传动轴新技术与发展趋势

摘要： 传统传动轴面临的挑战在探讨新技术之前，我们首先要明白为什么需要新技术，传统传动轴，尤其是用于传递大扭矩的后驱或四驱车型的传动轴,主要存在以下痛点：重量大：钢制传动轴自身重量较大，增...

传统传动轴面临的挑战

在探讨新技术之前，我们首先要明白为什么需要新技术，传统传动轴，尤其是用于传递大扭矩的后驱或四驱车型的传动轴,主要存在以下痛点：

1. 重量大：钢制传动轴自身重量较大，增加了整车簧下质量，影响操控性、加速性和能耗。
2. NVH问题：在高速行驶或大扭矩输出时，传动轴容易产生振动和噪音,影响驾乘舒适性。
3. 传动效率损失：传统的万向节和花键连接存在一定的摩擦和能量损失,尤其是在多轴布置的车辆中。
4. 空间限制：在电动汽车平台化设计中，传统传动轴的布局可能与电池包、电机等部件产生干涉。
5. 成本与复杂性：复杂的万向节和支撑结构增加了制造成本和后期维护的复杂性。

传动轴的核心新技术

针对上述挑战，传动轴领域涌现出了一系列创新技术，主要集中在材料、结构、制造工艺和集成化四个方面。

新材料技术：轻量化的核心

这是当前最主流、最有效的技术路径。

• 碳纤维增强复合材料

  • 技术原理：用碳纤维复合材料替代传统的钢管或锻钢，CFRP具有极高的比强度（强度/密度）和比刚度（刚度/密度），这意味着在同等强度下，重量可以减轻50%-70%。
  • 优势：
    • 极致轻量化：显著降低簧下质量，提升车辆的操控响应速度和燃油经济性（或续航里程）。
    • 高扭转刚度：能有效抑制传动轴在高速旋转时的扭转变形，提升传动效率,降低振动。
    • 优异的NVH性能：复合材料的内阻尼特性远高于金属，能更好地吸收和衰减振动能量,从源头上降低噪音。
  • 挑战：成本高昂、制造工艺复杂、对冲击和损伤的检测要求高。
  • 应用：主要用于高端跑车、超级跑车和追求极致性能的电动车，宝马i8、保时捷Taycan等车型的传动轴都采用了CFRP技术。

• 高强度铝合金

  
  （图片来源网络，侵删）
  • 技术原理：使用7系或6系等高强度铝合金材料，通过优化结构设计,在保证足够强度的前提下实现减重。
  • 优势：
    • 成本效益高：相比CFRP，铝合金的成本更低，且制造工艺成熟,易于大规模应用。
    • 良好的耐腐蚀性：优于普通钢材。
  • 挑战：减重效果不如CFRP显著,且在极端负载下强度可能不足。
  • 应用：已成为当前中高端乘用车传动轴的“标配”,是平衡成本和性能的最佳选择之一。

新结构技术：效率与空间优化的关键

• 一体化/集成化传动轴

  • 技术原理：将传统的多段式传动轴（由多个万向节连接）集成为一根更长、更完整的轴，这通常与“一体化后桥”设计理念相结合，将电机、减速器和传动轴集成在一个模块中。
  • 优势：
    • 减少部件数量：减少了万向节、中间轴承和连接法兰，降低了成本、重量和潜在的故障点。
    • 提升传动效率：减少了能量在多个连接处的损失。
    • 优化空间布局：为底盘和电池包设计提供了更大的灵活性。
  • 应用：在纯电平台车型上越来越常见，如特斯拉Model 3/Y的后驱版本、现代/起亚的E-GMP平台等。

• 可伸缩式传动轴

  • 技术原理：采用花键或特殊设计的伸缩结构,允许传动轴在一定长度范围内变化。
  • 优势：
    • 适应性强：尤其适用于需要调节轴距或适应复杂悬架运动（如独立后悬架）的车辆,避免了传动轴与悬架部件的干涉。
  • 应用：广泛应用于前驱车的半轴和部分后驱/四驱车辆。

• 高速平衡技术

  • 技术原理：随着电机转速越来越高（可达20,000 rpm以上），传动轴的微小不平衡都会被急剧放大，导致剧烈振动,需要更高精度的动平衡校正技术。
  • 优势：确保传动轴在超高转速下依然能平稳运行,是保障高速行驶安全性和舒适性的基础。
  • 应用：所有高性能电动车和追求高NVH表现的车型。

新制造工艺技术：精度与效率的保障

• 激光拼焊

  
  （图片来源网络，侵删）
  • 技术原理：将不同厚度、不同材质或不同强度的钢板/铝板用激光焊接在一起,然后冲压成型。
  • 优势：可以在一个零件上实现“好钢用在刀刃上”，即在需要高强度的部位使用厚板，在次要部位使用薄板,从而实现进一步的减重和材料优化。
  • 应用：广泛应用于传动轴的轴管、法兰盘等部件的制造。

• 内高压成型

  • 技术原理：将管材放入模具中，在管内施加超高压液体,使管材按照模具的形状成型。
  • 优势：可以制造出形状复杂、重量更轻、强度更高的空心构件（如带加强筋的轴管），同时减少了焊接工序,提高了结构完整性。
  • 应用：用于制造复杂形状的传动轴轴管。

未来发展趋势

传动轴的未来将不仅仅是一个独立的零部件,而是更多地融入到整车系统设计中。

趋势一：与电驱动系统深度融合，走向“轴”的消失

• “集成式电驱动桥”成为主流：如前所述，电机、减速器和传动轴将高度集成成一个紧凑的后桥模块，在这种架构下，独立的、长条状的传动轴将大大缩短甚至消失,其功能被集成在桥壳内部。
• “轮边电机”和“轮毂电机”的冲击：当电机直接安装在车轮附近时，动力传递路径被无限缩短，传统的中央传动轴将完全被取消，这虽然仍是少数技术路线,但代表了动力传递的终极形态。

趋势二：智能化与主动控制

• 主动式传动轴：未来的传动轴可能不再是被动地传递动力，而是集成传感器和执行器，成为智能底盘的一部分。
  • 扭矩矢量分配：通过主动控制两侧传动轴的扭矩输出，可以实现类似后轮转向的精准操控效果,提升过弯性能。
  • 主动减振：内置的作动器可以主动产生与振动相反的力，从而实现更高级别的NVH控制,尤其是在低频振动领域。

趋势三：材料创新持续深化

• 混合材料应用：将CFRP用于高应力区域，铝合金用于其他区域,实现性能与成本的最佳平衡。
• 新型热塑性复合材料：相比热固性CFRP，热塑性复合材料具有可回收、生产周期短、冲击韧性好的优点,有望在未来降低CFRP的应用成本。
• 纳米材料增强：在金属或复合材料中添加纳米颗粒（如碳纳米管），进一步提升材料的强度、韧性和耐磨性。

趋势四：可持续性与全生命周期管理

• 可回收设计：在设计之初就考虑材料的拆解和回收，特别是对于CFRP等复合材料,开发高效的回收技术将成为重要课题。
• 增材制造（3D打印）：虽然目前主要用于小批量、复杂结构件的制造，但未来可能用于传动轴的定制化生产或快速原型验证，进一步优化拓扑结构,实现极致轻量化。

传动轴技术正处在一个由“机械”向“机电一体化”和“系统集成”转型的关键时期。

• 短期内（未来5-10年）：高强度铝合金和优化结构设计将是主流，碳纤维复合材料将在高端和性能车型上持续渗透，核心目标是轻量化、高效化和NVH优化。
• 中长期（未来10年以上）：随着电驱动平台化的深入，独立的传动轴将逐渐被集成式电驱动桥所取代，技术焦点将转向智能化、主动控制以及全生命周期的可持续性。

传动轴这个古老的部件正在以全新的面貌迎接汽车工业的未来，它将变得更加轻、更强、更智能,并且更深度地融入到整车的设计哲学之中。