淺談汽車傳動軸優化設計的研究現狀

趙生蓮

摘要：從汽車傳動軸的國內外研究現狀及發展趨勢進行了闡述，具有一定的實際參考價值。

關鍵詞：發動機;傳動軸;優化設計

1前言

近年來隨著汽車工業的蓬勃發展，使得資源匱乏和環境污染問題日益嚴峻，通過汽車輕量化設計來降低汽車油耗，節省資源，改善環境成為了世界汽車行業共同發展的趨勢。

輕量化設計的目的是在保證安全的前提下，以最小的結構重量為目標得到最優的可行方案，將材料性能在安全范圍內發揮到極致，提高汽車整車性能。目前，汽車在車身、發動機及底盤的輕量化設計得到了廣泛的應用，并取得了很高的成效，但在汽車傳動軸方面的輕量化設計這一領域較為薄弱，因此，這一領域在汽車輕量化設計中不可或缺。

傳動軸是汽車傳動系中傳遞動力的重要部件，它的作用是連接變速箱和驅動橋將發動機的動力傳遞給車輪，使汽車產生驅動力。通常使用輕且抗扭性能較好的合金鋼管制成。在汽車行駛時，由于懸架變位，變速器與驅動橋的相對位置不斷變化，導致傳動軸傳遞動力的工作位置不斷發生變化，那么在汽車運行過程中就會不可避免的出現振動現象，使得傳動軸傳遞動力的效率降低并進一步影響乘坐的舒適性，尤其是在高速運轉下，對整車性能影響更明顯。因為其振動的特殊性，對傳動軸材料特性和結構布置有著較高的要求。

隨著現代各新型材料的出現，傳動軸輕量化設計的技術將逐步得到提升，使其在保證安全的前提下，提升汽車的穩定性和乘坐的舒適性，降低油耗，節省資源，降低環境污染，改善環境，因此，對汽車傳動軸輕量化設計的研究具有重要意義。

2國內外研究現狀

國外有關學者關于傳動軸優化問題比國內研究較早且更成熟，特別是在復合材料傳動軸管方面上。國外許多學者在傳動軸結構設計、材料、連接方式及生產工藝等方面做了大量的研究工作，所以國外對這方面的研究理論框架和水平也較為成熟。目前學者對傳動軸輕量化設計的研究主要以傳動軸零部件的結構優化設計和材料輕量化設計兩方面為主。

2.1國外研究現狀

1984年，福特公司首次將碳纖維復合材料應用于汽車傳動軸上，其抗扭強度比傳統金屬材料高出許多倍，扭矩測試結果也遠大于安全設計值。1988年，GKN公司開始研究碳纖維復合材料傳動軸，1992年Renault S afrane Quadra傳動軸被推出，該傳動軸將傳統的金屬三節式改進為復合材料兩節式，減重高達40%;在Toyota Mark II使用的碳纖維傳動軸減重達50%，碳纖維的發展一直延續到2011年奔馳歐翼上。

S.A.Mutasher等研究了復合材料不同纏繞方式對傳動軸靜態扭矩和動力傳輸能力的影響，發現纏繞角度為45°時靜態和動態的最大扭矩高于纏繞角度為90°時的情況。Hak Sung KIM和Dai Gilee使用鋁合金和碳環氧復合材料設計了整體式混合傳動軸，采用壓入法將鋁合金構件連接到混合軸上，增加了傳動軸的可靠性以及降低了整體制造成本，與傳統金屬傳動軸相比，整體式混合傳動軸的質量減少約50%。

2.2國內研究現狀

近年來，隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析方法在工程設計和分析中，已成為解決復雜工程計算分析問題的一種有效途徑。如今，國內專家學者大都采用有限元分析方法對汽車傳動軸進行有限元模態分析和優化設計。如陳科和殷磊等人建立了雙聯虎克萬向節運動方程，分析了軸間夾角及相位角對轉角差和瞬時傳動比的影響。楊春勇和王增峰等人利用魚骨圖分析傳動軸凸緣叉斷裂原因，并進行了結構優化和有限元分析。楊麗娜采用拓撲優化方法對轉動軸的壁厚進行了減薄設計。儲軍及徐洪慧等人研究了傳動軸工作時應力分布區間與低載強化特性區間的對應關系，并以此獲得結構參數，實現了傳動軸的輕量化設計。陶雷對兩種新型復合材料進行了性能對比分析，對傳動軸關鍵部位材料進行了替換，并結合實際工程進行了校驗;南京工程學院尹榮棟等人針對傳動軸受到自身以及其他外部激勵會引起振動和異響的問題，對傳動軸進行模態分析來采取其固有特性參數。并通過對比分析，驗證了建立的傳動軸有限元模型與有限元模態分析方法的可靠性，為傳動軸設計提供了理論依據。

由此可知，我國要實現汽車傳動軸的輕量化設計的進程，需要將材料的研發及制造與輕量化技術相結合，這就需要在傳動軸材料的研發、結構設計和焊接工藝等方面上加大研發力度。

3發展趨勢

隨著通用大型有限元軟件的迅速發展以及計算機技術的廣泛應用，使得汽車傳動軸的優化設計更加合理與便捷，提高設計效率，降低設計成本，使得汽車傳動軸的改進設計前景變得更加廣闊。

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