某商用轻卡铝合金传动轴轻量化分析

王宏斌，曾宪波，黄 勤，董勇峰

（江西五十铃汽车有限公司，江西 南昌 330010）

自改革开放以来，中国经济飞速发展，经济总量已经跃升为世界第二，在此背景下，国民用车需求也急速增长，同时国家城乡公路建设日趋完善，新兴电子购物促进了快递行业的蓬勃发展，商用车尤以轻卡车型的销量得到巨大增长。但近年来，轻卡超载事故频发，给人民生命财产安全带来巨大威胁，国家有关部门提出了治理轻卡行业大吨小标问题的行动计划，在保证整车承载性能和结构可靠性能的前提下，各大轻卡主机厂应尽可能减轻整车整备质量。在此背景下，汽车轻量化设计成为全行业竞争高地和重要发展引领方向。轻量化，旨在保证汽车的强度、刚度和安全等性能的前提下，尽可能减轻整备质量，进而提高汽车工作性能，实现低碳绿色可持续发展。传动轴系统，是商用轻卡车型关键动力传递部件，应具备足够的刚度和强度性能，确保整车在高速等各种复杂工况下的运行安全。同时，传动轴本身重量占轻卡动力系统部件重量比例较大，其轻量化性价比很高，开展铝合金传动轴设计和开发应用，能够为绿色环保作出贡献，对解决货运节能减排难题提出了新思路。因此，研究商用轻卡铝合金传动轴轻量化方案具有显著的经济和社会价值。

本文基于轻量化汽车轻量化新技术和测试新方法，运用Hyperworks有限元软件，对某商用轻卡基础钢制传动轴和铝合金传动轴轻量化方案进行了结构优化对比分析。搭建了零部件台架试验设备，进行了铝合金传动轴最大扭转能力分析，同时开展了实车噪声、振动与声振粗糙度（Noise, Vibration and Harshness, NVH）测试分析，并开展了铝合金传动轴轻量化方案CAE分析。试验结果显示，铝合金传动轴方案最大扭转能力与基础钢制传动轴方案相当，铝合金传动轴方案NVH实车性能要优于钢制传动轴，轻量化效果达到12 kg，效果显著。

1 铝合金传动轴轻量化设计与分析

传动轴系统，通常由传动轴、花键轴、滑动叉、中间支承和万向节叉等共同组成，如图1所示。目前国内轻卡车型传动轴通常为45号钢制材料，结构为两段式，钢制传动轴重量约为25 kg。铝合金材料，其密度约为钢材料三分之一，拥有良好的塑性和加工工艺，已经成为轻量化设计中重要的应用材料。本文在传统的钢制传动轴结构基础上，开展了铝合金传动轴方案轻量化设计，由两轴式优化为单轴式，传动轴轴管材料为6061系列铝合金，并采用专业的焊接技术进行连接，铝合金传动轴可以实现减重12 kg。

图1 钢制传动轴和铝合金传动轴

2 铝合金传动轴力学性能试验分析

2.1 铝合金传动轴静扭强度试验分析

图2 铝合金传动轴静扭强度试验及结果

静强度试验，是用于测试零部件的扭转强度性能，如图2所示，本文开展了传统钢制传动轴和铝合金传动轴样件的静扭强度测试，分为A、B两组测试样件，A组为传统钢制传动轴，B组为铝合金传动轴，每组样本量为3件。 本次试验，将传动轴试样安装于静扭强度试验台，不断加大试验激励扭矩，直至传动轴样件出现断裂，采集对应的扭矩值，从而获得传动轴的扭转强度值。试验A钢制传动轴样件屈服扭转强度值分别为2 800 Nm、2 850 Nm和2 832 Nm，试验B铝合金传动轴样件屈服扭转强度值分别为2 770 Nm、2 792 Nm和2 801 Nm，综合可以得出，铝合金传动轴轻量化方案静扭强度与钢制传动轴方案性能相当。

2.2 铝合金传动轴整车NVH性能试验对比分析

轻卡轻量化，旨在通过使用新材料和新结构设计，降低整车整备质量，实现轻卡蓝牌目标。本文在某轻卡整车上，进行钢传动轴和铝合金传动轴NVH实车对比分析。测试中，分别进行4挡和5挡全油门工况下的振动和噪声测试分析，得到如图3所示的测试结果。

图3 钢传动轴和铝合金传动轴NVH测试结果

4挡全油门工况下，铝合金传动轴方案的座椅测点处的振动峰值下降了约4.5倍，而车门噪声两种方案接近。5挡全油门工况下，铝合金传动轴方案的座椅测点处峰值显示，共振风险得到较大规避，且车内噪声压值下降了10 dB，综上，铝合金传动轴方案NVH性能改善效果明显。

3 铝合金传动轴CAE分析

本文采用Hyperworks软件对某商用轻卡铝合金传动轴进行了建模，网格大小为3.5 mm，材料为6061铝合金，开展CAE模态分析，得到如图4所示的分析结果。其中1阶向弯曲模态为47 Hz，二阶向弯曲模态为48 Hz，有效避开了发动机怠速频率26.7 Hz，满足设计目标。

图4 铝合金传动轴CAE模态分析结果

4 结论

轻量化是商用轻卡发展的关键技术方向，促进节能减排目标达成，本文以某主机厂一款单排轻卡车型传动轴为研究对象，采用Hyperworks和Nastran软件，对某商用轻卡基础钢制传动轴和铝合金传动轴轻量化方案进行了结构优化对比分析，由传统的两段式结构优化为整体式，结构更为紧凑，进行了铝合金传动轴最大扭转能力分析，同时开展了实车NVH测试分析，并开展了铝合金传动轴轻量化方案CAE模态分析，结果表明，铝合金传动轴方案力学性能符合设计目标，减重12 kg，效果显著。