CN112434389A - 汽车传动轴、变直径轴管及其弯曲振动频率优化方法 - Google Patents

汽车传动轴、变直径轴管及其弯曲振动频率优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种汽车传动轴、变直径轴管及其弯曲振动频率优化方法，所述变直径轴管是由碳纤维复合材料制成，所述变直径轴管具有前端管段和后端管段；在前端管段和后端管段之间，还包括多个圆锥管段和多个不同直径的中部管段，所述前端管段、中部管段和后端管段均为圆柱管段，相邻两个圆柱管段之间由所述圆锥管段过渡连接。本发明采用变直径轴管，通过灵活改变构成变直径轴管的各中部管段的直径和/或各圆柱管段的长度尺寸分布，可以容易地调整汽车传动轴的弯曲振动频率，从而与汽车整车的共振频率进行匹配调校，更好地满足汽车整车的NVH性能需求。

Description

汽车传动轴、变直径轴管及其弯曲振动频率优化方法
技术领域
本发明涉及汽车传动系统的技术领域，特别是涉及一种变直径轴管、汽车传动轴以及变直径轴管的弯曲振动频率优化方法。
背景技术
目前，汽车传动轴是将发动机/电动机的动力传递到底盘前桥/后桥的关键零部件。在动力传递过程中，传动轴承受着巨大的动态变化的扭矩载荷，因此传动轴的强度、传动效率及NVH(Noise、Vibration、Harshness/噪音、振动、异响)性能对汽车的使用效果有着显著影响。碳纤维复合材料轴管具有高强度、轻量化、高刚度的综合优势，所以使用碳纤维复合材料轴管的汽车传动轴是有效的发展方向。
汽车传动轴由中间轴管与两端的万向节连接构成。目前，采用碳纤维复合材料的汽车传动轴的轴管是等直径轴管，也就是碳纤维复合材料轴管是没有膨胀/收缩变化的直管。由于碳纤维复合材料轴管两端的万向节连接接头结构尺寸以及周围工作空间和干涉情况，基本限定了轴管直径的大小，因此汽车传动轴所用的等直径碳纤维复合材料轴管的弯曲振动频率不容易调整变化，影响了汽车传动轴的弯曲振动频率与汽车整车的共振频率的匹配调校效果。
因此，需要一种弯曲振动频率容易调整变化的汽车传动轴。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题是提供一种可以比较容易地调整设计参数来调整汽车传动轴弯曲振动频率的变直径轴管。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于汽车传动轴的变直径轴管，所述变直径轴管是由碳纤维复合材料制成，所述变直径轴管具有前端管段和后端管段；在所述前端管段和后端管段之间，还包括多个圆锥管段和多个不同直径的中部管段，所述前端管段、中部管段和后端管段均为圆柱管段，相邻两个圆柱管段之间由所述圆锥管段过渡连接。
优选地，各所述圆锥管段的圆锥半角不大于15°
优选地，各中部管段的外径和/或各圆柱管段的长度尺寸分布，根据所述变直径轴管所需要的弯曲振动频率确定。
进一步地，本发明还提供一种汽车传动轴，包括前万向节、后万向节和上述的变直径轴管；所述前万向节固定连接于所述变直径轴管的前端管段；所述后万向节固定连接于所述变直径轴管的后端管段。
优选地，所述前万向节包括呈圆柱状延伸的前接口段，所述后万向节包括呈圆柱状延伸的后接口段；所述前接口段对接于所述前端管段，所述后接口段对接于所述后端管段。
进一步地，本发明还提出一种变直径轴管的弯曲振动频率优化方法，包括下列步骤：A.确定所述变直径轴管的材料；B.获得所述材料的轴向弹性模量；C.简化所述变直径轴管的结构形状；D.基于简化的结构形状，依据所述轴向弹性模量、所述材料的体密度，以及各圆柱管段的外径、内径和长度，分析计算所述变直径轴管的弯曲振动频率，并通过调整各中部管段的直径和/或各圆柱管段的长度尺寸分布来得到所要求的弯曲振动频率；E.计算校核并优化改进所述变直径轴管的结构尺寸。
优选地，上述步骤B中，获得所述材料的轴向弹性模量的步骤包括：B1、取得所述材料的材料试样；B2、制作NOL环试样；B3、对所述NOL环试样进行拉伸性能试验，以获得所述材料的轴向弹性模量。
优选地，上述步骤C中，简化所述变直径轴管的结构形状的方式为：保持各所述圆柱管段的直径不变，将各圆锥管段等效到与其左右相邻的圆柱管段上，形成阶梯圆柱管。
优选地，上述步骤E中，计算校核并优化改进所述变直径轴管的结构尺寸的步骤包括：E1、根据汽车的动力参数，计算校核由所述步骤D所确定的变直径轴管的扭转强度、扭转刚度及扭转屈曲是否满足汽车传动轴的设计需求；E2、根据汽车的最高车速，计算校核由所述步骤D所确定的变直径轴管的临界转速是否满足设计需求；E3、按照轻量化的设计目标，迭代计算调整由所述步骤D所确定的变直径轴管各中部管段的直径和/或各圆柱管段的长度尺寸分布。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用变直径轴管，基于前万向节和后万向节的规格，在汽车传动轴周围工作空间及外界干涉情况的约束下，依据汽车传动轴各项性能指标的许可要求，通过灵活改变各中部管段的直径和/或各圆柱管段的长度尺寸分布，可以容易地调整汽车传动轴的弯曲振动频率，从而与汽车整车的共振频率进行匹配调校，更好地满足汽车整车的NVH性能需求。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚地了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明较佳的实施例并配合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明的一种汽车传动轴的纵剖面示意图。
图2是本发明的变直径轴管的纵剖面示意图。
图3是本发明的变直径轴管简化后的变直径阶梯圆柱管的纵剖面示意图。
图4是本发明的变直径轴管的弯曲振动频率优化方法的流程图。
其中，附图标记：
1 前万向节
11 前接口段
2 变直径轴管
21 前端管段
22～24 中部管段
25 后端管段
26～29 圆锥管段
3 后万向节
31 后接口段
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书附图所绘制的结构、比例、大小等，都是仅用以配合说明书所揭露的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，因此不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭露的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在没有实质变更技术内容下，应当也视为本发明可实施的范围。
请参阅图1以及图2所示，是本发明实施例提供的一种汽车传动轴，包括前万向节1、变直径轴管2以及后万向节3。变直径轴管2是由碳纤维复合材料制成，并且具有前端管段21和后端管段25。前万向节1包括呈圆柱状向后延伸的前接口段11，后万向节3包括呈圆柱状向前延伸的后接口段31。前接口段11对接于变直径轴管2的前端管段21，并且后接口段31对接于后端管段25，从而使得前端管段21固定连接于前万向节1，所述后端管段25固定连接于所述后万向节3。
如图2所示，变直径轴管2除具有前端管段21和后端管段25外，在前端管段21和后端管段25之间，还包括多个圆锥管段26、27、28、29和多个不同直径的中部管段22、23、24，其中前端管段21、中部管段22、23、24和后端管段25均为圆柱管段，相邻两个圆柱管段之间分别由所述圆锥管段26、27、28、29过渡连接。
如图1及图2所示，由于前端管段21、后端管段25分别对接前万向节1、后万向节3，也就是说前端管段21、后端管段25的直径要受到前接口段11与后接口段31的直径限制，并需配合前接口段11与后接口段31的直径，才能进行对接而固定连接。考虑生产制造工艺的制约以及产品成本经济性要求，前万向节1及后万向节3通常采用标准化系列化设计，其大小根据汽车整车的动力参数分析计算后确定为标准化系列化产品中的某一具体规格，进而通过零部件市场直接取得符合某一具体规格的产品。因此，前接口段11以及后接口段31的直径基本上在确定某一具体规格后也就确定下来而无法变动。在通常情况下，前万向节1的前接口段11与后万向节3的后接口段31的直径相同。在这种情况下，前端管段21和后端管段25的直径必须配合前接口段11与后接口段31的直径，使得前端管段21和后端管段25的直径也是相等的。也就是说，当前万向节1与后万向节3的具体规格确定后，前端管段21和后端管段25的直径就相应的确定而不能变动。
如图1及图2所示，如前所述，前端管段21和后端管段25的直径受到前万向节1与后万向节3的具体规格制约。因此，前端管段21的内径d1、外径D1以及后端管段25的内径d5、外径D5是确定而不能变动的。而变直径轴管2上的中部管段22、23、24的直径可以变动，各圆柱管段21～25的长度也可以在一定范围内变动，从而可以调整变直径轴管2的弯曲振动频率，以改善汽车整车的NVH(噪音、振动、异响)性能。
如图1、图2所示，部分中部管段22、24的外径大于前端管段21和后端管段25的外径，即D2、D4均大于D1和D5。但是由于部分中部管段需要规避周围工作空间的干涉约束，因此将变直径轴管2上与外界干涉处的局部直径适当减小。例如，当其中一个中部管段23与外界存在干涉约束情况时，则中部管段23的直径D3就需要缩小，即D3<D2，D3<D4。在这多个中部管段中，有一个中部管段23的直径小于其两侧相邻中部管段22、24的直径，比如D3<D2，D3<D4，使这三个中部管段22、23、24呈现哑铃形结构。
如图1及图2所示，考虑到生产制造工艺及轴管综合性能的实际需要，各圆锥管段26～29的圆锥半角均不大于15°，即α1≤15°、α2≤15°、α3≤15°、α4≤15°。
汽车传动轴的弯曲振动频率主要由其所用的变直径轴管2的弯曲振动频率决定，因此只要使变直径轴管2的弯曲振动频率可以灵活调整变化，就能实现汽车传动轴弯曲振动频率的灵活调整变化。
如图4所示，在上述结构的基础上，变直径轴管的弯曲振动频率优化方法为：
步骤A，确定变直径轴管2所选用的碳纤维复合材料。
步骤B，获得材料的轴向弹性模量Ex。
具体而言，获得轴向弹性模量的方法是：先取得所述材料的材料试样，并制作NOL环试样(Naval Ordnance Laboratory ring test specimen)，然后根据GB/T 1458-2008对NOL环试样进行拉伸性能试验，以获得材料的轴向弹性模量Ex。
步骤C，简化变直径轴管2的结构形状。
如图3所示简化的方式，保持各圆柱管段21～25的直径不变，将各圆锥管段26～29等效到与其左右相邻的圆柱管段21～25上，将变直径轴管2简化为图3所示的变直径阶梯圆柱管。此时，各圆柱管段21～25的长度L1～L5会分别朝向原本为圆锥管段26～29所在的区段延长，但是变直径轴管2的总长度维持不变，并且各圆柱管段的内径d1～d5以及各圆柱管段的外径D1～D5也维持不变。
步骤D，基于简化后的变直径轴管的结构形状，分析计算变直径轴管的弯曲振动频率。基于图3所示的变直径阶梯圆柱管，依据材料的轴向弹性模量、材料的体密度、各圆柱管段21～25的外径、内径和长度，按照下面的公式分析计算变直径轴管的弯曲振动频率。
Figure BDA0002792932440000051
上述公式中，各变量分别是：
f：变直径轴管的弯曲振动频率；
ρ：变直径轴管的体密度；
Ex：材料的轴向弹性模量；
Di：变直径轴管各圆柱管段21～25的外径，i＝1、2、3、4、5；
di：变直径轴管各圆柱管段21～25的内径，i＝1、2、3、4、5；
Li：简化后的变直径阶梯圆柱管各圆柱管段21～25的长度，i＝1、2、3、4、5。
通过上式可以看出，变直径轴管的弯曲振动频率与其上各圆柱管段21～25的外径大小呈现正相关，而与各圆柱管段21～25的长度尺寸呈现负相关。在本发明的汽车传动轴周围工作空间及干涉约束的许可范围内，可以灵活调整变直径轴管2上各中部管段22～24的直径和/或各圆柱管段21～25的长度，即可灵活调整变直径轴管的弯曲振动频率，从而可以灵活调整汽车传动轴的弯曲振动频率，并得到所要求的弯曲振动频率。
步骤E，计算校核并优化改进变直径轴管2的结构尺寸。
前述计算校核并优化改进的步骤包括：E1、根据汽车的动力参数，计算校核由所述步骤D所确定的变直径轴管的扭转强度、扭转刚度及扭转屈曲是否满足汽车传动轴的设计需求；E2、根据汽车的最高车速，计算校核由所述步骤D所确定的变直径轴管的临界转速是否满足设计需求；E3、按照轻量化的设计目标，迭代计算调整由上述步骤D所确定的变直径轴管各中部管段的直径和/或各圆柱管段的长度尺寸分布，即可最终达到在满足汽车传动轴的弯曲振动频率要求的同时，优化改进变直径轴管的结构尺寸的目的。
综上所述，本发明的汽车传动轴，可以基于前万向节和后万向节的规格制约以及汽车传动轴周围工作空间和外界干涉情况的约束，通过灵活改变构成变直径轴管的各中部管段的直径和/或各圆柱管段的长度尺寸分布，使得汽车传动轴的弯曲振动频率可以得到灵活的调整，从而更好地满足汽车整车的NVH性能需求。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
以上对本发明实施例所提供的一种汽车传动轴及其变直径轴管结构进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有所改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡依据本发明的精神与技术思想所做的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种用于汽车传动轴的变直径轴管，其特征在于：所述变直径轴管是由碳纤维复合材料制成，所述变直径轴管具有前端管段和后端管段；在所述前端管段和后端管段之间，还包括多个圆锥管段和多个不同直径的中部管段，所述前端管段、中部管段和后端管段均为圆柱管段，相邻两个圆柱管段之间由所述圆锥管段过渡连接。
2.根据权利要求1所述的变直径轴管，其特征在于，各所述圆锥管段的圆锥半角不大于15°。
3.根据权利要求1所述的变直径轴管，其特征在于：各中部管段的外径和/或各圆柱管段的长度尺寸分布，根据所述变直径轴管所需要的弯曲振动频率确定。
4.一种汽车传动轴，其特征在于，包括前万向节、后万向节和权利要求1-3任一项所述的变直径轴管；所述前万向节固定连接于所述变直径轴管的前端管段；所述后万向节固定连接于所述变直径轴管的后端管段。
5.根据权利要求4所述的汽车传动轴，其特征在于：所述前万向节包括呈圆柱状延伸的前接口段，所述后万向节包括呈圆柱状延伸的后接口段；所述前接口段对接于所述前端管段，所述后接口段对接于所述后端管段。
6.一种权利要求1-3任一项所述的变直径轴管的弯曲振动频率优化方法，其特征在于，包括下列步骤：
A.确定所述变直径轴管的碳纤维复合材料；
B.获得所述材料的轴向弹性模量；
C.简化所述变直径轴管的结构形状；
D.基于简化的结构形状，依据所述轴向弹性模量、所述材料的体密度，以及各圆柱管段的外径、内径和长度，分析计算所述变直径轴管的弯曲振动频率，并通过调整各中部管段的直径和/或各圆柱管段的长度尺寸分布来得到所要求的弯曲振动频率；
E.计算校核并优化改进所述变直径轴管的结构尺寸。
7.根据权利要求6所述的变直径轴管的弯曲振动频率优化方法，其特征在于，所述步骤B中，获得所述材料的轴向弹性模量的步骤包括：
B1、取得所述材料的材料试样；
B2、制作NOL环试样；
B3、对所述NOL环试样进行拉伸性能试验，以获得所述材料的轴向弹性模量。
8.根据权利要求6所述的变直径轴管的弯曲振动频率优化方法，其特征在于，所述步骤C中，简化所述变直径轴管的结构形状的方式为：保持各所述圆柱管段的直径不变，将各圆锥管段等效到与其左右相邻的圆柱管段上，形成阶梯圆柱管。
9.根据权利要求6所述的变直径轴管的弯曲振动频率优化方法，其特征在于，所述步骤E中，计算校核并优化改进所述变直径轴管的结构尺寸的步骤包括：
E1、根据汽车的动力参数，计算校核由所述步骤D所确定的变直径轴管的扭转强度、扭转刚度及扭转屈曲是否满足汽车传动轴的设计需求；
E2、根据汽车的最高车速，计算校核由所述步骤D所确定的变直径轴管的临界转速是否满足设计需求；以及
E3、按照轻量化的设计目标，迭代计算调整由所述步骤D所确定的变直径轴管各中部管段的直径和/或各圆柱管段的长度尺寸分布。
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