汽车的轻量化设计是汽车实现节能减排的主要手段之一,考虑到中国超两亿的汽车保有量时,车辆每减轻一千克所带来的节能减排效果都是有着足够吸引力的。汽车传动轴作为车辆动力传动系统的重要旋转零部件,减轻质量的同时可减小其转动惯量,即能达到匀速与变速行驶时双重的节能效果。本文以复合钢制-碳纤维传动轴的设计理念着手,以钢制传动轴作为设计基础,建立了嵌套-齿式复合连接结构的碳纤维复合材料传动轴模型,通过对碳纤维复合材料轴管进行一系列的优化设计,实现了碳纤维复合材料传动轴总成的轻量化设计。首先介绍了各向异性材料的应力-应变关系表征方法,经典层合板的力学性能以及复合材料的失效准则,并以此为基础阐明了复合材料层合板的一般铺层原则,随后对选定的T300/5208复合材料进行了力学性能测试试验并得到了材料的基本性能参数。建立了以原钢制传动轴总成的三维实体模型和有限元分析模型,分析了传动轴的前六阶模态特性,通过与模态试验得到的结果相对比,验证了传动轴总成有限元模型的准确性,为后续碳纤维复合材料传动轴的设计奠定了基础。设计了内钢管、外碳纤维复合材料轴管的钢制-碳纤维复合材料层叠轴管的传动轴、轴头-轴管矩形齿啮合连接以及嵌套-齿式复合连接三种新型碳纤维复合材料传动轴结构,通过有限元建模分析,比较了三种碳纤维复合材料传动轴结构对传动轴一阶模态固有频率、最大vonMises应力值以及复合材料最大失效指数的影响,在综合考虑了多方面因素后最终确定嵌套-齿式复合连接方式作为本碳纤维复合材料传动轴的连接结构方案。建立了不同嵌套-齿式复合连接方案中矩形齿的矩形齿齿数、矩形齿长度以及轴管嵌套部分尺寸方案的有限元模型,分析了不同结构方案的最大vonMises应力值以及碳纤维复合材料最大失效指数,通过比较确定了碳纤维复合材料传动轴的结构方案。最后对各个铺层角度所占不同比例的方案进行探究,利用方差分析方法对仿真结果进行了分析,并根据F显著性检验确定不同铺层角度对各个因素的显著关系,以此确定了各个铺层角度在碳纤维复合材料传动轴中所用比例,并综合层合板一般铺层原则确定了初步的铺层方案。在自由尺寸及尺寸优化阶段中,将网格单元的厚度作为设计变量,以传动轴一阶模态固有频率、钢制轴叉vonMises应力值以及碳纤维复合材料轴管的失效指数作为约束,以碳纤维复合材料轴管体积为优化目标建立了传动轴的优化设计模型,从而得到了碳纤维复合材料传动轴的铺层总层数以及各层的铺层角度;在铺层顺序的优化阶段中,将铺层顺序作为设计变量,以复合材料层合板的制造工艺限制作为约束,以传动轴钢制轴头最大vonMises应力值最小作为设计目标建立了优化模型,经过仿真迭代后确定了最终碳纤维复合材料传动轴的铺层方案。通过对比原钢制传动轴与碳纤维复合材料传动轴总成的临界转速以及最大vonMises应力值,表明碳纤维复合材料传动轴符合性能要求。最终确定的传动轴轻量化设计方案,在满足结构强度、刚度和临界转速要求的条件下,传动轴总成减重34.41%,转动惯量减小了36.29%,实现了传动轴的轻量化设计。