浅谈汽车传动轴优化设计的研究现状

赵生莲

摘要：从汽车传动轴的国内外研究现状及发展趋势进行了阐述，具有一定的实际参考价值。

关键词：发动机;传动轴;优化设计

1前言

近年来随着汽车工业的蓬勃发展，使得资源匮乏和环境污染问题日益严峻，通过汽车轻量化设计来降低汽车油耗，节省资源，改善环境成为了世界汽车行业共同发展的趋势。

轻量化设计的目的是在保证安全的前提下，以最小的结构重量为目标得到最优的可行方案，将材料性能在安全范围内发挥到极致，提高汽车整车性能。目前，汽车在车身、发动机及底盘的轻量化设计得到了广泛的应用，并取得了很高的成效，但在汽车传动轴方面的轻量化设计这一领域较为薄弱，因此，这一领域在汽车轻量化设计中不可或缺。

传动轴是汽车传动系中传递动力的重要部件，它的作用是连接变速箱和驱动桥将发动机的动力传递给车轮，使汽车产生驱动力。通常使用轻且抗扭性能较好的合金钢管制成。在汽车行驶时，由于悬架变位，变速器与驱动桥的相对位置不断变化，导致传动轴传递动力的工作位置不断发生变化，那么在汽车运行过程中就会不可避免的出现振动现象，使得传动轴传递动力的效率降低并进一步影响乘坐的舒适性，尤其是在高速运转下，对整车性能影响更明显。因为其振动的特殊性，对传动轴材料特性和结构布置有着较高的要求。

随着现代各新型材料的出现，传动轴轻量化设计的技术将逐步得到提升，使其在保证安全的前提下，提升汽车的稳定性和乘坐的舒适性，降低油耗，节省资源，降低环境污染，改善环境，因此，对汽车传动轴轻量化设计的研究具有重要意义。

2国内外研究现状

国外有关学者关于传动轴优化问题比国内研究较早且更成熟，特别是在复合材料传动轴管方面上。国外许多学者在传动轴结构设计、材料、连接方式及生产工艺等方面做了大量的研究工作，所以国外对这方面的研究理论框架和水平也较为成熟。目前学者对传动轴轻量化设计的研究主要以传动轴零部件的结构优化设计和材料轻量化设计两方面为主。

2.1国外研究现状

1984年，福特公司首次将碳纤维复合材料应用于汽车传动轴上，其抗扭强度比传统金属材料高出许多倍，扭矩测试结果也远大于安全设计值。1988年，GKN公司开始研究碳纤维复合材料传动轴，1992年Renault S afrane Quadra传动轴被推出，该传动轴将传统的金属三节式改进为复合材料两节式，减重高达40%;在Toyota Mark II使用的碳纤维传动轴减重达50%，碳纤维的发展一直延续到2011年奔驰欧翼上。

S.A.Mutasher等研究了复合材料不同缠绕方式对传动轴静态扭矩和动力传输能力的影响，发现缠绕角度为45°时静态和动态的最大扭矩高于缠绕角度为90°时的情况。Hak Sung KIM和Dai Gilee使用铝合金和碳环氧复合材料设计了整体式混合传动轴，采用压入法将铝合金构件连接到混合轴上，增加了传动轴的可靠性以及降低了整体制造成本，与传统金属传动轴相比，整体式混合传动轴的质量减少约50%。

2.2国内研究现状

近年来，随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析方法在工程设计和分析中，已成为解决复杂工程计算分析问题的一种有效途径。如今，国内专家学者大都采用有限元分析方法对汽车传动轴进行有限元模态分析和优化设计。如陈科和殷磊等人建立了双联虎克万向节运动方程，分析了轴间夹角及相位角对转角差和瞬时传动比的影响。杨春勇和王增峰等人利用鱼骨图分析传动轴凸缘叉断裂原因，并进行了结构优化和有限元分析。杨丽娜采用拓扑优化方法对转动轴的壁厚进行了减薄设计。储军及徐洪慧等人研究了传动轴工作时应力分布区间与低载强化特性区间的对应关系，并以此获得结构参数，实现了传动轴的轻量化设计。陶雷对两种新型复合材料进行了性能对比分析，对传动轴关键部位材料进行了替换，并结合实际工程进行了校验;南京工程学院尹荣栋等人针对传动轴受到自身以及其他外部激励会引起振动和异响的问题，对传动轴进行模态分析来采取其固有特性参数。并通过对比分析，验证了建立的传动轴有限元模型与有限元模态分析方法的可靠性，为传动轴设计提供了理论依据。

由此可知，我国要实现汽车传动轴的轻量化设计的进程，需要将材料的研发及制造与轻量化技术相结合，这就需要在传动轴材料的研发、结构设计和焊接工艺等方面上加大研发力度。

3发展趋势

随着通用大型有限元软件的迅速发展以及计算机技术的广泛应用，使得汽车传动轴的优化设计更加合理与便捷，提高设计效率，降低设计成本，使得汽车传动轴的改进设计前景变得更加广阔。

参考文献：

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