汽車輪轂花鍵理論設計及強度分析*

吳洪杰 ， 李江全 ， 葛志華 ， 王 友

（1.湖北文理學院機械工程學院，湖北 襄陽 441053；2.湖北新火炬科技有限公司，湖北 襄陽 441000）

0 前言

新能源汽車的發展是大勢所趨。Canalys公司分析預測，2028年，新能源汽車的銷售量將達到3 000萬輛左右；2030年，新能源汽車的銷售量將會占全球乘用汽車總量的一半。由于新能源汽車的快速發展，輪轂花鍵又是汽車動力系統中不可缺少的重要傳動零件，可以有效地傳遞輪轂與驅動軸之間的扭矩。因此，對輪轂花鍵的相關參數和力學性能進行研究有著重要意義。羅偉[1]通過研究基本參數、定心、配合量的確定方法，準確地確定了漸開線花鍵的參數。張浩強[2]設置了齒輪的相關參數，利用三維建模軟件進行二次開發，通過對齒輪的相關參數進行修改，獲得了修改后的齒輪模型。薛向珍等[3]探究航天漸開線花鍵副軸向載荷的分布規律，并給出了一種航天漸開線花鍵副齒向修形方法。譚援強等[4]基于有限元法，對漸開線花鍵副的微動摩擦接觸行為進行了分析，得到了接觸壓力和相對滑移的分布規律。賈繼鵬等[5]針對航空浮動漸開線花鍵副在實際工作時存在的軸向浮動及軸向不對中問題，利用ABAQUS軟件對航空浮動漸開線花鍵副的軸向載荷進行了分析。霍啟新等[6]分析航空漸開線花鍵副的動態嚙合力，為設計高性能、高精度、高強度的航空漸開線花鍵副提供了準確的動態力計算方法。耿喜春等[7]基于漸開線花鍵最新國家標準，設計了一款漸開線花鍵幾何參數計算程序，計算結果的準確性和實用性，可為后續花鍵研究提供非常有用的助力。余愛萍等[8]對錐度漸開線花鍵提出了一種更加準確的測繪方法。胡永強[9]闡述了汽車變速器的基本組成、運行特點及作用原理等，對汽車變速器的性能進行可靠性設計分析。目前，有關花鍵連接的研究重點主要放在加工成型上，都是針對花鍵加工方法和鍵齒接觸特點的，對于花鍵自身的研究還是少有人入手。而且大多花鍵由于設計年代久遠，缺少完整設計思路與方法。

綜上所述，本文依據GB/T 3478.1—2008[10]和GB/T 17855—2017[11]，依托2021年襄陽市研究與開發項目“電動車輪轂單元花鍵副設計與應用研究”。對花鍵副開展合理的齒形設計，先明確汽車花鍵設計輸入：力矩、壽命、幾何參數等主要參數，之后開展花鍵副的理論設計計算。采用SolidWorks軟件對花鍵副建立模型，在ABAQUS軟件建立內外花鍵靜力學數值仿真模型，得到花鍵整體應力云圖。基于上述步驟對汽車輪轂花鍵在扭轉力矩下的力學響應進行分析，為日后的實際生產提供有益的理論參考。

1 實例理論設計

1.1 花鍵受力分析

汽車發動機輸出原動力，經由傳動系統將動力傳遞到驅動軸，其作用力由花鍵傳動軸傳遞到輪轂軸承，最后由輪轂將力傳到車輪。車輪和大地之間形成了摩擦力并反饋給車身，車輛則是憑借摩擦力和原動力的作用而實現運動。汽車運動流程如圖1所示。

圖1 汽車運動流程圖

汽車所受的摩擦力或其他外力，會經由輪轂軸承傳導給整車，整車的重力由輪轂軸承施加到輪轂上，而輪轂花鍵副僅僅負責傳輸扭矩。所以，不管汽車在什么運動狀態下，輪轂花鍵副只會受來自驅動軸上沿軸向的扭矩，而不會受到壓軸力矩和彎矩的影響。

1.2 輪轂花鍵選型

目前花鍵的齒形有兩種，分別為矩形花鍵和漸開線花鍵，如圖2所示。漸開線花鍵在負載大、定心精度要求高的工況下得到了廣泛的應用。這是由于漸開線花鍵相較于矩形花鍵有許多優點：齒數多，齒根厚，負載能力大，定心容易，裝配精度高。漸開線花鍵的加工工藝方式是利用冷壓、冷擠等無切屑工藝，這種工藝方式不但制造效率高、精度高，而且還節省金屬材料，可以降低一定的成本。漸開線花鍵幾乎應用在各種同軸傳動和軸轂連接中。因此，汽車輪轂花鍵大多選用漸開線花鍵。

圖2 花鍵基本齒形

1.3 輪轂花鍵副參數設計

課題組所研究的輪轂花鍵副依托于襄陽市研究項目所提供的花鍵副參數。壓力角αD為37.5°，模數m優先采用第一系列，m取1，齒數z為46，結合長度l為25 mm，輪轂花鍵副所承受的最大彎矩Mb為0。基于綠色制造理念及提升產品經濟性的目的，花鍵副的定心方式采用大徑定心，這種方式的定心精度要求嚴格且軸孔加工相對簡單，可以保證內、外花鍵的同軸度很容易實現精準配合。由于汽車輪轂花鍵是用來傳遞扭矩的（不常拆卸），所以花鍵副采用基孔制配合和過盈配合，公差等級按照GB/T 3478.1—2008規定為6級。

1.4 輪轂花鍵副理論計算

本文花鍵副主要齒形參數與強度校核，依據GB/T 3478.1—2008和GB/T 17855—2017來計算。根據研究項目提出的要求，采用Excel軟件對花鍵副進行理論計算。其花鍵主要參數計算結果如表1所示。

表1 漸開線花鍵參數計算

根據上述參數再對其進行強度校核，檢驗所設計的花鍵副是否滿足強度要求，如表2所示。

表2 漸開線花鍵承載能力計算

通過對37.5°圓齒根漸開線花鍵（齒數46、模數1、公差等級6）進行理論計算，發現在理論計算結果下，花鍵副的結構強度是安全的。

2 CAE分析

國標的理論計算是基于修正系數的計算，與實際情況有一定差異性。而使用CAE對其進行分析，相對更加接近實際工況。

2.1 花鍵副的模型建立

根據上文所提供的相關參數，在SolidWorks中建立花鍵副模型。為突出內外花鍵的相互作用，簡化了其他結構，輪轂汽車花鍵副如圖3所示。

圖3 輪轂汽車花鍵副

2.2 花鍵副有限元分析

將在SolidWorks中建立的模型導入ABAQUS軟件中。根據研究項目的設計要求，對花鍵副進行前處理，對其賦予相關的物理參數。將所設定的全部物理參數模型提交到后處理模塊，進行物理分析。最后得出結果，花鍵副應力云圖如圖4所示。

圖4 花鍵副應力云圖

為了突出花鍵鍵齒所受的應力，特地將內花鍵隱藏，只顯示外花鍵。外花鍵云圖如圖5所示。

圖5 外花鍵云圖

通過ABAQUS軟件分析，鍵齒表面的最大應力約為100 MPa。根據上文的國標理論計算齒面正應力為80 MPa，許用應力值為299 MPa。無論是理論計算還是有限元分析，其結果都沒有超過許用應力值，因此，這個零件的結構強度是安全的，滿足實際工況的要求。

3 總結

課題組基于理論推導和有限元分析的技術方法，對所設計的汽車輪轂花鍵（壓力角37.5°、模數1、齒數46），開展參數設計、強度校核等研究。為了確保數據的準確性，結合國標公式使用Excel軟件對相關參數進行計算。最后采用有限元軟件對其進行數值仿真，將理論計算的結果與有限元分析的結果相互結合驗證。設計案例顯示，花鍵副理論計算的結果與有限元分析的結果都符合強度要求，證實課題組提出的方法可以用于花鍵副設計。