汽车轮毂花键理论设计及强度分析*

吴洪杰 ， 李江全 ， 葛志华 ， 王 友

（1.湖北文理学院机械工程学院，湖北 襄阳 441053；2.湖北新火炬科技有限公司，湖北 襄阳 441000）

0 前言

新能源汽车的发展是大势所趋。Canalys公司分析预测，2028年，新能源汽车的销售量将达到3 000万辆左右；2030年，新能源汽车的销售量将会占全球乘用汽车总量的一半。由于新能源汽车的快速发展，轮毂花键又是汽车动力系统中不可缺少的重要传动零件，可以有效地传递轮毂与驱动轴之间的扭矩。因此，对轮毂花键的相关参数和力学性能进行研究有着重要意义。罗伟[1]通过研究基本参数、定心、配合量的确定方法，准确地确定了渐开线花键的参数。张浩强[2]设置了齿轮的相关参数，利用三维建模软件进行二次开发，通过对齿轮的相关参数进行修改，获得了修改后的齿轮模型。薛向珍等[3]探究航天渐开线花键副轴向载荷的分布规律，并给出了一种航天渐开线花键副齿向修形方法。谭援强等[4]基于有限元法，对渐开线花键副的微动摩擦接触行为进行了分析，得到了接触压力和相对滑移的分布规律。贾继鹏等[5]针对航空浮动渐开线花键副在实际工作时存在的轴向浮动及轴向不对中问题，利用ABAQUS软件对航空浮动渐开线花键副的轴向载荷进行了分析。霍启新等[6]分析航空渐开线花键副的动态啮合力，为设计高性能、高精度、高强度的航空渐开线花键副提供了准确的动态力计算方法。耿喜春等[7]基于渐开线花键最新国家标准，设计了一款渐开线花键几何参数计算程序，计算结果的准确性和实用性，可为后续花键研究提供非常有用的助力。余爱萍等[8]对锥度渐开线花键提出了一种更加准确的测绘方法。胡永强[9]阐述了汽车变速器的基本组成、运行特点及作用原理等，对汽车变速器的性能进行可靠性设计分析。目前，有关花键连接的研究重点主要放在加工成型上，都是针对花键加工方法和键齿接触特点的，对于花键自身的研究还是少有人入手。而且大多花键由于设计年代久远，缺少完整设计思路与方法。

综上所述，本文依据GB/T 3478.1—2008[10]和GB/T 17855—2017[11]，依托2021年襄阳市研究与开发项目“电动车轮毂单元花键副设计与应用研究”。对花键副开展合理的齿形设计，先明确汽车花键设计输入：力矩、寿命、几何参数等主要参数，之后开展花键副的理论设计计算。采用SolidWorks软件对花键副建立模型，在ABAQUS软件建立内外花键静力学数值仿真模型，得到花键整体应力云图。基于上述步骤对汽车轮毂花键在扭转力矩下的力学响应进行分析，为日后的实际生产提供有益的理论参考。

1 实例理论设计

1.1 花键受力分析

汽车发动机输出原动力，经由传动系统将动力传递到驱动轴，其作用力由花键传动轴传递到轮毂轴承，最后由轮毂将力传到车轮。车轮和大地之间形成了摩擦力并反馈给车身，车辆则是凭借摩擦力和原动力的作用而实现运动。汽车运动流程如图1所示。

图1 汽车运动流程图

汽车所受的摩擦力或其他外力，会经由轮毂轴承传导给整车，整车的重力由轮毂轴承施加到轮毂上，而轮毂花键副仅仅负责传输扭矩。所以，不管汽车在什么运动状态下，轮毂花键副只会受来自驱动轴上沿轴向的扭矩，而不会受到压轴力矩和弯矩的影响。

1.2 轮毂花键选型

目前花键的齿形有两种，分别为矩形花键和渐开线花键，如图2所示。渐开线花键在负载大、定心精度要求高的工况下得到了广泛的应用。这是由于渐开线花键相较于矩形花键有许多优点：齿数多，齿根厚，负载能力大，定心容易，装配精度高。渐开线花键的加工工艺方式是利用冷压、冷挤等无切屑工艺，这种工艺方式不但制造效率高、精度高，而且还节省金属材料，可以降低一定的成本。渐开线花键几乎应用在各种同轴传动和轴毂连接中。因此，汽车轮毂花键大多选用渐开线花键。

图2 花键基本齿形

1.3 轮毂花键副参数设计

课题组所研究的轮毂花键副依托于襄阳市研究项目所提供的花键副参数。压力角αD为37.5°，模数m优先采用第一系列，m取1，齿数z为46，结合长度l为25 mm，轮毂花键副所承受的最大弯矩Mb为0。基于绿色制造理念及提升产品经济性的目的，花键副的定心方式采用大径定心，这种方式的定心精度要求严格且轴孔加工相对简单，可以保证内、外花键的同轴度很容易实现精准配合。由于汽车轮毂花键是用来传递扭矩的（不常拆卸），所以花键副采用基孔制配合和过盈配合，公差等级按照GB/T 3478.1—2008规定为6级。

1.4 轮毂花键副理论计算

本文花键副主要齿形参数与强度校核，依据GB/T 3478.1—2008和GB/T 17855—2017来计算。根据研究项目提出的要求，采用Excel软件对花键副进行理论计算。其花键主要参数计算结果如表1所示。

表1 渐开线花键参数计算

根据上述参数再对其进行强度校核，检验所设计的花键副是否满足强度要求，如表2所示。

表2 渐开线花键承载能力计算

通过对37.5°圆齿根渐开线花键（齿数46、模数1、公差等级6）进行理论计算，发现在理论计算结果下，花键副的结构强度是安全的。

2 CAE分析

国标的理论计算是基于修正系数的计算，与实际情况有一定差异性。而使用CAE对其进行分析，相对更加接近实际工况。

2.1 花键副的模型建立

根据上文所提供的相关参数，在SolidWorks中建立花键副模型。为突出内外花键的相互作用，简化了其他结构，轮毂汽车花键副如图3所示。

图3 轮毂汽车花键副

2.2 花键副有限元分析

将在SolidWorks中建立的模型导入ABAQUS软件中。根据研究项目的设计要求，对花键副进行前处理，对其赋予相关的物理参数。将所设定的全部物理参数模型提交到后处理模块，进行物理分析。最后得出结果，花键副应力云图如图4所示。

图4 花键副应力云图

为了突出花键键齿所受的应力，特地将内花键隐藏，只显示外花键。外花键云图如图5所示。

图5 外花键云图

通过ABAQUS软件分析，键齿表面的最大应力约为100 MPa。根据上文的国标理论计算齿面正应力为80 MPa，许用应力值为299 MPa。无论是理论计算还是有限元分析，其结果都没有超过许用应力值，因此，这个零件的结构强度是安全的，满足实际工况的要求。

3 总结

课题组基于理论推导和有限元分析的技术方法，对所设计的汽车轮毂花键（压力角37.5°、模数1、齿数46），开展参数设计、强度校核等研究。为了确保数据的准确性，结合国标公式使用Excel软件对相关参数进行计算。最后采用有限元软件对其进行数值仿真，将理论计算的结果与有限元分析的结果相互结合验证。设计案例显示，花键副理论计算的结果与有限元分析的结果都符合强度要求，证实课题组提出的方法可以用于花键副设计。