CN111853042A - 一种复合结构的铝合金传动轴总成及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明对原有零件材料刚度提升和部分零件采用铝合金材料并进行轻量化设计，同时采用铝合金轴管后，总成的临界转速提高，一方面使用一根复合结构传动轴总成替代原有多根(前、后)钢质传动轴总成有可能，实现轻量化和降成本要求；另一方面如果整车布置不能实现一根铝合金传动轴替代原来两根钢质传动轴的话，同样可以实现铝合金材料在前传动轴总成的应用。另外在前传上采用低动静比刚度的中间支承总成，提高了传动轴减振降噪性能，进一步提升传动轴总成品质。本发明所述的新复合结构的铝合金传动轴总成适合专业化和大批量生产，生产成本进一步降低。

Description

一种复合结构的铝合金传动轴总成及其生产方法

技术领域

本发明涉及汽车传动系统零部件领域，更具体地，涉及一种复合 结构的铝合金传动轴总成及其生产方法。

背景技术

汽车传动轴总成是载重汽车的安保件，主要将发动机的输出扭矩 通过变速箱、传动轴总成传递到后桥，驱动车辆行驶。随着国家环保 政策和节能减排持续升级，整车的轻量化及燃油经济性越来越受到关 注，如何减轻零件质量、降低油耗是各主机厂重点关注的问题。

传统钢质传动轴总成采用电焊空心钢管和两端的分总成零件焊接 而成，根据整车布置和传动轴总成实际使用工况，一般由1-4根传动轴 组成，即由1-3根前传动轴总成(以下简称前传)和一根后传动轴总成 (以下简称后传)、或一根单独的后传组成。前传长度尺寸固定，后 传有滑动花键副，以实现总成长度的不断变化满足整车在行驶过程中 传递扭矩的要求。如图1所示，传统的钢质前传动轴总成功能图、如 图2所示，钢质后传动轴总成功能图。

近几年来，为减轻传动轴总成质量，国内有部分客户将传动轴总 成上部分零件的材质改为铝合金材料，更改为铝合金材料后，在一定 程度上能实现轻量化，但材料成本却大幅上升。特别是对于前传动轴 总成，由于受铝合金材料强度性能的局限性，为满足总成强度要求， 按照与钢质传动轴总成强度等同的原则，铝合金花键轴的轴径部位尺 寸会增大很多，导致轴承规格、橡胶用料及中间支承支架的连接尺寸 与整车厂接口尺寸严重不匹配，故铝合金花键轴零件无法在前传上使 用。

因此，常规的低成本、轻量化技术方案为：

在铝合金传动轴总成设计时尽量保证一定长度内，用一根铝合金 传动轴后传总成替代原有的钢质前传和后传，达到既减轻重量、又降 低成本的目的。同时，由于受总成极限转速和装配回转空间的影响， 这种规格的传动轴总成在长度上受一定的限制，根据理论计算，长度 一般不超过2800-3000mm，不同扭矩平台的产品所能装配的最长长度 不同。随之带来的是超过此尺寸的传动轴总成无法使用铝合金材料， 进而无法实现产品型谱的全覆盖。

但对于超过单根制作极限长度的铝合金传动轴总成，只能采用原 有前传加后传的布置方式，通过特殊工艺对钢铝材料进行复合，提高 产品的技术经济性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种新式复合结构的铝合金传动 轴总成及其加工方法。

根据本发明的一个方面，提供一种复合结构的铝合金传动轴总成， 包括铝合金轴管、钢铝复合万向节叉和钢铝复合体，所述钢铝复合万 向节叉和所述钢铝复合体分别摩擦式焊接在所述铝合金轴管的两侧， 所述钢铝复合万向节叉包括钢质万向节叉、铝合金连接套和连接体， 所述铝合金连接套通过锻造方式套装至所述钢质万向节叉的外圆面上， 并在所述钢质万向节叉的端面与所述铝合金连接套之间装设有所述连 接体，所述铝合金连接套与所述铝合金轴管焊接。

在上述方案基础上优选，所述钢铝复合体包括铝合金套、钢质轴 管和连接体，所述铝合金套通过锻造方式套装至所述钢质轴管的外圆 面上，并在所述钢质轴管的端面与所述铝合金套之间通过所述连接体 以锁紧，所述铝合金套与所述铝合金轴管焊接。

在上述方案基础上优选，所述钢质轴管的外圆面上装设有中间支 承总成，并在所述钢质轴管的自由端装设有凸缘，所述凸缘端面装设 有锁紧垫圈并通过锁紧螺栓以锁紧。

在上述方案基础上优选，还包括钢质花键轴叉，所述钢质花键轴 叉上装设有护套管油封总成，所述护套管油封总成的内圆面与所述钢 质花键轴叉的外圆面形成间隙，所述钢质花键轴叉与所述钢质轴管形 成滑动花键副，所述钢质花键轴叉的自由端装设有万向节总成和凸缘 叉。

在上述方案基础上优选，所述连接体为锁紧螺钉或连接花键。

本发明还提供了一种生产如上所述的复合结构的铝合金传动轴总 成的方法，包括以下步骤：

步骤A1，依据设计尺寸分别加工钢铝复合万向节叉、钢铝复合体 和铝合金轴管；

步骤A2，将与所述钢铝复合万向节叉、钢铝复合体定位在所述铝 合金轴管的两端，同时，对所述铝合金轴管与所述钢铝复合万向节叉、 所述铝合金轴管与所述钢铝复合体进行摩擦焊接。

在上述方案基础上优选，所述步骤A1中钢铝复合万向节叉的加工 步骤如下：

步骤A11，根据设计对铝合金棒料下料，对铝合金棒料进行自由锻， 以达到工艺尺寸后冷却；

步骤A12，对冷却后的锻件进行车内孔，以达到设计尺寸要求；

步骤A13，将步骤A12的铝合金半成品与所述钢质万向节叉进行 装配结合，并对其整体进行加热至435～425℃，保温2小时，且加热 过程中，升温速度低于200℃/h；

步骤A14，将加热好的组合件放入模具中锻造成型，锻造完成后， 确保铝合金半成品与所述钢质万向节叉之间不松动；

步骤A15，对A14获得的材料进行T6固溶处理，固溶处理的温度 为548±5℃，保温4小时，然后进行水冷；T6时效温度为160～170℃ ，保温12小时，空冷，所述铝合金半成品与所述钢质万向节叉之间 不松动，且硬度≥115HB；

步骤A16，对步骤A15获得的锻造组合件毛坯飞边进行切除。

与现有技术相比较，本发明具备以下技术效果：

1、通过钢铝复合花键轴，解决了在前传动轴总成不能直接使用铝 合金花键轴的问题，达到轻量化要求；

2、通过钢铝复合锻造工艺，降低铝合金传动轴总成上铝材料的使 用量，同时对原有钢质零件进行优化设计、钢质零件采用屈服强度大 于1400MPa的高强度材料，达到与原有铝合金同等重量要求，具有与 铝合金传动轴总成同样的燃油经济性。

3、特别是传动轴轴管采用铝合金轴管后，由于增大了轴管直径， 根据极限转速计算理论，轴管直径增大后能够使单根传动轴总成的能 制造的长度增加，用一根复合结构传动轴总成替代原有两根钢质前传 动轴变为现实，节省零件、综合成本能降低25％以上；

4、采用钢铝复合工艺后，根据不同的铝合金长度装配要求，既可 以用一根铝合金传动轴总成替代原来的一根前传和一根后传；也可以 采用轻量化的铝合金前传和铝合金后传的布置方式，整车传动轴布置 方式更广泛。

附图说明

图1为传统的前传动轴总成结构示意图；

图2为后传动轴总成的结构示意图；

图3为本发明的复合结构的铝合金传动轴总成(前传)结构示意 图；

图4为本发明的复合结构的铝合金传动轴总成(后传)结构示意 图；

图5为本发明的复合结构的铝合金传动轴总成的工艺流程图；

图6为本发明的铝合金轴管的胚料锻造结构图

图7为本发明的铝合金轴管的胚料车工加工后的结构图；

图8为本发明的铝合金半成品与钢质万向节叉装配图；

图9为本发明的铝合金半成品与钢质万向节叉的锻造后装配图；

图中：11、凸缘叉83；12、万向节总成；13、卡圈；、14、万向 节叉(钢质)；15、轴管(钢质)；6、花键轴(钢质)；17、中间支 承总成；18、滑脂嘴；19、凸缘；110、锁紧垫圈；110、锁紧螺栓； 21、凸缘叉83；22、万向节总成；23、卡圈；24、花键轴叉；25、护 套管油封总成；26、滑脂嘴；27、滑动套；28、轴管、29、万向节叉； 40、铝合金轴管；；50、钢铝复合万向节叉；51、钢质万向节叉；52、 铝合金连接套；53、连接体；54、万向节总成；55、凸缘叉；60、钢 铝复合体；61、铝合金套；62、钢质轴管；70、中间支承总成；71、 凸缘；72、锁紧垫圈；73、锁紧螺栓；80、钢质花键轴叉；81、护套 管油封总成；82、万向节总成；83、凸缘叉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细 描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参阅图3和图4所示，本发明的一种复合结构的铝合金传动轴 总成，包括铝合金轴管40、钢铝复合万向节叉50和钢铝复合体60， 其中，钢铝复合万向和钢铝复合体60分别摩擦式焊接在铝合金轴管40 的两侧，钢铝复合万向节叉50包括钢质万向节叉51、铝合金连接套 52和连接体53，铝合金连接套51通过锻造方式套装至钢质万向节叉 51的外圆面上，以实现两种不同材质的金属连接，并在钢质万向节叉 51的端面与铝合金连接套52之间装设有连接体53，通过连接体53的 作用进一步保证不同材质的两个零件，即钢质万向节叉51的端面与铝 合金连接套52之间的连接可靠性，铝合金连接套52与铝合金轴管40 焊接，而钢质万向节叉51的自由端装设有万向节总成54和凸缘叉55。

作为本发明的第一种优选实施例，本发明的钢铝复合体60包括铝 合金套61、钢质轴管62和连接体53，铝合金套61通过锻造方式套装 至钢质轴管62的外圆面上，并在钢质轴管62的端面与铝合金套61之 间通过连接体53以锁紧，铝合金套61与铝合金轴管40焊接。且钢质 轴管62的外圆面上装设有中间支承总成70，并在钢质轴管62的自由 端装设有凸缘71，凸缘71端面装设有锁紧垫圈72并通过锁紧螺栓73 以锁紧，具体结构如图3所示。

在本发明的另一优选实施例中，如图4所示，本发明还包括钢质 花键轴叉80，钢质花键轴叉80上装设有护套管油封总成81，护套管 油封总成81的内圆面与钢质花键轴叉80的外圆面形成间隙，钢质花 键轴叉80与滑动套62形成滑动花键副，钢质花键轴叉80的自由端装 设有万向节总成82和凸缘叉55。

值得说明的是，本发明上述提到的连接体53可以是锁紧螺钉也可 以是连接花键。

本发明对原有零件材料刚度提升和部分零件采用铝合金材料并进 行轻量化设计，同时采用铝合金轴管40后，总成的临界转速提高，一 方面使用一根复合结构传动轴总成替代原有多根(前、后)传动轴总 成有可能，实现轻量化和降成本要求；另一方面如果整车布置不能实 现一根铝合金传动轴替代原来两根钢质传动轴的话，同样可以实现铝 合金材料在前传动轴总成的应用。另外采用低动静比刚度的中间支承 总成，提高了传动轴减振降噪性能，进一步提升传动轴总成品质。本 发明所述的新复合结构的铝合金传动轴总成适合专业化和大批量生产， 生产成本进一步降低。

本发明还提供了一种生产如上的复合结构的铝合金传动轴总成的 方法，包括以下步骤：

步骤A1，依据设计尺寸分别加工钢铝复合万向节叉50、钢铝复合 体60和铝合金轴管40；

步骤A2，将与钢铝复合万向节叉50、钢铝复合体60定位在铝合 金轴管40的两端，同时，对铝合金轴管40与钢铝复合万向节叉50、 铝合金轴管与钢铝复合体60进行摩擦焊接；

步骤A3，在钢铝复合体60装配万向节总成82、凸缘叉55，亦或在 钢铝复合体60上装设中间支承总成70、凸缘71、锁紧垫圈72及锁紧螺 栓73；

步骤A4，总成进行动平衡、焊接平衡块。

进一步的，在本发明的步骤A1中钢铝复合万向节叉50的加工步 骤如下：

步骤A11，根据设计对铝合金棒料下料，对铝合金棒料进行自由锻， 保证高度尺寸，锻件表面无裂纹、夹层及缺肉等缺陷，如图7所示， 以达到工艺尺寸后冷却；

步骤A12，对冷却后的锻件进行车内孔，表面粗糙度不低于Ra1.6， 以达到设计尺寸要求，如图7所示；

步骤A13，将步骤A12的铝合金半成品与钢质万向节叉51进行装 配结合，如图8所示，由于铝合金在锻造时存在摩擦力大、黏附力强， 流动性差和变形抗力较大等问题，根据所选铝合金的塑性图和变形抗 力图，确定铝合金的锻造适合温度范围，对其整体进行加热至 435～425℃，保温2小时，且加热过程中，升温速度低于200℃/h， 保证在锻造后获得均匀且细小的再结晶组织，保证铝锻件的力学及物 理性能；

步骤A14，将加热好的组合件放入模具中锻造成型，锻造完成后， 确保铝合金半成品与钢质万向节叉51之间不松动；

步骤A15，对A14获得的材料进行T6固溶处理，固溶处理的温度 为548±5℃，保温4小时，然后进行水冷；T6时效温度为160～170℃ ，保温12小时，空冷，铝合金半成品与钢质万向节叉51之间不松动， 且硬度≥115HB；

步骤A16，对步骤A15获得的锻造组合件毛坯飞边进行切除。

本发明的钢铝复合体60的加工工艺，参阅钢铝复合万向节叉50 的工艺，在此不再赘述。

与现有技术相比较，本发明具备以下技术效果：

1、通过钢铝复合花键轴，解决了在前传动轴总成不能直接使用铝 合金花键轴的问题，达到轻量化要求；

2、通过钢铝复合锻造工艺，降低铝合金传动轴总成上铝材料的使 用量，同时对原有钢质零件进行优化设计、钢质零件采用屈服强度大 于1400MPa的高强度材料，达到与原有铝合金同等重量要求，具有与 铝合金传动轴总成同样的燃油经济性。

3、特别是传动轴轴管采用铝合金轴管40后，由于增大了轴管直 径，根据极限转速计算理论，轴管直径增大后能够使单根传动轴总成 的能制造的长度增加，用一根复合结构传动轴总成替代原有两根钢质 前传动轴变为现实，节省零件、综合成本能降低25％以上；

4、采用钢铝复合工艺后，根据不同的铝合金长度装配要求，既可 以用一根铝合金传动轴总成替代原来的一根前传和一根后传；也可以 采用轻量化的铝合金前传和铝合金后传的布置方式，整车传动轴布置 方式更广泛。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明 的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同 替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种复合结构的铝合金传动轴总成，其特征在于，包括铝合金轴管、钢铝复合万向节叉和钢铝复合体，所述钢铝复合万向节叉和所述钢铝复合体分别摩擦式焊接在所述铝合金轴管的两侧，所述钢铝复合万向节叉包括钢质万向节叉、铝合金连接套和连接体，所述铝合金连接套通过锻造方式套装至所述钢质万向节叉的外圆面上，并在所述钢质万向节叉的端面与所述铝合金连接套之间装设有所述连接体，所述铝合金连接套与所述铝合金轴管焊接。

2.如权利要求1所述的一种复合结构的铝合金传动轴总成，其特征在于，所述钢铝复合体包括铝合金套、钢质轴管和连接体，所述铝合金套通过锻造方式套装至所述钢质轴管的外圆面上，并在所述钢质轴管的端面与所述铝合金套之间通过所述连接体以锁紧，所述铝合金套与所述铝合金轴管焊接。

3.如权利要求2所述的一种复合结构的铝合金传动轴总成，其特征在于，所述钢质轴管的外圆面上装设有中间支承总成，并在所述钢质轴管的自由端装设有凸缘，所述凸缘端面装设有锁紧垫圈并通过锁紧螺栓以锁紧。

4.如权利要求2所述的一种复合结构的铝合金传动轴总成，其特征在于，还包括钢质花键轴叉，所述钢质花键轴叉上装设有护套管油封总成，所述护套管油封总成的内圆面与所述钢质花键轴叉的外圆面形成间隙，所述钢质花键轴叉与所述钢质轴管形成滑动花键副，所述钢质花键轴叉的自由端装设有万向节总成和凸缘叉。

5.如权利要求1或2所述的一种复合结构的铝合金传动轴总成，其特征在于，所述连接体为锁紧螺钉或连接花键。

6.一种生产如权利要求1所述的复合结构的铝合金传动轴总成的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A1，依据设计尺寸分别加工钢铝复合万向节叉、钢铝复合体和铝合金轴管；

步骤A2，将与所述钢铝复合万向节叉、钢铝复合体定位在所述铝合金轴管的两端，同时，对所述铝合金轴管与所述钢铝复合万向节叉、所述铝合金轴管与所述钢铝复合体进行摩擦焊接。

7.如权利要求6所述的复合结构的铝合金传动轴总成的生产方法，其特征在于，所述步骤A1中钢铝复合万向节叉的加工步骤如下：

步骤A11，根据设计对铝合金棒料下料，对铝合金棒料进行自由锻，以达到工艺尺寸后冷却；

步骤A12，对冷却后的锻件进行车内孔，以达到设计尺寸要求；

步骤A13，将步骤A12的铝合金半成品与所述钢质万向节叉进行装配结合，并对其整体进行加热至435～425℃，保温2小时，且加热过程中，升温速度低于200℃/h；

步骤A14，将加热好的组合件放入模具中锻造成型，锻造完成后，确保铝合金半成品与所述钢质万向节叉之间不松动；

步骤A15，对A14获得的材料进行T6固溶处理，固溶处理的温度为548±5℃，保温4小时，然后进行水冷；T6时效温度为160～170℃，保温12小时，空冷，所述铝合金半成品与所述钢质万向节叉之间不松动，且硬度≥115HB；

步骤A16，对步骤A15获得的锻造组合件毛坯飞边进行切除。

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