1．目的及意义

1.1研究背景

汽车是现代交通重要工具之一，其结构优化设计是目前汽车制造的重要方向。传动轴是汽车传动系统的关键零部件之一，它是将发动机的旋转运动和扭矩传递给驱动桥以驱动车辆行驶的重要零部件^[1]，在动力传动系统中发挥主要作用，是汽车传动系统中要求严格的受力部件，在外载荷的作用下，汽车传动轴必须有足够的静强度和疲劳强度^[2]。这对汽车传动轴的强度与扭转刚度提出了很高的要求。

传动轴的工作扭矩是设计传动轴时需要考虑的重要因素，确定的传动轴工作扭矩大于实际中的扭矩，则会造成传动系重量增大和资源的浪费；确定的传动轴工作扭矩小于实际中的扭矩，则会出现传动轴变形、断裂等失效模式，导致车辆无法正常行驶^[3]。所以，在设计传动轴时，必须对轴管等部件进行扭矩分析。同时，汽车在运行过程中，传动轴传递转矩的同时会随着旋转产生一定的振动，这种振动的幅度受传动轴自身属性的影响。在一定的转速频率下，传动轴会产生强烈共振^[4]，影响汽车整体的平稳性并对传动轴寿命产生影响。因而在设计传动轴时，应对其进行振动模态分析，对比不同自由模态的振幅、频率等分析结果，来验证传动轴模型的合理性，使结构模型更接近真实实验条件；改变建立的模型参数，对比传动轴管厚度和长度对其参数的影响，为传动轴结构优化分析提供依据^[5]。

本课题主要通过对某一汽车传动轴进行结构设计与分析，以期获得满足强度和刚度要求的汽车传动轴优化结构。

1.2国外传动轴研究现状

国外针对汽车传动轴的研究分析比国内更早一些，如今技术也更为先进。上世纪七十年代就有外国学者探究了卡车的振动情况，对其变速箱与传动装置间的共振问题提出观点，并对转子系统进行了分析，主要研究了该系统连接两个万向节工作时产生的横向振动，得出了万向节传递力矩对系统平稳度的作用情况^[6]。紧接着，又有人注意到传动轴中输入轴和输出轴间的夹角是其弯振和扭振的一种激励源，并且推导出传动轴零件的使用寿命，同时分析了输入轴输出轴的角速度影响，利用拉格朗日动力学和有限元分析法，对各部件进行运动学分析，并列出了系统的运动方程^[7]。利用方程来进行模态计算，推测其固有频率，并通过实验验算，最终两种方法下得出了很好的一致性。在此基础上，Kazuki 对传动轴的材料进行了分析，尝试利用更换材料的方式，调整系统的刚度等影响因素，来降低轴的振动^[8]。由于大多数建模分析软件由外国公司所开发，因此国外对这些建模分析软件的应用也要领先于国内^[9]。例如早在2009年，Delprete 便将传动轴几何简化为简支梁，研究其结构特性，并且利用Matlab 软件模拟计算其扭矩特性，此研究计算过程比较复杂，计算量也很大^[10]。此外，Iqbal也求出了由无摩擦铰链连接的轴的振动幅频，并对其进行了仿真模型分析，他还利用了薄壁梁理论，得出了传动轴振动的固有频率，并给出了其模态振型^[11]。2012 年，RJ Dexter 提出了一种新的有限元计算方法，并完善了更多的边界条件，用来简化已有复杂的模型和计算形式，准确且耗时低^[12]。总而言之，国外对传动轴的研究经过多年的发展已经相当成熟，在理论计算和模态分析方面都拥有很多的经验，许多方面都值得我们学习借鉴。

1.3国内传动轴研究现状

我国汽车行业的高速发展提高了我国汽车传动轴的需求量，与此同时由于本土高技术产品汽车零部件企业面临采购方面的不利境况，目前，我国传动轴市场被GKNDriveline等大型外资企业所控制^[13]。国内对传动轴振动方面的分析起步晚一些，并且早期也没有得到很高的重视，所以技术不是很完善。但近年来，随着汽车工业技术的稳步发展，越来越多的学者和企业都对这方面给予了重视，所以传动轴的研发和制造水平也得以大幅提升^[14]。

上海纳铁福传动系统有限公司的朱卓选提出了将汽车传动轴设计为旋锻 MTS空心轴，并通过详细的理论推导与严格的公式计算推导出旋锻 MTS空心轴相对于现有技术的实心轴，能够使汽车传动轴的扭转刚度提高约 40% ，同时减轻重量约 30%的结论^[15]。