1 引言

目前，传动轴的产量已经超过8000万。轴的设计必须考虑到材料、制造工艺及热处理这些复杂的过程[1-3]。更进一步主要考虑的是有关噪声、振动与声振粗糙度（NVH）和成本效益，而且后者正变得越来越重要[4]。由于传动轴的大量需求和高安全的要求，给传动轴的设计和制造带来了挑战。为此本文重在介绍目前各种轴的种类（传动轴由万向节和中间轴构成，这里仅对传动轴中间轴展开分析），和中间轴的加工工艺[5]。影响传动轴中间轴设计的因素主要有如下几种。

2 材料

材料中的含碳量对材料的强度和疲劳影响极大，当材料中的含碳量在0.4%-0.8%时，材料的强度随着材料的含碳量的增加而增加，另一方面，碳含量降低了材料的韧性性能以及焊接能力，同时也增加了在硬化过程中裂缝的危险，从这个角度讲，最佳含碳量应该在0.4%-0.5%之间。

3 热处理方式

热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。

渗碳处理，增加了材料里面的碳元素，碳氮共渗，在增加碳元素的基础上还增加了氮元素。表面硬化，使零件的表面硬度增加，心部硬度有增加的也有减少的。淬火后进行回火相结合的热处理，能获得高强度，硬度和塑性，韧性都较好的综合机械性能。

4 轴的分类及工艺

4.1 杆轴

a、杆轴

杆轴（如图1.a）是成本最有效的设计。用最便宜管状材料和制造的成本效益比当一个管状材料使用。杆轴的缺点，它的重量大且对噪声、振动与声振粗糙度（NVH）影响有限。

b、钻孔杆轴

最简单的方法，以减少重量的为目的的杆轴，是节省某些截面扭矩过剩的材料，在某些情况下，这个过程是比使用厚壁管相对较小的外直径更具成本效益。然而，现在这项技术主要是由冷成型所取代。（如图1.b）

c、摩擦焊接杆轴

一方面为了减少旋转杆轴的重量，另一方面考虑到NVH的影响，轴由两部分组成，两部分最初设计不同的长度。（如图1.C）每个部分都有一个区域的小直径，和一个扩大后的直径。通常，大直径的部分钻孔。孔的直径取决于所需的扭矩传输和本节的外径。比较长的大直径部分经钻孔加工后，需要和另外一段摩擦焊接，（如图2）尽管考虑到高切削（钻孔，旋转），这种轴还在被应用，因为它同时考虑到了NVH和减重。

图1 杆轴的不同产品

d、两端向后挤压和摩擦焊接的杆轴

类似于摩擦焊接轴（如图2）同时考虑到了NVH和减重，区别在于材料的冷成型，而不是削减。

4.2 管轴

a、外径、内径等变化的管轴（均匀壁厚）

这种轴的加工和杆轴摩擦焊接的差异在于，（如图3）钻孔轴所需的外轮廓是由冷成型制造，而不是削减。轴的壁厚几乎是不变的。而且材料纤维是连续的，所以外轮廓相同的管轴比钻孔轴可以传递更高的扭矩且疲劳寿命更大。

这种类型的管轴简单，成本效益，而且减重大。

b、外径不变、内径变化的管轴（变壁厚）

在恒转矩和疲劳要求保持不变下，要求更高的减重，有必要沿轴改变壁厚（如图4）。由于轴两端转矩输入的特点是应力集中，花键的壁厚设计应该比中间部分更厚。

c、外轮廓变化且壁厚变化的管轴

最佳轻型结构，为了增强机械刚度以及对NVH特殊的需求，必须显著增加管轴的外径，另外为了减重，让轴的应力均匀分布的管轴（如图5）。

d、外轮廓复杂变化且壁厚变化的管轴

某些NVH要求需要有尽可能高的弯曲固有频率。弯曲固有频率与质量和弯曲刚度相关。

图3 均匀壁厚的管轴

图4 变壁厚的管轴

图5 外轮廓变化且壁厚变化的管轴

其中n为轴的弯曲固有频率，c为轴的弯曲刚度，m为轴的质量。

其中L为轴的长度，D为轴的外径，d为轴的内径，E为材料的弹性模量。

5 结语

轴的噪声，振动，平顺性，轻量化和扭转刚度特性性能是互相影响互相制约的。比如，轻量化要求传动轴拥有更薄的壁厚，然而，壁厚越厚扭转刚度越大。同样，高弯曲固有频率的传动轴比那些要求高扭转刚度的半轴要求更薄的壁厚。因此，对于设计者来说，只有理解上述性能参数之间的关系才能设计出空心轴的壁厚和外径尺寸从而实现车辆对NVH性能和大扭矩传递的要求。