淺談汽車傳動軸優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀

趙生蓮

摘要：從汽車傳動軸的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢進(jìn)行了闡述，具有一定的實(shí)際參考價值。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機(jī);傳動軸;優(yōu)化設(shè)計(jì)

1前言

近年來隨著汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，使得資源匱乏和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，通過汽車輕量化設(shè)計(jì)來降低汽車油耗，節(jié)省資源，改善環(huán)境成為了世界汽車行業(yè)共同發(fā)展的趨勢。

輕量化設(shè)計(jì)的目的是在保證安全的前提下，以最小的結(jié)構(gòu)重量為目標(biāo)得到最優(yōu)的可行方案，將材料性能在安全范圍內(nèi)發(fā)揮到極致，提高汽車整車性能。目前，汽車在車身、發(fā)動機(jī)及底盤的輕量化設(shè)計(jì)得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了很高的成效，但在汽車傳動軸方面的輕量化設(shè)計(jì)這一領(lǐng)域較為薄弱，因此，這一領(lǐng)域在汽車輕量化設(shè)計(jì)中不可或缺。

傳動軸是汽車傳動系中傳遞動力的重要部件，它的作用是連接變速箱和驅(qū)動橋?qū)l(fā)動機(jī)的動力傳遞給車輪，使汽車產(chǎn)生驅(qū)動力。通常使用輕且抗扭性能較好的合金鋼管制成。在汽車行駛時，由于懸架變位，變速器與驅(qū)動橋的相對位置不斷變化，導(dǎo)致傳動軸傳遞動力的工作位置不斷發(fā)生變化，那么在汽車運(yùn)行過程中就會不可避免的出現(xiàn)振動現(xiàn)象，使得傳動軸傳遞動力的效率降低并進(jìn)一步影響乘坐的舒適性，尤其是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，對整車性能影響更明顯。因?yàn)槠湔駝拥奶厥庑裕瑢鲃虞S材料特性和結(jié)構(gòu)布置有著較高的要求。

隨著現(xiàn)代各新型材料的出現(xiàn)，傳動軸輕量化設(shè)計(jì)的技術(shù)將逐步得到提升，使其在保證安全的前提下，提升汽車的穩(wěn)定性和乘坐的舒適性，降低油耗，節(jié)省資源，降低環(huán)境污染，改善環(huán)境，因此，對汽車傳動軸輕量化設(shè)計(jì)的研究具有重要意義。

2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外有關(guān)學(xué)者關(guān)于傳動軸優(yōu)化問題比國內(nèi)研究較早且更成熟，特別是在復(fù)合材料傳動軸管方面上。國外許多學(xué)者在傳動軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、連接方式及生產(chǎn)工藝等方面做了大量的研究工作，所以國外對這方面的研究理論框架和水平也較為成熟。目前學(xué)者對傳動軸輕量化設(shè)計(jì)的研究主要以傳動軸零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料輕量化設(shè)計(jì)兩方面為主。

2.1國外研究現(xiàn)狀

1984年，福特公司首次將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于汽車傳動軸上，其抗扭強(qiáng)度比傳統(tǒng)金屬材料高出許多倍，扭矩測試結(jié)果也遠(yuǎn)大于安全設(shè)計(jì)值。1988年，GKN公司開始研究碳纖維復(fù)合材料傳動軸，1992年Renault S afrane Quadra傳動軸被推出，該傳動軸將傳統(tǒng)的金屬三節(jié)式改進(jìn)為復(fù)合材料兩節(jié)式，減重高達(dá)40%;在Toyota Mark II使用的碳纖維傳動軸減重達(dá)50%，碳纖維的發(fā)展一直延續(xù)到2011年奔馳歐翼上。

S.A.Mutasher等研究了復(fù)合材料不同纏繞方式對傳動軸靜態(tài)扭矩和動力傳輸能力的影響，發(fā)現(xiàn)纏繞角度為45°時靜態(tài)和動態(tài)的最大扭矩高于纏繞角度為90°時的情況。Hak Sung KIM和Dai Gilee使用鋁合金和碳環(huán)氧復(fù)合材料設(shè)計(jì)了整體式混合傳動軸，采用壓入法將鋁合金構(gòu)件連接到混合軸上，增加了傳動軸的可靠性以及降低了整體制造成本，與傳統(tǒng)金屬傳動軸相比，整體式混合傳動軸的質(zhì)量減少約50%。

2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析方法在工程設(shè)計(jì)和分析中，已成為解決復(fù)雜工程計(jì)算分析問題的一種有效途徑。如今，國內(nèi)專家學(xué)者大都采用有限元分析方法對汽車傳動軸進(jìn)行有限元模態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。如陳科和殷磊等人建立了雙聯(lián)虎克萬向節(jié)運(yùn)動方程，分析了軸間夾角及相位角對轉(zhuǎn)角差和瞬時傳動比的影響。楊春勇和王增峰等人利用魚骨圖分析傳動軸凸緣叉斷裂原因，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和有限元分析。楊麗娜采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對轉(zhuǎn)動軸的壁厚進(jìn)行了減薄設(shè)計(jì)。儲軍及徐洪慧等人研究了傳動軸工作時應(yīng)力分布區(qū)間與低載強(qiáng)化特性區(qū)間的對應(yīng)關(guān)系，并以此獲得結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了傳動軸的輕量化設(shè)計(jì)。陶雷對兩種新型復(fù)合材料進(jìn)行了性能對比分析，對傳動軸關(guān)鍵部位材料進(jìn)行了替換，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了校驗(yàn);南京工程學(xué)院尹榮棟等人針對傳動軸受到自身以及其他外部激勵會引起振動和異響的問題，對傳動軸進(jìn)行模態(tài)分析來采取其固有特性參數(shù)。并通過對比分析，驗(yàn)證了建立的傳動軸有限元模型與有限元模態(tài)分析方法的可靠性，為傳動軸設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

由此可知，我國要實(shí)現(xiàn)汽車傳動軸的輕量化設(shè)計(jì)的進(jìn)程，需要將材料的研發(fā)及制造與輕量化技術(shù)相結(jié)合，這就需要在傳動軸材料的研發(fā)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝等方面上加大研發(fā)力度。

3發(fā)展趨勢

隨著通用大型有限元軟件的迅速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使得汽車傳動軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)更加合理與便捷，提高設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本，使得汽車傳動軸的改進(jìn)設(shè)計(jì)前景變得更加廣闊。

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