重型商用车传动轴花键轴叉轻量化设计.pdf

10.16638/ki.1671-7988.2023.016.027 10.16638/ki.1671-7988.2023.016.027 重型商用车传动轴花键轴叉轻量化设计 徐 勇（陕西蓝通传动轴有限公司，陕西 西安 710500）摘要：为了实现花键轴叉的轻量化，文章对花键轴叉进行优化设计，采用叉头和厚壁无缝钢管摩擦焊成一体，绘制三维模型，并借助有限元分析软件对传动轴总成进行受力分析，根据分析结果对零件优化改进，并对其进行验证分析，从而保证轻量化花键轴叉的强度满足设计要求。关键词：重型商用车；花键轴叉；摩擦焊；受力分析；有限元分析 中图分类号：U466 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2023)16-134-04 Lightweight Design of Spline Shaft Fork of Heavy Commercial Vehicle Drive Shaft XU Yong(Shaanxi Lantong Drive Shaft Company Limited,Xian 710500,China)Abstract:In order to realize the lightweight of slip shaft yoke,the slip shaft yoke is optimally designed by friction welding of yoke and thick wall seamless steel tube,the 3D model is drawn,and the force of transmission shaft assembly is analyzed by using the finite element analysis.The slip shaft yoke is optimized and improved according to the analysis results,and the verification analysis is carried out to ensure that the strength of lightweight slip shaft yoke meets the design requirements.Keywords:Heavy commercial vehicle;Spline shaft fork;Friction welding;Force analysis;Finite element analysis 传动轴是位于汽车变速箱与驱动桥之间传递动力的部件。为了适应汽车运行时驱动桥上跳与下跳时变速箱与驱动桥之间相对位置的变化，传动轴在结构上设计了可进行长度补偿的滑动花键配合结构。典型的传动轴滑动花键结构是使用花键毂与花键轴叉通过一段长度配合的花键连接进行扭矩载荷的传递。汽车整车轻量化、低成本是汽车行业不断追求的目标。传统的传动轴花键轴叉均采用整体锻造实心结构，较大地增加了传动轴的重量和成本。针对整体实心锻造的花键轴叉进行轻量化设计，改进为叉头和厚壁无缝钢管摩 擦焊成一体，实现花键轴叉由实心变为空心的结构。1 花键轴叉在传动轴总成中的作用及受力分析 1.1 花键轴叉在传动轴总成中的作用 花键轴叉是保证传动轴扭矩传递和相对位置滑动的关键零件，伸缩型传动轴爆炸分解图如图 1所示。在后驱动汽车上，发动机、离合器与变速器作为一个整体安装在车架上，而驱动桥通过弹性悬架与车架相连，通过不平路面时，变速箱和驱动桥之间距离的变化，通过花键轴叉和花键毂作者简介：徐勇（1974），男，硕士，工程师，研究方向为汽车传动轴的设计、加工工艺，E-mail:。第 16 期 徐 勇：重型商用车传动轴花键轴叉轻量化设计 135 的伸缩，实现连接两轴的相对位置变化，并且传递动力。图 1 伸缩型传动轴爆炸分解图 1.2 花键轴叉受力分析与受力计算 传动轴在传递扭矩的过程中花键轴叉承受扭转应力、挤压应力、剪切应力。如图 2 所示。图 2 传动轴花键轴叉受力示意图 现以重型车额定工作扭矩为 15 000 Nm 的传动轴花键轴叉为例进行方案说明。改进前实心花键轴叉计算分析：花键轴叉采用 40Cr 制造，调质处理，扭=260 N/mm2，挤=2550 N/mm2，剪=17.5 35 N/mm2。花键轴叉扭转应力为 扭=16M/D13=222.7 N/mm2260 N/mm2 （1）花键轴叉的挤压应力为 挤=8M/(D22-D21)/Z/L=38.8 N/mm250 N/mm2（2）花键轴叉剪切应力为 剪=4M/(D2+D1)ZLB=16.7 N/mm235 N/mm2（3）式中，D2为花键轴大径，取 74.5 mm；D1为花键毂小径，取 70 mm；Z 为花键齿数，取 28；L 为满载时花键啮合长度，取 170 mm；B 为分度圆齿厚，取 5.226 mm；M 为传动轴额定工作扭矩，取15 000 Nm。计算表明花键轴叉强度满足额定工作扭矩 15 000 Nm 的设计要求。2 花键轴叉轻量化设计方案和分析验证 2.1 轻量化花键轴叉设计方案 1）轻量化传动配套的花键轴叉零件由整体锻造结构创新为叉头和后壁无缝钢管摩擦焊成一体，实现花键轴叉由实心变为空心的结构，如图 3所示。图 3 实心花键轴叉与中空花键轴叉结构示意图 2）为提升中空截面的承载扭矩（弥补摩擦焊缝强度损失），设计增大花键轴外径，相应花键齿数增加 2 齿，平均单齿应力减少，使得同等长度花键强度提高约 14.5%，且轴向伸缩滑动力减少，可降低传动轴售后花键磨损故障。3）重量减轻 2.75 kg，减重比例 22.5%。2.2 轻量化花键轴叉受力分析 1.花键轴叉扭转应力 扭=16M/D13=181 N/mm2260 N/mm2 （4）2.花键轴叉的挤压应力 挤=8M/(D22-D21)/Z/L=36.4 N/mm250 N/mm2（5）3.花键轴叉剪切应力 剪=4M/(D2+D1)ZLB=15.7 N/mm235 N/mm2 （6）式中，D2为花键轴大径，取 79.5 mm；D1为花键毂小径，取 75 mm；Z 为花键齿数，取 30；L 为满载时花键啮合长度，取 158 mm；B 为分度圆齿厚，取 5.226 mm；M 为传动轴额定工作扭矩，取 15 000 Nm。通过计算表明轻量化花键轴叉强度满足额定工作扭矩 15 000 Nm 的设计要求。2.3 轻量化方案 CAE 分析 对传动轴总成（花键轴叉采用中空结构）的静扭工况和疲劳工况进行计算机辅助工程（Com-puter Aided Engineering,CAE）分析，传动轴总成额定工作扭矩 15 000 Nm。如图 4 所示。分析结果，最小安全因子为 1.474，且没有出现在花键轴叉处；疲劳寿命为 4.1e7，出现在万向节总成。136 汽 车 实 用 技 术 2023 年 结论：1）静扭工况中传动轴部件最小安全因子均大于对应材料的强屈比，满足强度设计要求；2）疲劳工况中传动轴的最小疲劳周次1e6，满足疲劳设计要求。(a)静扭工况 (b)疲劳工况 图 4 CAE 不同工况分析 2.4 台架试验验证、整车道路可靠性试验验证 静扭验验示意图如图 5 所示，三次静扭试验结果如表 1 所示。图 5 静扭试验示意图 表 1 三次静扭试验结果 样品编号 屈服扭矩/(Nm)破坏扭矩/(Nm)样品 1 28 800 31 250 样品 2 29 620 31 650 样品 3 29 300 32 080 平均值 29 240 31 660 三次静扭试验均满足设计要求。疲劳试验示意图如图 6 所示，三次疲劳试验结果如表 2 所示。图 6 疲劳试验示意图 表 2 三次疲劳试验结果 样品编号 试验次数/万次 样品状况 样件 4 20.1 未损坏 样件 5 20.1 未损坏 样件 6 20.1 未损坏 三次疲劳试验均满足设计要求。搭载整车进行道路可靠性验证，完成 1.5 万公里道路试验，其中综合路面 1.2 万公里，非综合路面 0.3 万公里。如图 7、图 8 所示。图 7 道路试验里程数据 图 8 搭载传动轴路试车 3 花键轴轻量化的经济社会效益 1）轻量化的设计单根减重 2.75 kg，节约材料成本 21.6 元，一年按 10 万根计算，除去加工费用可节约成本约 120 万元，为制造商带来可观的经济效益，同时节能降耗，降低污染物的排放。第 16 期 徐 勇：重型商用车传动轴花键轴叉轻量化设计 137 2）中空花键轴叉设计增大花键轴外径，相应花键齿数增加 24 齿，平均单齿应力减少，使得同等长度花键强度提升约 14.5%，且轴向伸缩滑动力减少，可降低传动轴售后花键磨损故障，减少售后索赔。3）以牵引车为例，每台车装配 2 根轻量化传动轴，大约减重 6 kg，每年行驶按 180 000 km 计算，每年大约能多挣运输费用 850 元。4 结论 轻量化作为整个汽车行业发展趋势，也是主机厂和零部件的核心竞争力。汽车轻量化传动轴产品开发，应用摩擦焊接新工艺实现产品减重，轻量化效果明显，性能大幅提升，互换性强，完全可以替代现市场所有中、重型伸缩常规传动轴 产品，实现批量化生产，市场应用前景广阔。目前采用中空花键轴叉额定工作扭矩为 15 000 Nm的传动轴已批量应用，其他规格扭矩的也已完成验证，正在批量切换。参考文献 1 张磊.汽车轻量化材料及制造工艺研究现状J.科技展望,2017(3):38.2 武万年,年雪山.汽车轻量化技术发展趋势J.汽车工程师,2017(1):15-17.3 李琪,高兴超.新能源汽车减速器优化设计与仿真分析J.汽车实用技术,2017,42(1):10-11.4 赵崇光,李荣泳,贾学军.有限元法实验计算法相结合的特殊车架结构分析J.机械设计与研究,2019,35(5):131-135.