復(fù)合材料半軸的輕量化設(shè)計(jì)

EcoCAR競(jìng)賽是一項(xiàng)針對(duì)大學(xué)生的汽車設(shè)計(jì)競(jìng)賽，第3屆EcoCAR競(jìng)賽的設(shè)計(jì)目標(biāo)是改善2016款雪佛蘭科邁羅的燃油經(jīng)濟(jì)性，從而減少其對(duì)環(huán)境的影響?？屏_拉多州立大學(xué)的參賽隊(duì)為該車設(shè)計(jì)了一個(gè)并行的變速器，該變速器可實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)輸出的并行傳輸，從而使傳輸?shù)狡嚢胼S上的轉(zhuǎn)矩增大，進(jìn)而改善汽車的功率輸出。由于汽車半軸上的轉(zhuǎn)矩增大，因而需要對(duì)傳統(tǒng)的半軸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。增大半軸的直徑，可使半軸滿足這種轉(zhuǎn)矩增大的需求，但這將使整車質(zhì)量增加，使汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性下降。對(duì)此，科羅拉多州立大學(xué)的參賽隊(duì)設(shè)計(jì)了一種輕量化半軸。

由于復(fù)合材料（如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）具有較高的耐沖擊性、耐腐蝕性和較輕的質(zhì)量，因而采用復(fù)合材料進(jìn)行了新型輕量化半軸的設(shè)計(jì)。由于制造工藝和制造成本的限制，因而傳統(tǒng)金屬半軸采用實(shí)心軸結(jié)構(gòu)。而復(fù)合材料為層狀結(jié)構(gòu)，在應(yīng)用過程中可采用不同復(fù)合材料層的疊加鋪設(shè)實(shí)現(xiàn)，可制造空心半軸。半軸設(shè)計(jì)過程中考慮的主要因素是，所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料半軸必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足疲勞壽命的要求。復(fù)合材料層的鋪設(shè)角度直接影響半軸的強(qiáng)度和剛度，考慮到半軸主要承受扭轉(zhuǎn)載荷，因而制造時(shí)將復(fù)合材料層進(jìn)行±45°的交錯(cuò)鋪設(shè)。最后，根據(jù)載荷要求和幾何約束可確定半軸的內(nèi)外徑。

通過試驗(yàn)對(duì)給出的復(fù)合材料半軸設(shè)計(jì)方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)選用的復(fù)合材料為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。采用美國(guó)英斯特朗生產(chǎn)的MT2扭矩測(cè)試儀進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明，所制造的復(fù)合材料半軸能夠滿足汽車的載荷要求，但其成本對(duì)碳纖維價(jià)格波動(dòng)較為敏感。

Eric Jambor et al.SAE 2016-01-1254.

編譯：張振偉