王宏斌，曾憲波，黃 勤，董勇峰

（江西五十鈴汽車有限公司，江西 南昌 330010）

自改革開(kāi)放以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，經(jīng)濟(jì)總量已經(jīng)躍升為世界第二，在此背景下，國(guó)民用車需求也急速增長(zhǎng)，同時(shí)國(guó)家城鄉(xiāng)公路建設(shè)日趨完善，新興電子購(gòu)物促進(jìn)了快遞行業(yè)的蓬勃發(fā)展，商用車尤以輕卡車型的銷量得到巨大增長(zhǎng)。但近年來(lái)，輕卡超載事故頻發(fā)，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大威脅，國(guó)家有關(guān)部門(mén)提出了治理輕卡行業(yè)大噸小標(biāo)問(wèn)題的行動(dòng)計(jì)劃，在保證整車承載性能和結(jié)構(gòu)可靠性能的前提下，各大輕卡主機(jī)廠應(yīng)盡可能減輕整車整備質(zhì)量。在此背景下，汽車輕量化設(shè)計(jì)成為全行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)高地和重要發(fā)展引領(lǐng)方向。輕量化，旨在保證汽車的強(qiáng)度、剛度和安全等性能的前提下，盡可能減輕整備質(zhì)量，進(jìn)而提高汽車工作性能，實(shí)現(xiàn)低碳綠色可持續(xù)發(fā)展。傳動(dòng)軸系統(tǒng)，是商用輕卡車型關(guān)鍵動(dòng)力傳遞部件，應(yīng)具備足夠的剛度和強(qiáng)度性能，確保整車在高速等各種復(fù)雜工況下的運(yùn)行安全。同時(shí)，傳動(dòng)軸本身重量占輕卡動(dòng)力系統(tǒng)部件重量比例較大，其輕量化性價(jià)比很高，開(kāi)展鋁合金傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)應(yīng)用，能夠?yàn)榫G色環(huán)保作出貢獻(xiàn)，對(duì)解決貨運(yùn)節(jié)能減排難題提出了新思路。因此，研究商用輕卡鋁合金傳動(dòng)軸輕量化方案具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

本文基于輕量化汽車輕量化新技術(shù)和測(cè)試新方法，運(yùn)用Hyperworks有限元軟件，對(duì)某商用輕卡基礎(chǔ)鋼制傳動(dòng)軸和鋁合金傳動(dòng)軸輕量化方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比分析。搭建了零部件臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行了鋁合金傳動(dòng)軸最大扭轉(zhuǎn)能力分析，同時(shí)開(kāi)展了實(shí)車噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration and Harshness, NVH）測(cè)試分析，并開(kāi)展了鋁合金傳動(dòng)軸輕量化方案CAE分析。試驗(yàn)結(jié)果顯示，鋁合金傳動(dòng)軸方案最大扭轉(zhuǎn)能力與基礎(chǔ)鋼制傳動(dòng)軸方案相當(dāng)，鋁合金傳動(dòng)軸方案NVH實(shí)車性能要優(yōu)于鋼制傳動(dòng)軸，輕量化效果達(dá)到12 kg，效果顯著。

1 鋁合金傳動(dòng)軸輕量化設(shè)計(jì)與分析

傳動(dòng)軸系統(tǒng)，通常由傳動(dòng)軸、花鍵軸、滑動(dòng)叉、中間支承和萬(wàn)向節(jié)叉等共同組成，如圖1所示。目前國(guó)內(nèi)輕卡車型傳動(dòng)軸通常為45號(hào)鋼制材料，結(jié)構(gòu)為兩段式，鋼制傳動(dòng)軸重量約為25 kg。鋁合金材料，其密度約為鋼材料三分之一，擁有良好的塑性和加工工藝，已經(jīng)成為輕量化設(shè)計(jì)中重要的應(yīng)用材料。本文在傳統(tǒng)的鋼制傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，開(kāi)展了鋁合金傳動(dòng)軸方案輕量化設(shè)計(jì)，由兩軸式優(yōu)化為單軸式，傳動(dòng)軸軸管材料為6061系列鋁合金，并采用專業(yè)的焊接技術(shù)進(jìn)行連接，鋁合金傳動(dòng)軸可以實(shí)現(xiàn)減重12 kg。

圖1 鋼制傳動(dòng)軸和鋁合金傳動(dòng)軸

2 鋁合金傳動(dòng)軸力學(xué)性能試驗(yàn)分析

2.1 鋁合金傳動(dòng)軸靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)分析

圖2 鋁合金傳動(dòng)軸靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)及結(jié)果

靜強(qiáng)度試驗(yàn)，是用于測(cè)試零部件的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度性能，如圖2所示，本文開(kāi)展了傳統(tǒng)鋼制傳動(dòng)軸和鋁合金傳動(dòng)軸樣件的靜扭強(qiáng)度測(cè)試，分為A、B兩組測(cè)試樣件，A組為傳統(tǒng)鋼制傳動(dòng)軸，B組為鋁合金傳動(dòng)軸，每組樣本量為3件。 本次試驗(yàn)，將傳動(dòng)軸試樣安裝于靜扭強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)，不斷加大試驗(yàn)激勵(lì)扭矩，直至傳動(dòng)軸樣件出現(xiàn)斷裂，采集對(duì)應(yīng)的扭矩值，從而獲得傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度值。試驗(yàn)A鋼制傳動(dòng)軸樣件屈服扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度值分別為2 800 Nm、2 850 Nm和2 832 Nm，試驗(yàn)B鋁合金傳動(dòng)軸樣件屈服扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度值分別為2 770 Nm、2 792 Nm和2 801 Nm，綜合可以得出，鋁合金傳動(dòng)軸輕量化方案靜扭強(qiáng)度與鋼制傳動(dòng)軸方案性能相當(dāng)。

2.2 鋁合金傳動(dòng)軸整車NVH性能試驗(yàn)對(duì)比分析

輕卡輕量化，旨在通過(guò)使用新材料和新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低整車整備質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕卡藍(lán)牌目標(biāo)。本文在某輕卡整車上，進(jìn)行鋼傳動(dòng)軸和鋁合金傳動(dòng)軸NVH實(shí)車對(duì)比分析。測(cè)試中，分別進(jìn)行4擋和5擋全油門(mén)工況下的振動(dòng)和噪聲測(cè)試分析，得到如圖3所示的測(cè)試結(jié)果。

圖3 鋼傳動(dòng)軸和鋁合金傳動(dòng)軸NVH測(cè)試結(jié)果

4擋全油門(mén)工況下，鋁合金傳動(dòng)軸方案的座椅測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)峰值下降了約4.5倍，而車門(mén)噪聲兩種方案接近。5擋全油門(mén)工況下，鋁合金傳動(dòng)軸方案的座椅測(cè)點(diǎn)處峰值顯示，共振風(fēng)險(xiǎn)得到較大規(guī)避，且車內(nèi)噪聲壓值下降了10 dB，綜上，鋁合金傳動(dòng)軸方案NVH性能改善效果明顯。

3 鋁合金傳動(dòng)軸CAE分析

本文采用Hyperworks軟件對(duì)某商用輕卡鋁合金傳動(dòng)軸進(jìn)行了建模，網(wǎng)格大小為3.5 mm，材料為6061鋁合金，開(kāi)展CAE模態(tài)分析，得到如圖4所示的分析結(jié)果。其中1階向彎曲模態(tài)為47 Hz，二階向彎曲模態(tài)為48 Hz，有效避開(kāi)了發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率26.7 Hz，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4 鋁合金傳動(dòng)軸CAE模態(tài)分析結(jié)果

4 結(jié)論

輕量化是商用輕卡發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)方向，促進(jìn)節(jié)能減排目標(biāo)達(dá)成，本文以某主機(jī)廠一款單排輕卡車型傳動(dòng)軸為研究對(duì)象，采用Hyperworks和Nastran軟件，對(duì)某商用輕卡基礎(chǔ)鋼制傳動(dòng)軸和鋁合金傳動(dòng)軸輕量化方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比分析，由傳統(tǒng)的兩段式結(jié)構(gòu)優(yōu)化為整體式，結(jié)構(gòu)更為緊湊，進(jìn)行了鋁合金傳動(dòng)軸最大扭轉(zhuǎn)能力分析，同時(shí)開(kāi)展了實(shí)車NVH測(cè)試分析，并開(kāi)展了鋁合金傳動(dòng)軸輕量化方案CAE模態(tài)分析，結(jié)果表明，鋁合金傳動(dòng)軸方案力學(xué)性能符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，減重12 kg，效果顯著。