

于雷，鄧大鵬

（富奧汽車零部件股份有限公司傳動(dòng)軸分公司，吉林 長(zhǎng)春 130013）

0 引言

在輕量化、電動(dòng)化、智能網(wǎng)聯(lián)化的商用車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型趨勢(shì)下，底盤系統(tǒng)及核心零部件面臨法規(guī)、技術(shù)、需求、產(chǎn)業(yè)等方面的升級(jí)需求[1]。尤其是在排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)苛的政策環(huán)境下，整車對(duì)零部件提出了越來越嚴(yán)格的輕量化要求。作為傳動(dòng)系統(tǒng)中連接變速箱和驅(qū)動(dòng)橋，傳遞扭矩和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，傳動(dòng)軸的輕量化必然成為行業(yè)現(xiàn)階段的主要發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外傳動(dòng)軸企業(yè)，圍繞著材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和有限元分析等新技術(shù)，對(duì)輕量化開展了廣泛的研究，并取得了大量成果。對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸輕量化，各專業(yè)廠要從實(shí)際情況出發(fā)，選擇適合自身產(chǎn)品的輕量化技術(shù)路線，尤其在新材料、新結(jié)構(gòu)應(yīng)用上，要具備輕量化技術(shù)儲(chǔ)備，以適應(yīng)日益提高的整車輕量化需求[2]。

1 國(guó)外傳動(dòng)軸輕量化技術(shù)概述

1.1 復(fù)合材料應(yīng)用輕量化

復(fù)合材料因具有加工能耗低、輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐銹蝕、成型工藝性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為汽車行業(yè)“以塑代鋼”的理想材料。汽車材料在經(jīng)歷了通用塑料、工程塑料時(shí)代之后，在20世紀(jì)九十年代進(jìn)入了復(fù)合材料時(shí)代。美國(guó)摩里遜公司（Morrison Molded Fiber Glass）是最早生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的公司。其生產(chǎn)的傳動(dòng)軸供通用汽車公司載重汽車應(yīng)用。福特公司1984年將玻璃纖維材料應(yīng)用到汽車傳動(dòng)軸領(lǐng)域。應(yīng)用上，主要采用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂或?qū)⑻祭w維作為結(jié)構(gòu)層使玻璃纖維與碳纖維結(jié)合使用。GKN公司在1988年開始碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的研究。

碳纖維復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、比模量，玻璃纖維材料具有高抗扭強(qiáng)度，以上復(fù)合材料的力學(xué)性能，決定了復(fù)合材料除自身降重外，還可實(shí)現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)速提高，從而使用一體式復(fù)合材料傳動(dòng)軸替代原兩段式金屬傳動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)軸系布置輕量化[3]。復(fù)合材料傳動(dòng)軸還可以提高NVH性能，提高舒適性。碳纖維軸管示意圖如圖1所示。

圖1 碳纖維軸管示意圖

1.2 輕質(zhì)合金材料應(yīng)用輕量化

2011年，德納公司（Dana）成功開發(fā)Spicer Diamond系列傳動(dòng)軸，采用創(chuàng)新性工藝，將鋼制接頭與高強(qiáng)度鋁合金管結(jié)合，制成輕質(zhì)一體式鋁合金傳動(dòng)軸，取代全鋼制非一體式傳動(dòng)軸，其重量比傳統(tǒng)的兩分式傳動(dòng)軸輕40%（見圖2）。Diamond 系列傳動(dòng)軸的優(yōu)點(diǎn)是在多種應(yīng)用中具有較少的零件、噪音、振動(dòng)。Spicer Diamond一體式輕質(zhì)傳動(dòng)軸取消中間支承及軸承，并將連接部件由三件改為兩件，實(shí)現(xiàn)了輕量化。

圖2 Spicer Diamond 一體式傳動(dòng)軸對(duì)比示意圖

混合材料輕量化，1984年，德納公司（Dana）為通用跑車生產(chǎn)的一種鋁-石墨復(fù)合結(jié)構(gòu)，將鋁制傳動(dòng)軸管包上一圈玻璃纖維絕緣層，在其上覆蓋一層縱向的連續(xù)性碳-石墨纖維，之后包一層玻璃纖維保護(hù)層，最后按特定工藝使其結(jié)合。此輕量化技術(shù)使傳動(dòng)軸由原17Kg降至7.2Kg。

1.3 高強(qiáng)度軸管輕量化

日本、德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家ERW高強(qiáng)度傳動(dòng)軸管應(yīng)用率在多年前就已達(dá)到90%以上，日本住友公司、德國(guó)及瑞典普遍應(yīng)用抗拉強(qiáng)度600～800MPa的高強(qiáng)度軸管。普通材料軸管抗拉強(qiáng)度較低（見圖3），高強(qiáng)度ERW傳動(dòng)軸管應(yīng)用，可以使載重車傳動(dòng)軸管壁厚減?。ㄒ妶D4），從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸輕量化目標(biāo)。

圖3 某普通傳動(dòng)軸管CAE 應(yīng)力云圖

圖4 高強(qiáng)度軸管輕量化示意圖（δ2 ＜δ1）

1.4 軸管花鍵輕量化

德納公司（Dana）花鍵滑動(dòng)式軸管（見圖5），將兩段傳動(dòng)軸軸管加工內(nèi)外花鍵，形成滑動(dòng)花鍵副配合，減少了花鍵軸、花鍵套等中間零件，實(shí)現(xiàn)軸系布置輕量化，但承載扭矩較小。

圖5 花鍵滑動(dòng)式軸管傳動(dòng)軸示意圖

1.5 瓦蓋式萬向節(jié)傳動(dòng)軸系

歐美主要卡車品牌斯堪尼亞和萬國(guó)卡車，在傳動(dòng)軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采用瓦蓋式萬向節(jié)（見圖6），在中間軸、變速箱輸出端與驅(qū)動(dòng)橋輸入端采用半圓型叉，從而實(shí)現(xiàn)少零件化（減少突緣叉）軸系布置，可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸系布置輕量化。但此結(jié)構(gòu)整車裝配性較差，國(guó)內(nèi)主流車型很少應(yīng)用。

圖6 斯堪尼亞瓦蓋式萬向節(jié)與其它外卡式萬向節(jié)對(duì)比示意圖

2 國(guó)內(nèi)傳動(dòng)軸輕量化技術(shù)概述

2.1 復(fù)合材料軸管輕量化

隨著國(guó)內(nèi)碳纖維材料的開發(fā)及在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，目前傳動(dòng)軸企業(yè)進(jìn)行碳纖維傳動(dòng)軸研究是一個(gè)明確的方向。在卡車傳動(dòng)軸行業(yè)，中國(guó)第一汽車股份有限公司技術(shù)中心進(jìn)行了某商用車碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）傳動(dòng)軸的研發(fā)及試制。軸管選用碳纖維T700/增韌環(huán)氧樹脂，加工采用預(yù)浸料搓卷-固化工藝，萬向節(jié)叉與軸管連接選擇過盈配合、高抗剪抽芯鉚釘機(jī)械式連接。以上方案研發(fā)取得了成功并達(dá)到了輕量化目標(biāo)[4-5]。

2.2 輕質(zhì)合金材料輕量化

2018年東風(fēng)傳動(dòng)軸公司16根鋁合金傳動(dòng)軸交付東風(fēng)越野車，完成了東風(fēng)猛士軍車裝車。該鋁合金傳動(dòng)軸材料、成型、焊接、特種工藝等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸降重30%，整車降重12kg。同時(shí)降低了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，提高了傳動(dòng)效率，也提高了整車的NVH性能。

2020年，一汽重型鋁合金傳動(dòng)軸開發(fā)成功。丹傳、遠(yuǎn)東等公司在鋁合金傳動(dòng)軸上也取得了應(yīng)用成果。萬向集團(tuán)在鋁合金傳動(dòng)軸研發(fā)方面也進(jìn)行了前瞻性研究，取得了一些關(guān)鍵技術(shù)及專利技術(shù)。

2.3 高強(qiáng)度軸管輕量化

經(jīng)過國(guó)內(nèi)主要鋼材廠家的研發(fā)，近10年來，高強(qiáng)度軸管目前已在卡車傳動(dòng)軸行業(yè)廣泛應(yīng)用，并取得很好的市場(chǎng)表現(xiàn)。尤其是700QZR和750QZR材料軸管的應(yīng)用，為整車輕量化起了重要作用。

2.4 空心花鍵軸叉輕量化

空心花鍵軸叉輕量化，配合摩擦焊工藝實(shí)現(xiàn)。目前鍛造行業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展以及復(fù)合鍛造工藝的采用，為實(shí)現(xiàn)鍛造空心花鍵軸叉提供了技術(shù)支持，未來應(yīng)用前景廣闊。

2.5 大直徑軸管輕量化

采用大直徑軸管，提高傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速，軸管采用高強(qiáng)度鋼管，精軋工藝提高軸管精度，使傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)長(zhǎng)度增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸系一體式布置（一根傳動(dòng)軸替代一根傳動(dòng)軸和一根中間軸），取消中間支承等結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸系布置輕量化。目前已取得批量應(yīng)用。

2.6 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)及有限元分析

國(guó)外汽車廠商很早就已經(jīng)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用了拓?fù)鋬?yōu)化，國(guó)內(nèi)拓?fù)鋬?yōu)化研究較晚，但發(fā)展及應(yīng)用較快。雖然國(guó)內(nèi)拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用日趨成熟，但主要研究集中在車架及車身上，在傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用較少，只有近年研究的新產(chǎn)品上有應(yīng)用，但已取得較好的效果。

3 結(jié)語

技術(shù)創(chuàng)新是永不停息、永無止境的。整車、零部件的輕量化，其基礎(chǔ)在于提高研發(fā)能力，關(guān)鍵在于技術(shù)創(chuàng)新，各專業(yè)廠只有在輕量化前瞻技術(shù)的研發(fā)上占得先機(jī)，做到技術(shù)上開發(fā)一代、儲(chǔ)備一代，才能在日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，立于不敗之地。

總體來看，目前國(guó)內(nèi)卡車傳動(dòng)軸行業(yè)在輕量化技術(shù)研究及應(yīng)用上，與國(guó)外主要傳動(dòng)軸企業(yè)仍存在較大差距，但近年來差距在逐漸縮小。從輕量化卡車傳動(dòng)軸產(chǎn)品前景上看，碳纖維等復(fù)合材料傳動(dòng)軸因其較高比強(qiáng)度、比模量特性，將來在部分高端車型的應(yīng)用前景廣闊。國(guó)內(nèi)各傳動(dòng)軸專業(yè)廠在碳纖維等復(fù)合材料與鋼制件連接工藝上，要進(jìn)行前瞻研究并取得核心及關(guān)鍵技術(shù)上的突破，為復(fù)合材料傳動(dòng)軸的大批量應(yīng)用做好技術(shù)儲(chǔ)備。