卡车传动轴轻量化技术路线概述

于雷，邓大鹏

（富奥汽车零部件股份有限公司传动轴分公司，吉林 长春 130013）

0 引言

在轻量化、电动化、智能网联化的商用车产业转型趋势下，底盘系统及核心零部件面临法规、技术、需求、产业等方面的升级需求[1]。尤其是在排放标准日益严苛的政策环境下，整车对零部件提出了越来越严格的轻量化要求。作为传动系统中连接变速箱和驱动桥，传递扭矩和旋转运动的关键部件，传动轴的轻量化必然成为行业现阶段的主要发展趋势。国内外传动轴企业，围绕着材料轻量化、结构轻量化、拓扑优化设计和有限元分析等新技术，对轻量化开展了广泛的研究，并取得了大量成果。对于如何实现传动轴轻量化，各专业厂要从实际情况出发，选择适合自身产品的轻量化技术路线，尤其在新材料、新结构应用上，要具备轻量化技术储备，以适应日益提高的整车轻量化需求[2]。

1 国外传动轴轻量化技术概述

1.1 复合材料应用轻量化

复合材料因具有加工能耗低、轻质高强、可设计性强、耐锈蚀、成型工艺性好等诸多优点，成为汽车行业“以塑代钢”的理想材料。汽车材料在经历了通用塑料、工程塑料时代之后，在20世纪九十年代进入了复合材料时代。美国摩里逊公司（Morrison Molded Fiber Glass）是最早生产碳纤维复合材料传动轴的公司。其生产的传动轴供通用汽车公司载重汽车应用。福特公司1984年将玻璃纤维材料应用到汽车传动轴领域。应用上，主要采用玻璃纤维增强树脂或将碳纤维作为结构层使玻璃纤维与碳纤维结合使用。GKN公司在1988年开始碳纤维复合材料传动轴的研究。

碳纤维复合材料具有高比强度、比模量，玻璃纤维材料具有高抗扭强度，以上复合材料的力学性能，决定了复合材料除自身降重外，还可实现临界转速提高，从而使用一体式复合材料传动轴替代原两段式金属传动轴，实现轴系布置轻量化[3]。复合材料传动轴还可以提高NVH性能，提高舒适性。碳纤维轴管示意图如图1所示。

图1 碳纤维轴管示意图

1.2 轻质合金材料应用轻量化

2011年，德纳公司（Dana）成功开发Spicer Diamond系列传动轴，采用创新性工艺，将钢制接头与高强度铝合金管结合，制成轻质一体式铝合金传动轴，取代全钢制非一体式传动轴，其重量比传统的两分式传动轴轻40%（见图2）。Diamond 系列传动轴的优点是在多种应用中具有较少的零件、噪音、振动。Spicer Diamond一体式轻质传动轴取消中间支承及轴承，并将连接部件由三件改为两件，实现了轻量化。

图2 Spicer Diamond 一体式传动轴对比示意图

混合材料轻量化，1984年，德纳公司（Dana）为通用跑车生产的一种铝-石墨复合结构，将铝制传动轴管包上一圈玻璃纤维绝缘层，在其上覆盖一层纵向的连续性碳-石墨纤维，之后包一层玻璃纤维保护层，最后按特定工艺使其结合。此轻量化技术使传动轴由原17Kg降至7.2Kg。

1.3 高强度轴管轻量化

日本、德国、美国等发达国家ERW高强度传动轴管应用率在多年前就已达到90%以上，日本住友公司、德国及瑞典普遍应用抗拉强度600～800MPa的高强度轴管。普通材料轴管抗拉强度较低（见图3），高强度ERW传动轴管应用，可以使载重车传动轴管壁厚减薄（见图4），从而实现传动轴轻量化目标。

图3 某普通传动轴管CAE 应力云图

图4 高强度轴管轻量化示意图（δ2 ＜δ1）

1.4 轴管花键轻量化

德纳公司（Dana）花键滑动式轴管（见图5），将两段传动轴轴管加工内外花键，形成滑动花键副配合，减少了花键轴、花键套等中间零件，实现轴系布置轻量化，但承载扭矩较小。

图5 花键滑动式轴管传动轴示意图

1.5 瓦盖式万向节传动轴系

欧美主要卡车品牌斯堪尼亚和万国卡车，在传动轴系统设计上采用瓦盖式万向节（见图6），在中间轴、变速箱输出端与驱动桥输入端采用半圆型叉，从而实现少零件化（减少突缘叉）轴系布置，可实现传动轴系布置轻量化。但此结构整车装配性较差，国内主流车型很少应用。

图6 斯堪尼亚瓦盖式万向节与其它外卡式万向节对比示意图

2 国内传动轴轻量化技术概述

2.1 复合材料轴管轻量化

随着国内碳纤维材料的开发及在航天领域的应用，目前传动轴企业进行碳纤维传动轴研究是一个明确的方向。在卡车传动轴行业，中国第一汽车股份有限公司技术中心进行了某商用车碳纤维增强复合材料（CFRP）传动轴的研发及试制。轴管选用碳纤维T700/增韧环氧树脂，加工采用预浸料搓卷-固化工艺，万向节叉与轴管连接选择过盈配合、高抗剪抽芯铆钉机械式连接。以上方案研发取得了成功并达到了轻量化目标[4-5]。

2.2 轻质合金材料轻量化

2018年东风传动轴公司16根铝合金传动轴交付东风越野车，完成了东风猛士军车装车。该铝合金传动轴材料、成型、焊接、特种工艺等关键技术，实现传动轴降重30%，整车降重12kg。同时降低了转动惯量，提高了传动效率，也提高了整车的NVH性能。

2020年，一汽重型铝合金传动轴开发成功。丹传、远东等公司在铝合金传动轴上也取得了应用成果。万向集团在铝合金传动轴研发方面也进行了前瞻性研究，取得了一些关键技术及专利技术。

2.3 高强度轴管轻量化

经过国内主要钢材厂家的研发，近10年来，高强度轴管目前已在卡车传动轴行业广泛应用，并取得很好的市场表现。尤其是700QZR和750QZR材料轴管的应用，为整车轻量化起了重要作用。

2.4 空心花键轴叉轻量化

空心花键轴叉轻量化，配合摩擦焊工艺实现。目前锻造行业制造技术的发展以及复合锻造工艺的采用，为实现锻造空心花键轴叉提供了技术支持，未来应用前景广阔。

2.5 大直径轴管轻量化

采用大直径轴管，提高传动轴临界转速，轴管采用高强度钢管，精轧工艺提高轴管精度，使传动轴设计长度增长，实现传动轴系一体式布置（一根传动轴替代一根传动轴和一根中间轴），取消中间支承等结构，实现传动轴系布置轻量化。目前已取得批量应用。

2.6 拓扑优化设计及有限元分析

国外汽车厂商很早就已经对产品设计应用了拓扑优化，国内拓扑优化研究较晚，但发展及应用较快。虽然国内拓扑优化应用日趋成熟，但主要研究集中在车架及车身上，在传动轴结构优化应用较少，只有近年研究的新产品上有应用，但已取得较好的效果。

3 结语

技术创新是永不停息、永无止境的。整车、零部件的轻量化，其基础在于提高研发能力，关键在于技术创新，各专业厂只有在轻量化前瞻技术的研发上占得先机，做到技术上开发一代、储备一代，才能在日益激烈的市场竞争中，立于不败之地。

总体来看，目前国内卡车传动轴行业在轻量化技术研究及应用上，与国外主要传动轴企业仍存在较大差距，但近年来差距在逐渐缩小。从轻量化卡车传动轴产品前景上看，碳纤维等复合材料传动轴因其较高比强度、比模量特性，将来在部分高端车型的应用前景广阔。国内各传动轴专业厂在碳纤维等复合材料与钢制件连接工艺上，要进行前瞻研究并取得核心及关键技术上的突破，为复合材料传动轴的大批量应用做好技术储备。