[发明专利]一种高扭转刚度传动轴的轻量化设计方法

摘要

本发明提供一种高扭转刚度传动轴的轻量化设计方法：将传动轴设为旋锻空心轴，根据装配需要，计算出传动轴两性能约束段的最大外径，将传动轴简化为三段式阶梯轴，取两性能约束段中较小的最大外径为两端段外径；以传动轴中间段外径不大于两端段外径的2倍为约束条件，结合传动轴中间段的外围转动空间，以中间段外径最大化为目标设计出中间段外径；根据旋锻轴原材料的许用扭转强度值及所需的扭转刚度提高比例，设计出三段式阶梯轴各段的内径及重量减轻比例。相对于现有技术的实心轴，本发明能够使传动轴扭转刚度提高近60%，同时能够使重量减轻20%，从而以最低成本提升了整车横向操控稳定性、改善了传动系统的扭转振动、提高了车辆舒适性。

主权项

1.一种高扭转刚度传动轴的轻量化设计方法，所述传动轴为旋锻空心轴，包括固定端、中间段（5）和滑移端，所述固定端与汽车等速万向传动轴总成的固定端等速万向节配合，所述滑移端与汽车等速万向传动轴总成的滑移端等速万向节配合，所述固定端包括第一性能约束段（2），所述滑移端包括第二性能约束段（8）；其特征在于，包括以下步骤：A、根据所述传动轴的实际装配情况，计算出所述第一性能约束段（2）的最大外径d_max和所述第二性能约束段（8）的最大外径d'_max：d_max＝2Rcosα_max-2Lsinα_max-2δ其中，R为固定端等速万向节端面圆半径，α_max为固定端等速万向节最大转角，L为固定端等速万向节回转中心到端面的距离，δ为第一性能约束段（2）上防尘套壁厚；d'_max＝Hcosα'_max-2L'sinα'_max-2δ'其中，H为滑移端等速万向节端面圆直径，α'_max为滑移端等速万向节最大转角，L′为滑移端等速万向节回转中心到端面的距离，δ'为第二性能约束段（8）上防尘套壁厚；B、将所述传动轴简化为三段式阶梯轴，取所述传动轴的中间段（5）的长度为L₂、外径为D₂、内径为d₂，固定端长度为L₁、外径为D₁、内径为d₁，滑移端长度为L₃、外径也为D₁、内径也为d₁；根据所述传动轴与汽车等速万向传动轴总成的固定端等速万向节和滑移端等速万向节的相对位置情况，确定L₁、L₂、L₃的取值；由空心阶梯轴扭转角度的计算公式：得出简化为三段式阶梯轴的所述传动轴的扭转角度的计算公式：公式一其中，G为材料切变模量，n为空心阶梯轴的段数，T_i为阶梯轴第i段上所传递的转矩，L_i为阶梯轴第i段长度，D_i为阶梯轴第i段外圆直径，d_i为阶梯轴第i段内圆直径，T为所述高扭转刚度传动轴所传递的转矩；由公式一推得与所述传动轴的长度相同、外径为D1的实心轴的扭转角度公式二取所述传动轴相对于所述实心轴的扭转刚度提高比例为k₁，即所述实心轴相对于所述传动轴的扭转角度变大比例为k₁，所述传动轴相对于所述实心轴的重量减轻比例为k₂，取所述传动轴的重量为m_空，所述实心轴的重量为m_实，则m_空=(1-k₂)m_实，结合公式一和公式二，得到以下公式：k1=(L1+L2+L3D14)/(L1D14-d14+L2D24-d24+L3D14-d14)-1]]>    公式三k2=1-[L1(D12-d12)+L2(D22-d22)+L3(D12-d12)]/[D12(L1+L2+L3)]]]>    公式四C、将步骤A中d_max和d'_max中较小的值定为D₁值，根据空心阶梯轴的强度要求：得到以下公式：16Tπ(D13-d13)≤[τ]]]>    公式五16Tπ(D23-d23)≤[τ]]]>    公式六其中，[τ]为所述传动轴原材料的许用扭转强度值；另外，取：D₂≤2D₁    公式七由公式七求得D₂的最大值D_2max，将所述中间段外圆与装配空间之间的最小间隙为12mm时的中间段外径尺寸定为将D_2max和中较小的值定为D₂值；自行确定所述传动轴相对于所述实心轴的扭转刚度提高比例的设计目标，即自行确定k₁值；由公式三、公式四和公式五求得k₂在满足三段式阶梯轴的固定端和滑移端的强度要求时的最大值k_2max，由公式三、公式四和公式六求得k₂在满足三段式阶梯轴的中间段的强度要求时的最大值将k_2max和中较小的值定为k₂值；再利用公式三和公式四求得d₁值和d₂值；本步骤中确定的D₁值、D₂值以及求得的d₁值、d₂值即为所述三段式阶梯轴的设计尺寸。