基于强度潜力充分发挥的轿车传动轴轻量化研究开发

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 3.2MB 66 页 15积分

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摘要

当今越来越恶化的气候环境、日益紧缺的能源宣告了汽车在推动全球经济发

展的同时，对环境和能源构成了极大的威胁。节能减排、低碳时代已成为整个汽

车产业链上的紧迫课题，而减轻汽车自身重量（即汽车轻量化）是实现节能减排

的重要手段和方法。本文针对我国某一自主研发的燃料电池轿车减重需要，提出

了一种基于强度潜力充分发挥的轿车传动轴轻量化设计方法。

这种方法的核心是利用材料的低载强化特性，并结合标准试验载荷确定传动

轴承载截面。为此，本文研究过程中对传动轴材料及实物试样进行了大量的试验

研究：包括实心传动轴的扭转静强度和疲劳寿命等台架试验，以便对其强度进行

摸底，探索轻量化潜能；国产材料 40Cr 标准试样的静强度和载荷-寿命曲线（P-N

曲线）测定，结合物理试验和数值试验的低载强化定性试验和定量试验，目的是

获取 40Cr 材料在扭转应力下的低载强化特性。

以试验掌握到的零件和材料特性为依据，以试验载荷对应的应力进入材料强

化区间为宗旨，以零件强度潜力充分发挥为目标，提出了用国产材料 40Cr 代替原

特种钢材 UC2，空心轴代替实心轴的轻量化设计。其中给出了两种设计方案，方

案一采用全中空；方案二采取中间部分空心、两头花键部分实心。设计中，结合

静强度计算、疲劳设计和疲劳强度校核，在保证传动轴载荷传递能力的同时，方

案一减重近 19%，方案二减重 40%左右。

最后建立新、旧传动轴的三维模型和有限元模型，进行强度校核、模态对比

分析，验证两种轻量化设计方案的可行性。

本文基于课题组长期研究实践的成果，经过深入分析与探索，提出了具有特

色的汽车结构轻量化设计技术—材料利用最省、强度潜力充分发挥。用材料轻量

化的技术路线，代替国际流行的轻量化材料的技术路线，这也是本文工作的创新

之处。本文的设计方法可推广到车辆乃至其它机械结构的轻量化设计中，具有一

定的借鉴意义。

关键词：轿车传动轴轻量化低载强化 40Cr 材料有限元分析

ABSTRACT

Currently more and more exasperate climate and lack of energy sources declare

that automobiles improve the development of world economic, but meanwhile make

serious thread to environment and energy sources. Energy saving, emission reduction

and low-carbon life have been an emergency task of nowadays auto industry, and self

weight reduction of vehicle (automobile lightweight design) has become an important

way of achieving the task. To realize weight reduction of Fuel Cell Vehicle

manufactured by our country, this paper raises a lightweight design method on drive

shaft which is based on potential strength maximization.

The kernel of method is to determine an adaptive loading section of drive shaft

with combined low amplitude load strengthening characteristics of material and

standard test load. For the reason of that, in the research of the paper, lots of test are

applied on the material and samples of drive shaft: including static torsion strength and

durability rig test of solid drive shaft for detecting potential of weight reduction;

researches on the strength character of local material 40Cr under shear stress, in the way

of determining static strength and load-durability curve (P-N curve) of 40Cr standard

sample, and combine with qualitative test and quantitative test of low amplitude load

strengthening based on physical and numerical test.

According to testing characteristics of parts and material, stress in material

strengthening range is produced by appropriate test load and make the strength potential

of part maximized, local 40Cr can instead of special steel UC2 and hollow shaft is

applied instead of solid body. Two kinds of solutions have been raised, one solution is

full hollow and the other is partial hollow with solid spline. In design process, static

strength calculation, fatigue design and fatigue strength check have been applied. On the

condition of ensuring load transfer performance of drive shaft, the first solution can

achieve about 19% weight reduction and the second one can achieve about 40% weight

reduction.

Finally, the 3D and FEA models of new and old drive shafts have been built. And

then the feasibilities of two weight reduction solutions are checked by strength

calculation and modal comparison analysis.

Based on long-term researches and practices of our sturdy group, this paper

explores a unique and innovated design technology for automobile structure lightweight

design — less use of build material, better utilized strength capacity. It offers an

alternative technological route to the international popular approach of lightweight

materials. The design provides technological reference for the structural lightweight

design of vehicles and other machineries.

Key Words: Automobile Drive Shaft, Lightweight Design, Low

Amplitude Load Strengthening, 40Cr, FEA

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 课题研究背景、意义及来源 .................................... 1

§1.1.1 课题研究背景及意义 ....................................... 1

§1.1.2 课题来源 ................................................. 3

§1.2 国内外研究现状 .............................................. 3

§1.2.1 汽车轻量化技术实施途径 ................................... 3

§1.2.2 国内外汽车轻量化发展现状 ................................. 4

§1.2.3 轿车传动轴轻量化技术 ..................................... 6

§1.3 本文研究的主要内容 .......................................... 8

第二章传动轴结构设计开发的强度基础 ................................. 10

§2.1 轿车传动轴的结构 ........................................... 10

§2.1.1 燃料电池轿车传动系概述 .................................. 11

§2.1.2 等速万向节总成结构 ...................................... 11

§2.2 传动轴的使用载荷环境 ....................................... 12

§2.3 材料疲劳问题 ............................................... 14

§2.3.1 疲劳概述及其重要性 ...................................... 14

§2.3.2 疲劳发展史 .............................................. 14

§2.3.3 金属的疲劳破坏微观机理 .................................. 15

§2.3.4 材料的 S-N 曲线 .......................................... 16

§2.3.5 影响机械零件疲劳强度的因素 .............................. 16

§2.3.6 金属材料的低载强化特性 .................................. 19

§2.4 有限元分析方法 ............................................. 20

§2.5 形状改变比能强度理论 ....................................... 21

§2.6 模态分析理论 ............................................... 22

§2.7 本章小结 ................................................... 23

第三章传动轴台架试验研究 ........................................... 24

§3.1 实心传动轴性能试验 ......................................... 24

§3.1.1 静强度试验 .............................................. 24

§3.1.2 疲劳寿命试验 ............................................ 26

§3.2 40Cr 标准试样的低载强化试验 .................................28

§3.2.1 试验大纲 ................................................ 28

§3.2.2 静强度试验 .............................................. 29

§3.2.3 载荷-寿命曲线测定 ....................................... 29

§3.2.4 低载强化定性试验 ........................................ 30

§3.2.5 低载强化定量试验 ........................................ 32

§3.3 本章小结 ................................................... 35

第四章轿车传动轴轻量化设计 ......................................... 37

§4.1 传动轴的基本参数 ........................................... 37

§4.2 传动轴的载荷、应力特征 ..................................... 37

§4.3 传动轴轻量化设计方案的确立 ................................. 40

§4.4 传动轴的轻量化设计 ......................................... 40

§4.4.1 轻量化设计方案一 ........................................ 41

§4.4.2 轻量化设计方案二 ........................................ 46

§4.5 空心传动轴加工工艺 ......................................... 49

§4.6 本章小结 ................................................... 49

第五章轿车传动轴强度验证 ........................................... 50

§5.1 传动轴三维实体建模 ......................................... 50

§5.2 传动轴有限元模型建立 ....................................... 51

§5.2.1 有限元网格划分 ......................................... 51

§5.2.2 材料特性与单元属性设置 ................................. 52

§5.2.3 边界条件建立 ........................................... 52

§5.3 传动轴强度校核 ............................................. 53

§5.4 传动轴模态对比分析 ......................................... 54

§5.5 本章小结 ................................................... 56

第六章结论与展望 ................................................... 57

§6.1 研究结论 ................................................... 57

§6.2 本文创新点 ................................................. 57

§6.3 研究展望 ................................................... 58

参考文献 ............................................................ 59

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 62

致谢 .............................................................. 63

第一章绪论

§1.1 课题研究背景、意义及来源

§1.1.1 课题研究背景及意义

2010 年，中国汽车产销量双双超过了 1800 万辆，不仅蝉联世界第一，而且

还创造了新的世界纪录，击败 2000 年美国创造的 1740 万辆最高年产销纪录。此

外，中国国家信息中心信息资源开发部透露，近年来，中国汽车保有量逐年增加，

2009 年达到 6300 万辆，2010 年突破 7000 万辆。但是，这一连串熠熠生辉的数字

和“成就”并没有给政府、汽车生产商和汽车运输企业带来太多的喜悦。网站报

刊上一个个硕大的标题“海平面上升”、“沙尘暴”、“石油存储量”冲击着人们的

视野，越来越恶化的气候环境、日益紧缺的能源宣告了汽车在推动全球经济发展

的同时，对环境和能源构成了极大的威胁，节能减排、低碳时代已成为整个汽车

产业链上的紧迫课题。

降低油耗、减少排放有多种手段。研究数据显示：汽车整车重量降低 10%，

燃油消耗可降低 6%～8%，排放降低 5%～6%，而燃油消耗每减少 1 升，CO2排

放量减少 2.45kg[1]，也可从图 1-1 得知，汽车重量与平均油耗成正比例关系。因

此可见，在保障汽车安全性和其它基本性能的前提下，通过减轻汽车自身重量（即

汽车轻量化）是实现节能减排的重要手段和方法。

图1-1 汽车重量与平均油耗的关系示意图

此外，汽车轻量化能行之有效的提高汽车性能。首先，汽车轻量化能明显改

善汽车的行驶性能。轻量化能够降低整车的重心高度，让汽车行驶得更加舒适、

基于强度潜力充分发挥的轿车传动轴轻量化研究开发

平稳。其次，汽车轻量化可以改善汽车的弹性性能。这是因为轻量化能降低振动

和转动零部件的噪声，提高汽车抗侧翻能力。再次，汽车轻量化也是提高汽车被

动安全性的重要途径之一。随着国家正面碰撞和侧面碰撞安全法规的相继出台，

汽车安全性被人们的重视程度也逐年增加，汽车自身重量的减少可有效的缩短刹

车距离，降低碰撞惯性以及碰撞过程中所产生的动能。此外，汽车轻量化能有效

减少汽车的滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力等等，这些都为实现汽车的大功率创

造了可观的条件[2]。

综上可见，汽车轻量化是节约能源，提高燃油经济性和改善汽车性能的基本

途径之一。

但是，在过去的十多年里，由于安全性、舒适性要求的提高，同时混合动力

汽车和新能源汽车的推出都会给汽车带来额外的质量，汽车的质量在逐年增加[3]。

据统计，我国在 2003 年的轿车平均车重为 1150 kg，2007 年约在 1200 kg 左右。

为了节约能源，减轻环境污染，国家发改委在 2007 年底启动的“节能与新能源汽

车技术政策”专项中，把“汽车轻量化技术”作为重要研究的课题之一。我国“十

一•五”国民经济发展纲要曾提出至 2010 年汽车整车质量降低 10%的轻量化目标。

在这种持续增重的形势下要求整车减重 10%，可见可减重结构部件的减重幅度必

须大于 10%，任务极为艰巨。

由于我国生产力水平较低、资源供应紧张且利用率低及竞争力弱等具体国情，

在开展汽车轻量化时必须考虑低成本。低成本的有效途径之一是使材料的强度潜

力充分发挥。无论从国家节约能源和资源方面考虑，还是从企业降低成本考虑，

我国汽车制造企业都应该对材料挖掘强度潜力实现轻量化。特别是对于数量大、

材料消耗多的传动轴类零部件更是如此。但是，迄今缺少结构轻量化设计的实用

技术。

传动轴减重后，传递动力过程中自身造成的功率损耗也随之降低，直接节约

能源。某公司等速万向传动轴由国外设计，采用特种钢材（如 UC2、38B3 等）

制造，强度偏于保守，其材料机械性能和国产普通材料 40Cr 或45 号钢相当，但

是价格明显较高。目前该公司产品市场上占有率达到 50％以上，年生产能力为 310

万车套，即每年需要轴 620 万根以上。若每根降低 0.4 kg，一年就可以节约钢材

2480 吨，经济效益巨大。为了迎合国家和整车厂汽车轻量化的需要，同时降低生

产成本，研究传动轴轻量化设计的具体理论和实用技术成为政府和企业的迫切愿

望。

通过对国产材料 40Cr 传动轴标准试样低载强化特性的试验和研究，用强度级

别相对较弱的材料来替代现有的特种材料，即用低成本的材料代替高成本材料，

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摘要：

摘要当今越来越恶化的气候环境、日益紧缺的能源宣告了汽车在推动全球经济发展的同时，对环境和能源构成了极大的威胁。节能减排、低碳时代已成为整个汽车产业链上的紧迫课题，而减轻汽车自身重量（即汽车轻量化）是实现节能减排的重要手段和方法。本文针对我国某一自主研发的燃料电池轿车减重需要，提出了一种基于强度潜力充分发挥的轿车传动轴轻量化设计方法。这种方法的核心是利用材料的低载强化特性，并结合标准试验载荷确定传动轴承载截面。为此，本文研究过程中对传动轴材料及实物试样进行了大量的试验研究：包括实心传动轴的扭转静强度和疲劳寿命等台架试验，以便对其强度进行摸底，探索轻量化潜能；国产材料40Cr标准试样的静强度和载荷...

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