卡車傳動軸輕量化技術路線概述

于雷，鄧大鵬

（富奧汽車零部件股份有限公司傳動軸分公司，吉林 長春 130013）

0 引言

在輕量化、電動化、智能網聯化的商用車產業轉型趨勢下，底盤系統及核心零部件面臨法規、技術、需求、產業等方面的升級需求[1]。尤其是在排放標準日益嚴苛的政策環境下，整車對零部件提出了越來越嚴格的輕量化要求。作為傳動系統中連接變速箱和驅動橋，傳遞扭矩和旋轉運動的關鍵部件，傳動軸的輕量化必然成為行業現階段的主要發展趨勢。國內外傳動軸企業，圍繞著材料輕量化、結構輕量化、拓撲優化設計和有限元分析等新技術，對輕量化開展了廣泛的研究，并取得了大量成果。對于如何實現傳動軸輕量化，各專業廠要從實際情況出發，選擇適合自身產品的輕量化技術路線，尤其在新材料、新結構應用上，要具備輕量化技術儲備，以適應日益提高的整車輕量化需求[2]。

1 國外傳動軸輕量化技術概述

1.1 復合材料應用輕量化

復合材料因具有加工能耗低、輕質高強、可設計性強、耐銹蝕、成型工藝性好等諸多優點，成為汽車行業“以塑代鋼”的理想材料。汽車材料在經歷了通用塑料、工程塑料時代之后，在20世紀九十年代進入了復合材料時代。美國摩里遜公司（Morrison Molded Fiber Glass）是最早生產碳纖維復合材料傳動軸的公司。其生產的傳動軸供通用汽車公司載重汽車應用。福特公司1984年將玻璃纖維材料應用到汽車傳動軸領域。應用上，主要采用玻璃纖維增強樹脂或將碳纖維作為結構層使玻璃纖維與碳纖維結合使用。GKN公司在1988年開始碳纖維復合材料傳動軸的研究。

碳纖維復合材料具有高比強度、比模量，玻璃纖維材料具有高抗扭強度，以上復合材料的力學性能，決定了復合材料除自身降重外，還可實現臨界轉速提高，從而使用一體式復合材料傳動軸替代原兩段式金屬傳動軸，實現軸系布置輕量化[3]。復合材料傳動軸還可以提高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 輕質合金材料應用輕量化

2011年，德納公司（Dana）成功開發Spicer Diamond系列傳動軸，采用創新性工藝，將鋼制接頭與高強度鋁合金管結合，制成輕質一體式鋁合金傳動軸，取代全鋼制非一體式傳動軸，其重量比傳統的兩分式傳動軸輕40%（見圖2）。Diamond 系列傳動軸的優點是在多種應用中具有較少的零件、噪音、振動。Spicer Diamond一體式輕質傳動軸取消中間支承及軸承，并將連接部件由三件改為兩件，實現了輕量化。

圖2 Spicer Diamond 一體式傳動軸對比示意圖

混合材料輕量化，1984年，德納公司（Dana）為通用跑車生產的一種鋁-石墨復合結構，將鋁制傳動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性碳-石墨纖維，之后包一層玻璃纖維保護層，最后按特定工藝使其結合。此輕量化技術使傳動軸由原17Kg降至7.2Kg。

1.3 高強度軸管輕量化

日本、德國、美國等發達國家ERW高強度傳動軸管應用率在多年前就已達到90%以上，日本住友公司、德國及瑞典普遍應用抗拉強度600～800MPa的高強度軸管。普通材料軸管抗拉強度較低（見圖3），高強度ERW傳動軸管應用，可以使載重車傳動軸管壁厚減薄（見圖4），從而實現傳動軸輕量化目標。

圖3 某普通傳動軸管CAE 應力云圖

圖4 高強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）花鍵滑動式軸管（見圖5），將兩段傳動軸軸管加工內外花鍵，形成滑動花鍵副配合，減少了花鍵軸、花鍵套等中間零件，實現軸系布置輕量化，但承載扭矩較小。

圖5 花鍵滑動式軸管傳動軸示意圖

1.5 瓦蓋式萬向節傳動軸系

歐美主要卡車品牌斯堪尼亞和萬國卡車，在傳動軸系統設計上采用瓦蓋式萬向節（見圖6），在中間軸、變速箱輸出端與驅動橋輸入端采用半圓型叉，從而實現少零件化（減少突緣叉）軸系布置，可實現傳動軸系布置輕量化。但此結構整車裝配性較差，國內主流車型很少應用。

圖6 斯堪尼亞瓦蓋式萬向節與其它外卡式萬向節對比示意圖

2 國內傳動軸輕量化技術概述

2.1 復合材料軸管輕量化

隨著國內碳纖維材料的開發及在航天領域的應用，目前傳動軸企業進行碳纖維傳動軸研究是一個明確的方向。在卡車傳動軸行業，中國第一汽車股份有限公司技術中心進行了某商用車碳纖維增強復合材料（CFRP）傳動軸的研發及試制。軸管選用碳纖維T700/增韌環氧樹脂，加工采用預浸料搓卷-固化工藝，萬向節叉與軸管連接選擇過盈配合、高抗剪抽芯鉚釘機械式連接。以上方案研發取得了成功并達到了輕量化目標[4-5]。

2.2 輕質合金材料輕量化

2018年東風傳動軸公司16根鋁合金傳動軸交付東風越野車，完成了東風猛士軍車裝車。該鋁合金傳動軸材料、成型、焊接、特種工藝等關鍵技術，實現傳動軸降重30%，整車降重12kg。同時降低了轉動慣量，提高了傳動效率，也提高了整車的NVH性能。

2020年，一汽重型鋁合金傳動軸開發成功。丹傳、遠東等公司在鋁合金傳動軸上也取得了應用成果。萬向集團在鋁合金傳動軸研發方面也進行了前瞻性研究，取得了一些關鍵技術及專利技術。

2.3 高強度軸管輕量化

經過國內主要鋼材廠家的研發，近10年來，高強度軸管目前已在卡車傳動軸行業廣泛應用，并取得很好的市場表現。尤其是700QZR和750QZR材料軸管的應用，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，配合摩擦焊工藝實現。目前鍛造行業制造技術的發展以及復合鍛造工藝的采用，為實現鍛造空心花鍵軸叉提供了技術支持，未來應用前景廣闊。

2.5 大直徑軸管輕量化

采用大直徑軸管，提高傳動軸臨界轉速，軸管采用高強度鋼管，精軋工藝提高軸管精度，使傳動軸設計長度增長，實現傳動軸系一體式布置（一根傳動軸替代一根傳動軸和一根中間軸），取消中間支承等結構，實現傳動軸系布置輕量化。目前已取得批量應用。

2.6 拓撲優化設計及有限元分析

國外汽車廠商很早就已經對產品設計應用了拓撲優化，國內拓撲優化研究較晚，但發展及應用較快。雖然國內拓撲優化應用日趨成熟，但主要研究集中在車架及車身上，在傳動軸結構優化應用較少，只有近年研究的新產品上有應用，但已取得較好的效果。

3 結語

技術創新是永不停息、永無止境的。整車、零部件的輕量化，其基礎在于提高研發能力，關鍵在于技術創新，各專業廠只有在輕量化前瞻技術的研發上占得先機，做到技術上開發一代、儲備一代，才能在日益激烈的市場競爭中，立于不敗之地。

總體來看，目前國內卡車傳動軸行業在輕量化技術研究及應用上，與國外主要傳動軸企業仍存在較大差距，但近年來差距在逐漸縮小。從輕量化卡車傳動軸產品前景上看，碳纖維等復合材料傳動軸因其較高比強度、比模量特性，將來在部分高端車型的應用前景廣闊。國內各傳動軸專業廠在碳纖維等復合材料與鋼制件連接工藝上，要進行前瞻研究并取得核心及關鍵技術上的突破，為復合材料傳動軸的大批量應用做好技術儲備。