轻量化材料
在汽车工业持续追求轻量化以提升能效和性能的背景下，汽车制造材料的选择发生了显著的变化，如图1所示，
镁、铝合金及塑料等其他材料在汽车制造中比例逐年上升[7]。随着时间的推移，钢铁和铸铁在汽车材料中的占比逐年下降，以钢铁下降最为突出，而铝合金和塑料的占比却呈现上升趋势。虽然铝合金和塑料的占比越来越大，但并没有完全替代钢铁和铸铁，主要原因是成本问题。
在追求材料轻量化的过程中，还需要考虑成本与减重效果，以确保在实现轻量化目标的同时，不牺牲成本效益。常见的轻量化材料的相对成本及减重效果[8]如图2所示。
材料的相对成本越高，减重越明显。以铸铁为基准，当采用铝合金替代时，虽然能够减重55%，但是材料成本却增加至原来的2倍，镁合金的成本增加至之前的3倍，所以在进行材料轻量化同时成本和减重幅度都要考虑。
轴筒材料的选择及方案
零部件的设计是由功能、几何形状和材料三个因素决定的，它们可由以下函数表示：
为了使选择的材料最佳，那么P值应为最大或最小值。将上述公式的的功能F、几何形状 G 和材料 M 都看成自变量，则上述公式可进行如下变换：
公式中f3为材料因素，f1和f2的乘积为结构因素。由上述函数可知，3个因素都是独立存在的，可以在不考虑结构因素的条件下，只对材料因素研究来获得最优材料。同时在选择最优材料时，不仅要从减重效果出发，还要考虑其结构刚度、强度和变形等因素。所以材料的密度ρ和弹性模量E就至关重要了，通常用比弹性模量来表示
需要注意的是，此公式只是轻量化中选择材料的材料指数之一，特别适用于零件承受单轴和均匀分布的应力。经查询轻量化手册得知，主要承载弯曲应力的零部件应用如下公式、
根据传动轴的工作状态可知，其主要承受单轴与弯曲应力。将碳纤维复合材料、铝合金、镁合金和钢的材料参数带入公式3和4中可得到它们的M1和M2值（见表1）。
从表1中可知，当传动轴主要承受拉应力时，铝、镁合金和钢的M1值区别不大，但是当传动轴承受弯曲应力时，铝、镁合金的M2值明显比钢高。四种材料中，碳纤维复合材料的M1和M2值都明显高于其他材料。
轴筒的轻量化设计
1. 材料参数的设定
结合企业的实际生产情况，本次轻量化的材料，选择镁、铝合金和碳纤维复合材料。其中碳纤维复合材料材料参数见2表。
2. 轴筒强度分析
传动轴的轴筒与花键套和万向节相连，故其主要失效形式是由于扭矩过大导致其发生变形甚至断裂。其正常工作时，扭转强度应满足
此次选择传动轴的轴筒尺寸如下：D=140mm，d=120mm，扭矩T=2400N·m，计算得轴筒剪切应力[τ]=96.8MPa。材料选择的是40Cr，其许用切应力[τ]=432MPa。取安全系数为2.5，则τ=96.8<[τ]/2.5=172.8MPa。由此可知40Cr轴筒在正常工作时中，其安全性较高。
3. 轴筒有限元分析
将轴筒模型导入有限元软件中进行分析，得到轴筒正常工作时的剪切应力云图和变形云图，如图3和图4所示。
由图3可知，轴筒最大剪切应力出现在轴筒的表面为104MPa，与公式（5）理论计算值相差7%，符合实际工程误差。且轴筒的最大变形出现在与万向节叉连接的位置且在材料允许范围内，表明了轴筒有限元模型正确。
4. 轴筒材料轻量化方案分析
本次材料轻量化选择的是工艺及技术方面都很成熟的材料，分别是铝合金、镁合金及碳纤维复合材料。由公式（5）可知，轴筒的剪切应力只与轴筒内外径和扭矩相关，与轴筒材料无关。但是不同材料的轴筒在工作中，其自身受到的应力和变形是不一样的，所以可以在其满足自身强度和变形的条件下进行减重，以此来获得最优材料。三种不同材料、相同结构尺寸的轴筒在工作状态下受到的最大剪切应力和最大变形，如图5所示。
从图5可知，更换材料后的轴筒的剪切应力相差不大，与公式（5）相吻合。由于镁、铝合金的安全许用应力为120MPa，所以轴筒的结构尺寸不用改动。但由于复合材料的许用剪切应力为680MPa，而仿真计算所得值为97MPa，故碳纤维复合材料轴筒具有较大的减重空间。所以，本次轻量化的思路要从轴筒的结构尺寸方面进行优化。由于轴筒要与花键套和万向节相连，所以其连接配合尺寸不能改变，那么就只有对轴筒进行减薄，从而达成最大轻量化的目标。通过公式（5）可知，要减薄轴筒只能减小外径，经过大量的计算分析得到不同外径轴筒的剪切应力和变形如图6所示。
由图6可知，随着轴筒外径不断减小，剪切应力逐渐增大，当外径为123mm时，剪切应力为720MPa，其值已经超过了复合材料的许用剪切应力，所以轴筒外径的最小值应取124mm，此时最大剪切应力为530MPa，最大变形为0.256mm，符合设计要求。
5. 轴筒材料轻量化方案对比
将不同材料轴筒在工作过程中受到的最大剪切应力、最大变形、总质量、减重效果和成本上升率整理得到数据见表3。
从表3可知，铝合金、镁合金和碳纤维轴筒相对于40Cr轴筒质量分别下降了58%、71%和95%。但是由于铝合金、镁合金和碳纤维轴筒成本分别上升了110%、154%和248%，所以从减重效果和成本上升率来看，铝合金相较于镁合金和碳纤维轴筒来说更具性价比。
结语
通过对传动轴轴筒进行静力学分析，得到了其在工作过程中的最大剪切应力与最大变形。将得到的结果与理论计算值进行对比，验证了模型的正确性。接着将镁合金、铝合金和碳纤维复合材料赋予轴筒，得到不同材料轴筒的剪切应力与变形量。最后对碳纤维复合材料轴筒进行了尺寸优化并进行了轴筒材料轻量化方案的对比。通过对比，得出以下结论：
传动轴轴筒在工作过程中的最大剪切应力为101MPa，最大变形为0.24mm。 铝合金轴筒相对优化前的质量降低了58%。 镁合金轴筒相对优化前的质量降低了71%。 碳纤维复合材料轴筒相对于优化前的质量降低了95%。 虽然碳纤维复合材料降重效果最好，但是由于其成本较高，建议使用在特殊要求的轿车；镁、铝合金的降重也很明显，特别是铝合金材料更有性价比，建议使用在中高端的汽车和重型汽车上。
作者：张启伟，李贞丽，范文林，陶燕琳，蒋希赟
审核 ▎于永初
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