某商用輕卡鋁合金傳動軸輕量化分析

王宏斌，曾憲波，黃 勤，董勇峰

（江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330010）

自改革開放以來，中國經濟飛速發展，經濟總量已經躍升為世界第二，在此背景下，國民用車需求也急速增長，同時國家城鄉公路建設日趨完善，新興電子購物促進了快遞行業的蓬勃發展，商用車尤以輕卡車型的銷量得到巨大增長。但近年來，輕卡超載事故頻發，給人民生命財產安全帶來巨大威脅，國家有關部門提出了治理輕卡行業大噸小標問題的行動計劃，在保證整車承載性能和結構可靠性能的前提下，各大輕卡主機廠應盡可能減輕整車整備質量。在此背景下，汽車輕量化設計成為全行業競爭高地和重要發展引領方向。輕量化，旨在保證汽車的強度、剛度和安全等性能的前提下，盡可能減輕整備質量，進而提高汽車工作性能，實現低碳綠色可持續發展。傳動軸系統，是商用輕卡車型關鍵動力傳遞部件，應具備足夠的剛度和強度性能，確保整車在高速等各種復雜工況下的運行安全。同時，傳動軸本身重量占輕卡動力系統部件重量比例較大，其輕量化性價比很高，開展鋁合金傳動軸設計和開發應用，能夠為綠色環保作出貢獻，對解決貨運節能減排難題提出了新思路。因此，研究商用輕卡鋁合金傳動軸輕量化方案具有顯著的經濟和社會價值。

本文基于輕量化汽車輕量化新技術和測試新方法，運用Hyperworks有限元軟件，對某商用輕卡基礎鋼制傳動軸和鋁合金傳動軸輕量化方案進行了結構優化對比分析。搭建了零部件臺架試驗設備，進行了鋁合金傳動軸最大扭轉能力分析，同時開展了實車噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise, Vibration and Harshness, NVH）測試分析，并開展了鋁合金傳動軸輕量化方案CAE分析。試驗結果顯示，鋁合金傳動軸方案最大扭轉能力與基礎鋼制傳動軸方案相當，鋁合金傳動軸方案NVH實車性能要優于鋼制傳動軸，輕量化效果達到12 kg，效果顯著。

1 鋁合金傳動軸輕量化設計與分析

傳動軸系統，通常由傳動軸、花鍵軸、滑動叉、中間支承和萬向節叉等共同組成，如圖1所示。目前國內輕卡車型傳動軸通常為45號鋼制材料，結構為兩段式，鋼制傳動軸重量約為25 kg。鋁合金材料，其密度約為鋼材料三分之一，擁有良好的塑性和加工工藝，已經成為輕量化設計中重要的應用材料。本文在傳統的鋼制傳動軸結構基礎上，開展了鋁合金傳動軸方案輕量化設計，由兩軸式優化為單軸式，傳動軸軸管材料為6061系列鋁合金，并采用專業的焊接技術進行連接，鋁合金傳動軸可以實現減重12 kg。

圖1 鋼制傳動軸和鋁合金傳動軸

2 鋁合金傳動軸力學性能試驗分析

2.1 鋁合金傳動軸靜扭強度試驗分析

圖2 鋁合金傳動軸靜扭強度試驗及結果

靜強度試驗，是用于測試零部件的扭轉強度性能，如圖2所示，本文開展了傳統鋼制傳動軸和鋁合金傳動軸樣件的靜扭強度測試，分為A、B兩組測試樣件，A組為傳統鋼制傳動軸，B組為鋁合金傳動軸，每組樣本量為3件。 本次試驗，將傳動軸試樣安裝于靜扭強度試驗臺，不斷加大試驗激勵扭矩，直至傳動軸樣件出現斷裂，采集對應的扭矩值，從而獲得傳動軸的扭轉強度值。試驗A鋼制傳動軸樣件屈服扭轉強度值分別為2 800 Nm、2 850 Nm和2 832 Nm，試驗B鋁合金傳動軸樣件屈服扭轉強度值分別為2 770 Nm、2 792 Nm和2 801 Nm，綜合可以得出，鋁合金傳動軸輕量化方案靜扭強度與鋼制傳動軸方案性能相當。

2.2 鋁合金傳動軸整車NVH性能試驗對比分析

輕卡輕量化，旨在通過使用新材料和新結構設計，降低整車整備質量，實現輕卡藍牌目標。本文在某輕卡整車上，進行鋼傳動軸和鋁合金傳動軸NVH實車對比分析。測試中，分別進行4擋和5擋全油門工況下的振動和噪聲測試分析，得到如圖3所示的測試結果。

圖3 鋼傳動軸和鋁合金傳動軸NVH測試結果

4擋全油門工況下，鋁合金傳動軸方案的座椅測點處的振動峰值下降了約4.5倍，而車門噪聲兩種方案接近。5擋全油門工況下，鋁合金傳動軸方案的座椅測點處峰值顯示，共振風險得到較大規避，且車內噪聲壓值下降了10 dB，綜上，鋁合金傳動軸方案NVH性能改善效果明顯。

3 鋁合金傳動軸CAE分析

本文采用Hyperworks軟件對某商用輕卡鋁合金傳動軸進行了建模，網格大小為3.5 mm，材料為6061鋁合金，開展CAE模態分析，得到如圖4所示的分析結果。其中1階向彎曲模態為47 Hz，二階向彎曲模態為48 Hz，有效避開了發動機怠速頻率26.7 Hz，滿足設計目標。

圖4 鋁合金傳動軸CAE模態分析結果

4 結論

輕量化是商用輕卡發展的關鍵技術方向，促進節能減排目標達成，本文以某主機廠一款單排輕卡車型傳動軸為研究對象，采用Hyperworks和Nastran軟件，對某商用輕卡基礎鋼制傳動軸和鋁合金傳動軸輕量化方案進行了結構優化對比分析，由傳統的兩段式結構優化為整體式，結構更為緊湊，進行了鋁合金傳動軸最大扭轉能力分析，同時開展了實車NVH測試分析，并開展了鋁合金傳動軸輕量化方案CAE模態分析，結果表明，鋁合金傳動軸方案力學性能符合設計目標，減重12 kg，效果顯著。