某汽车中间传动轴轻量化设计研究

对某汽车中间传动轴进行轻量化设计。首先在SolidWorks软件中建立某汽车中间传动轴三维模型，然后导入到workbench中进行结构静力学分析，该中间传动轴所受应力远小于材料的抗扭强度，具有较大的轻量化空间。提出两种不同的轻量化方案对其进行静力学分析，有限元结果显示两种方案都能满足强度要求，且降低了质量；对质量较轻的方案进行基于响应面法的结构优化并进行仿真验证。结果表明，优化后的结构减重46.5%，其固有频率与原始结构接近且满足强度要求，实现了中间传动轴轻量化设计目标。

全球燃油消耗量和环境保护等问题日益突出， 汽车轻量化被认为是实现可持续交通的关键策略之一。

汽车轻量化是通过降低车辆重量及减少燃料消耗的方式来改善燃油经济性、减少尾气排放，并提高车辆的性能、安全性和乘坐舒适性。

现有的文献已经证明了轻量化设计对汽车性能和能效的巨大潜力。减少车身重量可以提高燃油经济性，平均每减少10%的车重，可降低约6%~8%的燃料消耗。此外，轻量化设计还可以提升车辆的操控性能、加速能力和制动效果，提高乘坐舒适性。现有机械结构主要是通过拓扑优化[1] [2]、尺寸优化[3]和结构优化[4]等方法进行轻量化设计。

研究人员对不同车型的车架[5] [6] [7]、轮毂[8] [9] [10] [11]、白车身[12] [13]等基于多种方法进行了轻量化设计，黄心顺[14]对汽车起重机传动轴轻量化设计做出具体论述，提出了轻量化设计方案并校核；张歆伊[15]通过对客车整车模型进行有限元分析，发现结构尺寸优化比更换材料的性能更好。上述研究者针对不同的机械零部件进行设计，均能在满足性能要求的基础上进行减重。

本文建立某汽车中间传动轴三维模型，对极限扭转工况进行静力学分析，根据分析结果对该中间传动轴进行结构优化，并对优化前后的应力、频率进行对比，验证了轻量化方案的可行性。

2. 材料与方法 汽车传动轴的主要作用是将发动机输出的动力传递给驱动轮，以实现车辆的行驶。它通过连接发动机和驱动桥，并传输转动力矩来驱动车辆。传动轴是一个高转速、少支承的旋转体，一般由万向节、中间传动轴、中间支承轴、主传动轴等机件组成[16]。

本文以某汽车传动轴为例， 为了方便分析， 只考虑中间传动轴， 且将中间传动轴不同截面上的花键、轴键、环槽等忽略不计。等截面中间传动轴的直径为24 mm，长度为408 mm，质量为1.4526 Kg，材料为40Gr，调质后该材料的属性见表1。

Table 1. Material properties after 40Gr quenching 表1. 40Gr 调质后材料属性 材料 密度(kg/m3) 杨氏模量(GPa) 泊松比 抗扭刚度(MPa) 40Gr 7870 211 0.277 约900