等速驅動軸輕量化設計技術

【摘 ?要】等速驅動軸的輕量化不僅對汽車輕量化做出了一定貢獻，而且更有助與汽車傳動效率的提升，這樣的輕量化技術符合社會環保的需求和汽車未來的發展，本文介紹了汽車輕量化發展的趨勢，輕量化選材原則與輕量化方法與輕量化結構設計。

【關鍵詞】輕量化方法;材料選用原則;結構設計

1.引言

隨著環境的惡化，石油資源的減少，油價的上漲，汽車結構的設計面臨著嚴峻的問題，設計師也必須迎合新時代發展的要求，通過輕量化設計，減小車重，降低油耗，適應環節能環保的要求是整個汽車行業發展的趨勢。汽車輕量化是現代汽車發展的重要目標之一，除車身、車架需要輕量化外，等速驅動軸作為汽車的關鍵傳動部件，其輕量化設計逐步成為研究的熱點。等速驅動軸是汽車傳動必不可少的零部件，在服役過程中，會經受復雜的受力條件，其中包括扭轉、拉壓、剪切、沖擊等交變應力，還可能會受到因路況或變速等原因而導致非常規震動，產生附加應力;以及高速旋轉產生摩擦，造成應力分布不均，以及產生摩擦磨損，嚴重者直接導致等速驅動軸的失效，采取輕量化結構設計技術可以有效減小摩擦。在確保驅動軸安全使用的前提下，傳動軸的輕量化不僅可以使汽車質量輕量化，而且可以減小動力扭矩，從而減小軸向派生力和震動，提升汽車的使用壽命[1]。因此，對汽車關鍵零部件等速驅動軸進行輕量化設計師必要的，本文從等速驅動軸的選材、以及輕量化設計原則出發，闡述了一些在設計過程中需要考慮的問題，為廣大汽車設計者提供了有力的幫助。

2.等速驅動軸輕量化策略

2.1等速驅動軸概況及輕量化發展趨勢

等速驅動軸作為關鍵傳動裝置，是發動機動力傳遞到到車輪必不可少的裝置，一般布置在汽車差速器和車輪之間。發動機前置是現在汽車采取的通用模式，為了適用、美觀，大多數家用轎車均采取前置發動機結構，這就導致了前輪即要承擔驅動作用，又要作為轉向輪進行行駛過程中的方向變更，這就導致等速驅動軸需要配合萬向節共同工作。萬向節根據在扭轉方向上的彈性變形變化分類，可分為剛性萬向節和撓性萬向節。剛性萬向節有可以分為十字軸式的不等速萬向節、雙聯式和三銷軸式準等速萬向節、球叉式和球籠式等速萬向節，等速萬向節簡稱CVJ。根據是否可以進行軸向移動，等速萬向節又可分為固定萬向節和移動萬向節。其中等速驅動軸用到的萬向節對驅動軸的傳動效率有著很大的影響，減小萬向節摩擦力可以提高機械效率，從而提升等速驅動軸整體傳動效率。

汽車輕量化是汽車發展的一個趨勢，輕量化的發展可以有效實現汽車速度的提升，節省燃料，在低耗能狀態下產生高效率，也符合現代國家綠色環保發展戰略策略。

2.2等速驅動軸輕量化材料選用原則

為了滿足使汽車在行駛過程中等速驅動軸安全可靠、高效傳動要求，材料性能必須滿足的要求有：

包括采取的等速萬向節在內，必須保證所連接的兩軸在所允許下要求的變化范圍內變動，并且在變化過程中能夠可靠的傳遞扭矩，保證兩軸傳動等速旋轉。等速驅動軸應該有足夠的剛度、強度、耐久性、高的抗疲勞特性等[2]。等速驅動軸在高溫、低溫、高濕度氣候等條件下，應能夠正常進行工作。材料的穩定性要強，不能發生突變性力學性能的下降，且具有較高的使用壽命，一般要求廠家等速驅動軸產品五年或者10萬公里內，質量問題出現失效就要免費更換。

針對以上的使用要求，需要對材料滿足高強度、高抗扭轉，高抗壓抗壓等性能，因此，針對輕量化材料的選擇至關重要，選擇一種即有高的使用性能，又具有輕質量的材料是等速驅動軸輕量化的關鍵。目前輕量化材料有高強度塑料，但是害遠遠達不到驅動軸的使用工況，需要開發新型塑料，若能夠開發出新型能夠適應驅動軸工況的塑料零件，對于驅動軸的選材來說是最合適的材料選擇。還有就是復合材料的開發，最近復合材料發展迅猛，個別復合材料在實驗室條件下已經能夠滿足性能使用條件，但是還應該接收更嚴格的測試，費和次奧來哦的發展也為輕量化做出了巨大貢獻，選擇合適的復合材料作為軸深的使用也是合適的選擇。綜上所訴，輕量化材料選用原則應在能夠滿足工況使用條件的前提下，選擇輕質量材料，是還要兼顧成本等經濟條件和產品生產的適用性條件[3]。

等速驅動軸的輕量化，不僅對于汽車輕量化是一個貢獻，更重要的對于驅動軸的使用效率的提升更為重要，輕量化的方法有很多，針對輕量化設計技術，我們也給出了一些相應的方法。

2.3等速驅動軸輕量化方法及結構設計

等速驅動器輕量化方法包括‘結構輕量化、材料輕量化、工藝輕量化三種方式。結構輕量化從零件的結構入手，去除繁瑣多余的結構，使結構達到最簡化，同時滿足零件的使用性能。

結構輕量化根據設計變量和優化問題類型的不同，可以分為拓撲優化、尺寸優化、形狀優化、形貌優化等。通過結構輕量化，我們可以設計找到有效的載荷、扭矩傳遞路徑，進行結構上鍵槽數量、大小、位置等優化設計;合理進行驅動軸中空減重設計;合理進行驅動軸截面，直徑尺寸，萬向節尺寸，在手里部位增加料厚，非受力部位適當減小料厚，保證力學性能使用的前提下進行尺寸優化設計，從而有效減小驅動軸重量。

材料輕量化，通過在不同受力條件下不同材料的選擇，實現多種結構不同材料的合理分布，從而實現自重的降低。目前等速驅動軸所采用的材料大多還是金屬材料，隨著復合材料的快速發展，應尋求一種能夠在滿足使用要求的前提下，采取質量小的復合材料，可以有效對驅動軸進行輕量化，但是新材料的開發并不是輕而易舉，需求一種質量輕，又能滿足使用力學性能的材料，是目前需要開發的一個新項目。

工藝輕量化是通過工藝提高材料的使用性能，優化形貌形狀等，其中就需要與零件的結構設計結合起來，進行加工工藝的合理安排，從而達到驅動軸輕量化的目的。

針對等速驅動軸的結構來說，一般由外端萬向節、軸桿、內端萬向節組成，內外端萬向節有很多種類型，不同類型萬向節的結構和作用也均不同，選擇合適的萬向節或設計新型結構萬向節對驅動軸輕量化起著舉足輕重的作用[4]。針對軸桿在結構上可以進行外部形狀和內部中空進行著手設計，外部形狀可以進行減小直徑設計加強筋等手段，內部中空可以根據相關軟件進行強度、剛度、扭轉等校核，從而設計出中空結構的驅動軸，進而減小驅動軸質量。

參考文獻：

[1]朱釗，黃巨成，張海源，滕杰.等速驅動軸橫擺振動的研究及解決[J].汽車實用技術，2019（23）：127-129.

[2]潘天林，等速驅動軸設計技術軟件. 河南省，許昌遠東傳動軸股份有限公司，2018-12-01.

[3]王智文，馮昌川.新能源汽車輕量化技術路徑及開發策略[J].汽車工藝與材料，2021（06）：1-12.

[4]高秀榮.轎車前驅動軸結構及設計要領[J].汽車工程師，2016（03）：22-26+39.

作者簡介：

楊德善（1974-），男，漢族，安徽省淮南市，本科，現就職于寧波萬航實業有限公司，主要從事技術管理工作。