摘 要：汽車傳動軸是汽車非常重要的部件之一，分別從成形工藝、鋪層比例、連接形式和選材等方面介紹了為某重型卡車設(shè)計(jì)的碳纖維復(fù)合材料傳動軸，并通過有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證了碳纖維復(fù)合材料傳動軸在重型卡車上應(yīng)用的可能性。與金屬傳動軸相比，文中設(shè)計(jì)的碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)動軸質(zhì)量減輕了36%.

關(guān)鍵詞：傳動軸；碳纖維；復(fù)合材料；有限元分析

中圖分類號：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.11.025

汽車傳動軸作為汽車的一個重要運(yùn)動部件，在不同軸心的兩軸間，甚至在工作過程中相對位置不斷變化的兩軸間傳遞動力，工作環(huán)境比較復(fù)雜。傳統(tǒng)的汽車傳動軸是金屬件，一般為兩段，包括傳動軸體（1根或者多根）、萬向節(jié)（2個或者多個）、滑動花鍵副和中間支承結(jié)構(gòu)。碳纖維復(fù)合材料傳動軸具有高比強(qiáng)度、高比剛度、良好的耐蠕變和耐腐蝕性，在滿足強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)要求下，可以將原來的雙件傳動軸簡化為單件。從國內(nèi)外目前情況看，與傳統(tǒng)金屬傳動軸相比，碳纖維復(fù)合材料傳動軸的質(zhì)量減輕了30%.國內(nèi)對復(fù)合材料汽車傳動軸有一定的研究，但是，它主要應(yīng)用于冷卻塔風(fēng)機(jī)、造紙機(jī)、印刷機(jī)、壓縮機(jī)、泵或者輕型汽車上，在重型卡車上的應(yīng)用很少。本文簡要介紹了為某重型卡車設(shè)計(jì)的碳纖維復(fù)合材料傳動軸，減重效果非常明顯。

1 傳動軸設(shè)計(jì)

在實(shí)際使用過程中，傳動軸主要受到扭轉(zhuǎn)力的作用，其本體必須具有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度承擔(dān)扭矩而不被破壞。除此之外，對于薄壁結(jié)構(gòu)，也必須要考慮其扭轉(zhuǎn)后的穩(wěn)定性。第三個主要的設(shè)計(jì)要求就是臨界轉(zhuǎn)速，當(dāng)傳動軸的轉(zhuǎn)速與它的彎曲振動的固有頻率相同時，傳動軸就會發(fā)生共振，使傳動軸有折斷的危險(xiǎn)。傳動軸載荷設(shè)計(jì)要求如表1所示。

為了滿足設(shè)計(jì)要求，采用管體搓卷成形工藝方案，即采用金屬機(jī)加芯模，金屬芯模外表面鍍鉻，為預(yù)留傳動軸管體端頭配合面磨削加工余量，芯模尺寸比圖紙規(guī)定的管體內(nèi)徑尺寸小0.1 mm。采用碳纖維預(yù)浸料在芯模上搓卷，每搓卷20層鋪層后，使用熱收縮帶的外加壓方式對傳動軸管體鋪層進(jìn)預(yù)固化。搓卷完成后，用熱收縮帶、真空袋和熱壓罐進(jìn)行加壓固化，固化溫度為120 ℃，固化壓力600 kPa，固化時間4 h。固化成形后脫模，并進(jìn)行切割加工。

為了保證管體與金屬軸頭的過盈相配合，將管體端頭處內(nèi)徑尺寸磨削至圖紙規(guī)定尺寸，完成后除油和清洗。

這種成形工藝可以精確控制纖維的方向和軸體直徑，具有高度的自動化生產(chǎn)能力。傳動軸的軸向?yàn)?°方向，纖維角度分別為0°、±45°、90°?？紤]傳動軸主要承擔(dān)扭轉(zhuǎn)力產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，尤其對于重型卡車，其扭矩高達(dá)33 000 N·m（考慮1.5安全系數(shù)），扭矩引起的剪切應(yīng)力很大，所以，設(shè)計(jì)時，將±45°的比例定為60%，0°的比例定為20%；為了減弱泊松比效應(yīng)，90°的比例定為10%.

除此之外，額定扭矩巨大，對碳纖維傳動軸的連接強(qiáng)度要求很高。傳統(tǒng)的齒紋式連接不能滿足設(shè)計(jì)要求，所以，本文采用了高抗剪抽芯鉚釘連接復(fù)合材料傳動軸桿體與金屬接頭，具體如圖1所示。

傳動軸長度要求為1 000 mm，內(nèi)徑為130 mm。為了減輕質(zhì)量，選用強(qiáng)度和模量比較高的材料T700/環(huán)氧樹脂，其單層厚度為0.15 mm，單向帶材料性能如表2所示。

2 有限元分析

通過MSC PATRAN軟件為復(fù)合材料傳動軸建模，利用二維shell單元（CQUAD4）來劃分模型，逐層制訂材料屬性，各層屬性按照由內(nèi)部到外部的順序逐個定義。

選取全局坐標(biāo)系為結(jié)構(gòu)的材料坐標(biāo)系，指定材料坐標(biāo)系的X方向?yàn)殇亴拥?°方向。傳動軸一端通過bush元模擬螺栓與金屬接頭連接，另一端固支，在金屬部件頂端施加扭矩，具體如圖2所示。

從有限元中提取最大釘載為26 200 N，D為8 mm，t為

10 mm，帶入式（2）中，得到螺栓連接處的擠壓強(qiáng)度為327.4 MPa，小于其許用擠壓強(qiáng)度400 MPa。

結(jié)構(gòu)外徑Dc為130 mm，內(nèi)徑dc為150 mm，代入式（3）中得臨界轉(zhuǎn)速nk為15 488 r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min。

綜上所述，復(fù)合材料傳動軸滿足靜強(qiáng)度和連接強(qiáng)度要求，同時，傳動軸不會發(fā)生共振。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元計(jì)算的合理性，在某汽車汽研中心底盤試驗(yàn)室進(jìn)行了復(fù)合材料傳動軸靜扭試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為20世紀(jì)50年代的5Ton扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)，如圖5所示。

試驗(yàn)件共3件，設(shè)計(jì)載荷（扭矩）為33 000 N·m。試驗(yàn)件破壞載荷分別為414 000 N·m、39 250 N·m和42 900 N·m。破壞型式統(tǒng)一為金屬軸頭失效（臨近扭斷），而復(fù)合材料軸管和連接件未發(fā)現(xiàn)被破壞。試驗(yàn)破壞載荷如表3所示。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，傳動軸在極限載荷下沒有被破壞，滿足了設(shè)計(jì)要求。圖6為試驗(yàn)完成后的復(fù)合材料傳動軸，只是表面裝飾層（收縮膜和碳?xì)郑┟撜?，連接和本體部分都沒有被破壞。

4 結(jié)論

有限元和試驗(yàn)驗(yàn)證說明，復(fù)合材料傳動軸滿足設(shè)計(jì)要求，碳纖維復(fù)合材料傳動軸質(zhì)量僅為10.4 kg。與不銹鋼傳動軸的質(zhì)量16.5 kg相比，減重達(dá)到36%.

受工藝限制，本文設(shè)計(jì)的傳動軸沿軸向厚度一致，可以考慮將應(yīng)力較低的中間部分厚度減薄，將其設(shè)計(jì)成改變厚度的復(fù)合材料傳動軸，估計(jì)減重能達(dá)到50%.

碳纖維傳動軸的良好性能和減輕車重的作用對制造商來說有巨大的魅力，汽車材料應(yīng)用領(lǐng)域復(fù)合材料傳動軸具有很大的潛在應(yīng)用市場。

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作者簡介：楊敏超（1984—），女，碩士，工程師，研究方向?yàn)榱W(xué)分析、結(jié)構(gòu)動強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

〔編輯：白潔〕