汽車傳動軸的輕量化設計

楊珍

摘??要：科學技術更新與發(fā)展的速度不斷加快，汽車制造與設計技術也得到了迅速的發(fā)展，在汽車領域中，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注。經過長期的研究得出以下結論：通過合理減輕汽車結構重量，同時提高整體結構及部件的安全穩(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，受到了高度關注。輕量化技術也在汽車鋼車身、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概念進行了分析，并進一步探究了汽車傳動軸的輕量化設計方案。

關鍵詞：汽車??傳動軸???輕量化??設計方案

中圖分類號：U463??????????????????文獻標識碼：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

數據顯示，汽車自身的質量以及整體架構在減少10%情況下能夠有效節(jié)約7%的燃油，隨著技術的不斷更新，可使用多種輕質材料都可以達到汽車輕量化的目標，如鋁、鎂等材料，通過優(yōu)化設計，從而達到改進汽車結構零部件的目的。該文通過一系列手段與計算方法，對汽車傳動軸結構強度進行優(yōu)化，從而達到傳動軸質量最小的目標，逐步實現汽車傳動軸輕量化設計的終極目的。

1??汽車傳動軸簡述

1.1??概述

汽車結構當中，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，其精度和工藝技術也直接關乎著結構性能[1]。

1.2??傳動軸的基本構成

絕大多數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行相連，伸縮套能夠對變速器和驅動橋的距離合理控制，從而確保其符合實際要求，促進汽車的平穩(wěn)運轉。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動，才能夠保障汽車行駛平穩(wěn)性，也能夠體現出萬向節(jié)能夠傳輸動力，促進汽車行駛。整體來看，汽車傳動軸當中的十字軸、突元叉以及軸承等共同構成萬向節(jié)結構，后輪驅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)當中的關鍵組成部分，前輪驅動汽車，萬向節(jié)和變速箱相連，后輪驅動汽車在運行過程中，懸架一般是變形狀態(tài)，驅動軸與變速器之間存在相對運動，這樣無法達到直線傳遞，其他的相關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。其主要作用是當角度發(fā)生變化狀態(tài)時進行動力傳遞，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動，從而確保汽車能夠穩(wěn)定運轉，這也讓汽車傳動軸逐漸成為可變性質的過橋裝置。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量以及整體構成不一致。

2??汽車傳動軸的輕量化

數據顯示，汽車結構自身的質量如果減少10%，能夠有效節(jié)約7%～8%的油量，按照這樣計算，當汽車自身質量減少100?kg左右質量，燃料成本會減少大約20%。汽車作為快速發(fā)展的領域，輕量化已經成為了主要發(fā)展趨勢，可通過鋁、鎂等材料，對其局部以及結構進行優(yōu)化設計，使得車身更薄，從而減輕汽車自身的質量。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。傳動軸管則是實現輕量化最為重要的部分，傳動軸管的質量要求是非常高的，其必須具備很好的精度，且表面的伸長率、強度，以及強度、焊縫質量等要求都非常高。且現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廣泛應用于車身、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用相對較少，也讓其成為汽車制造生產環(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??汽車傳動軸結構輕量化設計及優(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，充分利用現代化設計理念以及軟件進行分析與驗證，同時對其結構進行優(yōu)化改進。通過對兩種結構型式加以對比，改進之后優(yōu)點主要體現在以下方面：首先是結構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松動，從而造成的各種問題。使用支承平衡技術，有效減少了噪聲以及振動等現象，尤其是對轉速、噪聲等要求都很高的車型，傳動軸的改善效果非常明顯。改進型結構在應用后，連接滑動交叉逐漸替代法蘭連接，車身結構重量也明顯減少了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，整體結構更為簡化，裝配效率也大大提升，同時節(jié)省了原材料。經過大量的應用和實踐，經過計算，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)造了更大的經濟效益與社會效益[3]。

4??輕量化設計在汽車傳動軸中的實踐應用

4.1??端面齒連接法蘭創(chuàng)新優(yōu)化

隨著科學技術的快速發(fā)展與更新，我國也與美、日、德等國家先后進行了交流與探究，深入考察，積極借鑒先進的制造技術和系統(tǒng)，其中，端面法蘭帶交叉細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，結合當前國內商用汽車嚴重超載等實際工況，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輔助開展設計工作，密切關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，進行了應力分析及試驗，結果顯示各項結果都符合設計要求。在實際制造環(huán)節(jié)，同時還使用了目前比較先進的CAM制造技術，從而保障各類設計指標能夠更加精準地實現，技術參數在合理控制范圍之內[4]。

4.2??拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化環(huán)節(jié)中，首先需要構建模型，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)，從而實現結構的優(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)化設計環(huán)節(jié)，尺寸以及參數都是非常重要的參考標準，而拓撲優(yōu)化過程中，則對結構、材料特性、荷載等百分比進行明確便可。當前，變密度法是最為常用的方式，并且得到了廣泛的應用，拓撲優(yōu)化之前應當明確整個計算過程，對方法及軟件進行優(yōu)化，并構建數據空間用于設計，之后再對數據空間劃分，設置具體的優(yōu)化目標，同時完成計算環(huán)節(jié)，得到結果，并對結構綜合分析：當結果存在不合理情況，應當對參數進行優(yōu)化，并重新劃分網格；當計算結果相對合理，則需要對結果進行分析。該文充分利用軟件構建3D模型，并利用拓撲算法從而達到傳動軸優(yōu)化設計的目的[5]。

4.3??三維模型的構建

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，首先要結合傳動軸總成具體設計要求完成數據采集，之后再根據具體的尺寸以及結構構建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)。通過對模型進行分析與簡化，使用更加簡便的網格劃分，同時設置具體的優(yōu)化參數，首先，應當采用柔度更小的為主要目標，并設置約束比的上限20%，并構建傳動軸拓撲優(yōu)化模型，將上述相關數據輸入進軟件中進行綜合分析，經過迭代之后獲取傳動軸拓撲優(yōu)化結果。相同受力工況之下，可對傳動軸優(yōu)化前后強度進行全面分析，能夠得出：經過優(yōu)化之后，汽車的傳動軸力學性能有了很大的改善，同時對比其性能參數，傳動軸自身總質量也明顯減少20%，并且各項性能參數也得到明顯優(yōu)化改進[6]。

4.4??傳動軸輕量化設計常見的方法

目前汽車傳動軸輕量化設計過程中，常見的方法有以下幾種：首先是結構優(yōu)化，也就是對傳動軸的各個零部件進行二次設計與改進，從而逐步達到零部件薄壁化的目的，同時使用CAD、CAE等現代化手段進行設計，逐步實現輕量化設計的目標；其次，還可以使用當前最為先進的工藝技術，如激光拼焊、切割以及液壓成型等一系列手段進一步提升實際制造精確度，并實現結構輕量化；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，從而逐步實現輕量化的最終目的。結構優(yōu)化主要包括了尺寸、形狀以及拓撲等方面，其中尺寸優(yōu)化主要是對浮動尺寸慢慢參數化，并科學設置浮動范圍，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；拓撲優(yōu)化則是在特定區(qū)間范圍之內，對產品材料進行合理布置與優(yōu)化，并對多種方案進行對比，從而確定最佳方案。經過分析對比可得出，拓撲優(yōu)化方案使用范圍更加廣泛[7]。拓撲優(yōu)化主要是針對實際的荷載情況以及相關參數等方面因素，對材料分布進行優(yōu)化。針對物體的結構形態(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，也就是對整體進行劃分，并結合算法進行保留與去除，可使用不同顏色進行區(qū)分，在根據具體仿真結果以及實際經驗，被保留的便是最佳方案。拓撲優(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系，其還能夠優(yōu)化目標，并通過構建目標函數，優(yōu)化特征值，通過對設計變量數值大小加以改變，并設置上下線，從而獲取最優(yōu)解[8]。

4.5??傳動軸結構分析與優(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，對其進行輕量化設計是非常關鍵的。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上去除其中質量較小以及相對復雜的零部件，如螺紋、墊片等，再結合以上原則，構建裝配模型。研究表明，傳動軸的萬向節(jié)叉以及凸緣叉是主要的設計環(huán)節(jié)，結合實驗數據可得出，凸緣叉兩側壁與中心應力比較小，材料也比較多，需要進一步優(yōu)化，花鍵軸叉的齒部應力也比較小，可通過減少齒數的方式，減輕重量，因最大應力比較小，可通過減少孔壁材料的方式進一步實現輕量化，可有效優(yōu)化各部分結構[9]。

4.6??輕量化設計結果

經過不斷的研究與分析，已經開發(fā)到了第三代，并得出以下結論：使用新型設計理念與工藝技術，端面設計存在弓形空腔，并且側面具備加強筋，結構更加獨特，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螺母松動的情況，且大大降低了事故的發(fā)生率[10]。

5??結語

輕量化設計已經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)設計只是從荷載方面進行考慮，利用結構布局的方式逐步實現降低局部應力應變以及疲勞損傷嚴重程度，但是在具體應用環(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，結構強度也會不斷增加。在結構設計環(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。隨著技術的快速發(fā)展與更新，輕量化設計覆蓋范圍也將會進一步擴大，并且逐步達到最佳效果。

參考文獻

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