一種新型碳纖維復(fù)合材料傳動軸及其成型工藝

1、一種新型碳纖維復(fù)合材料傳動軸及其成型工藝 基于現(xiàn)有碳纖維復(fù)合材料傳動軸存在的金屬件與碳 纖維軸連接不穩(wěn)定和碳纖維軸難以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)的問題， 設(shè)計了一種新型碳纖維復(fù)合材料傳動軸及其成型工藝，意圖 達(dá)到低成本生產(chǎn)的制造理念和“節(jié)能減排”的目標(biāo)，擬采用 創(chuàng)新設(shè)計配套的加工工藝方法制造一種新型碳纖維復(fù)合材 料傳動軸，使傳動軸大幅度減重，可以保證車身各方面的性 能以及安全性能不受影響，并配套加工工藝實現(xiàn)大批量制 造，降低制造成本的同時達(dá)到節(jié)能的目的。 碳纖維復(fù)合材料傳動軸應(yīng)用于汽車的背景 汽車的輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前 提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力 性，減少燃

2、料消耗，降低排氣污染。有實驗表明，若汽車整 車重量降低10%，燃油效率可提高 6%8% ；汽車整備質(zhì)量 每減少100公斤，百公里油耗可降低 0.3L0.5L。 從理論上看，實現(xiàn)輕量化的途徑主要有三種：一是結(jié)構(gòu) 輕量化；二是特種加工；三是材料輕量化。從實際情況看， 使用輕量化材料是目前最常用的減重方式，而在輕量化材料 的選擇中，從寶馬、蘭博基尼等高檔車型到近幾年興起的新 能源汽車來看，碳纖維復(fù)合材料無疑是最大的熱點。但是， 由于其成本高昂，導(dǎo)致其無法被普及到普通汽車。將碳纖維 復(fù)合材料與傳統(tǒng)制車材料對比可得，碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì) 量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢。綜上，盡管碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)成 本較為昂貴，

3、碳纖維復(fù)合材料對汽車生產(chǎn)方仍然有很重要的 現(xiàn)實意義。 我們對不同的車用碳纖維復(fù)合材料零部件輕量化效果 進(jìn)行比較（如表 1 所示）。碳纖維復(fù)合材料有提高燃油效率 和降低油耗等特點，眾所周知，汽車傳動效率越高，傳遞動 力的過程中能量損失越小，汽車的油耗就越低，因此，改善 傳動軸的使用性能對汽車節(jié)能減排具有比較重要的意義。碳 纖維復(fù)合材料傳動軸它不僅可減輕 60%的重量， 還使傳動軸 具有更好的耐疲勞性和耐久性，但是調(diào)查發(fā)現(xiàn)，碳纖維復(fù)合 材料在傳動軸應(yīng)用普及方面較為困難。一方面，由于碳纖維 復(fù)合傳動軸的制造方法為纏繞生產(chǎn)，加工過程繁瑣，生產(chǎn)效 率低，導(dǎo)致無法大批量生產(chǎn)；另一方面，金屬件與碳纖維復(fù) 合

4、傳動軸的連接部分容易出現(xiàn)失效現(xiàn)象。 現(xiàn)在碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用成本主要分為兩部分，一是碳 纖維材料的成本，二是碳纖維制造為零部件的制造成本。材 料的成本隨著碳纖維技術(shù)發(fā)展已經(jīng)逐年減少，目前采用較多 的聚乙烯前體和聚丙烯腈前體成本分別只有1美元/lb，和3 美元/lb。但是碳纖維復(fù)合材料制造為零部件的成本就不太可 觀了，由單件小批量生產(chǎn)到規(guī)?；a(chǎn)。長久以來，以手工 為主的單件小批量生產(chǎn)模式一直占據(jù)著碳纖維復(fù)合材料汽 車零部件主要制造過程，因而易于造成產(chǎn)品質(zhì)量難以保證、 制造成本較高與生產(chǎn)效率較低。所以碳纖維復(fù)合材料能否滿 足大批量生產(chǎn)的要求至關(guān)重要。 研究意義 在機(jī)械產(chǎn)品中傳動軸的使用相當(dāng)普遍，在

5、工作過程中， 傳動軸主要承受扭轉(zhuǎn)力矩。碳纖維傳動軸的比強(qiáng)度高、抗腐 蝕、耐疲勞強(qiáng)度及動態(tài)特性良好，與金屬傳動軸相比，碳纖 維傳動軸傳遞的扭矩更多，質(zhì)量更輕（以汽車傳動軸為例， 碳纖維復(fù)合材料傳動軸可使原來的兩件簡化為單件，與鋼材 相比減重60% ,每個傳動軸減重9kg）,轉(zhuǎn)動需要的功率更低 但碳纖維復(fù)合傳動軸與金屬件連接部分容易產(chǎn)生失效，影響 軸的性能。因此，改善碳纖維傳動軸的連接結(jié)構(gòu)具有非常重 要的意義。此外，由于受現(xiàn)有的連接方式限制，碳纖維復(fù)合 傳動軸難以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，制造效率低、成本高，所以降 低制造成本乃當(dāng)務(wù)之急。 綜上所述，研究碳纖維復(fù)合傳動軸與金屬件連接方式， 對于改善軸的性能，

6、開發(fā)碳纖維復(fù)合軸低成本制造工藝，降 低制造成本，激發(fā)碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化研究方向上 的潛能，為汽車節(jié)能降耗等方面做出貢獻(xiàn)具有重大意義。 實施方案 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計 1）設(shè)計背景。金屬件與碳纖維復(fù)合傳動軸的連接部分 容易出現(xiàn)失效現(xiàn)象，因此金屬件與碳纖維復(fù)合傳動軸的連接 方式是制約碳纖維復(fù)合傳動軸成型的關(guān)鍵因素。對比膠接連 接（如圖 1，1 為金屬部分， 2 為碳纖維復(fù)合材料薄壁圓管） 、 機(jī)械連接和混合連接可以發(fā)現(xiàn)，這幾種連接方式都存在連接 金屬件與碳纖維復(fù)合材料連接部分強(qiáng)度低，裝配效率低的問 題。因此，本項目擬從軸的金屬件與碳纖維復(fù)合材料連接方 式開始尋求一種新型連接方式，在圓形連接的基礎(chǔ)上

7、，受花 鍵連接啟發(fā)，改進(jìn)金屬件與碳纖維復(fù)合材料連接方式。 2）整體結(jié)構(gòu)。 傳動軸整體結(jié)構(gòu)如圖 2，我們參考花鍵連接方式接觸面 積大、承載能力高、定心性能和導(dǎo)向性能好，鍵槽淺、應(yīng)力 集中小，對軸和轂的強(qiáng)度削弱小，同 ?r 結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，設(shè) 計了一種新的連接方式。在法蘭盤的金屬軸頸內(nèi)表面上開 8 個半圓，同時在碳纖維軸上外表面上開 8 個半圓，這樣法蘭 盤和碳纖維軸就共同形成一個公共孔，即對應(yīng)一個銷孔。在 銷孔里插入銷釘，銷釘兩端用螺紋固定，這樣就實現(xiàn)了連接 部分的整體設(shè)計。此外，為進(jìn)一步強(qiáng)化了碳纖維軸與法蘭盤 之間的連接強(qiáng)度，插完銷釘后還應(yīng)將這一傳動軸整體進(jìn)行固 化。 3）碳纖維軸設(shè)計。碳纖維

8、軸的半圓孔與法蘭盤金屬軸 頸上的半圓孔形成一個整圓孔，這樣一根銷釘便可穿過起到 固定作用。此設(shè)計并沒有采用鉆孔的方法，因為這樣會破壞 纖維，會造成和鉆孔同樣的強(qiáng)度降低效應(yīng)，這種設(shè)計通過工 藝來完成這些半圓孔而不破壞纖維。 碳纖維軸生產(chǎn)工藝 針對這種碳纖維軸結(jié)構(gòu)我們研究了一種不破壞纖維的 生產(chǎn)工藝方法，由于濕法纏繞成型所需設(shè)備簡單，工序少而 生產(chǎn)周期較短，可有效降低制造成本和提高生產(chǎn)效率。資料 表明，以濕法纏繞代替干法纏繞，成本約降低 40% 。并且濕 法纏繞工藝能使浸漬樹脂的纖維直接纏繞在芯模上。所以我 們設(shè)計的工藝方法依托于濕法纏繞的成型工藝。其芯模如圖 3。芯模兩端有 8 個凹槽的圓柱，這

9、樣纖維纏繞出來的碳纖 維軸兩端內(nèi)表面會有突起半圓，外表面就會有需要的半圓 孔。這樣纏繞就會存在一個纖維不能落在芯模凹槽上的問 題，而目的效果是碳纖維要緊密貼合與芯模表面。為了解決 這一問題我們設(shè)計了一種裝置，能夠使纖維緊貼與芯模表 面。其具體結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。 碳纖維纏繞時，芯模 為定軸轉(zhuǎn)動，壓纖齒輪隨著芯模的齒傳動。當(dāng)纖維纏繞至兩 端時壓纖齒輪會將漂浮于芯模表面的碳纖維壓下去，這樣碳 纖維就能緊密貼合于芯模上，最終得到我們需要的外表面有 半圓孔的碳纖維軸成品。由于碳纖維軸的直徑隨著纏繞的進(jìn) 行會逐漸變大，所以壓纖齒輪不能固定不動，這里用兩個軸 套板一段共軸，另一端分別套在壓纖齒輪和芯模的中

10、心軸 上，兩個軸套板設(shè)置一伸長狀態(tài)的彈簧，有了彈簧不但可以 使芯模軸心和壓線齒輪軸心的距離隨著碳纖維軸的直徑增 大而增大，還持續(xù)提供了二者貼合的力。 可行性分析 1) 技術(shù)上，本設(shè)計都是依托在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上的。 在設(shè)計這種碳纖維傳動軸的工藝時，我們還是以目前碳纖維 加工用的最多的纏繞的方式為中心，設(shè)計的結(jié)構(gòu)和加工工藝 都是方便纏繞的。碳纖維軸較傳統(tǒng)的金屬軸，我們采用中空 的，因為傳遞扭矩時應(yīng)力主要分布于外表面，并且碳纖維較 普通結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度也大很多。每個工藝和結(jié)構(gòu)力學(xué)分析都是 合理的。 2) 材料上，碳纖維是一種目前已有廣泛應(yīng)用的材料， 各項力學(xué)性能都非常好，并且目前對于碳纖維的加工方法也

11、比較完善。 3) 應(yīng)用范圍上，這種傳遞扭矩的傳動軸在各種機(jī)床， 汽車轉(zhuǎn)動軸都很適合。應(yīng)用范圍極為廣泛。 4) 經(jīng)濟(jì)上，使用這種碳纖維復(fù)合材料傳動軸對節(jié)約能 源具有顯著效果。效益分析如下：確定碳纖維傳動軸的結(jié)構(gòu) 設(shè)計后， 在滿足同樣的使用要求下， ?算碳纖維軸相對傳統(tǒng)軸 的質(zhì)量減少量。研究表明，汽車輕量化是降低能耗、減少排 放的最有效措施之一。例如汽車每減少 100kg ，可節(jié)省燃油 0.30.5L/ (100km),可減少 C02 排放 811g/ (100km)。 通過問卷調(diào)查可知，一般汽車使用用戶每月駕車行駛里 程在2 000km左右。平均一輛車每年能節(jié)省燃油35L ,減 少C02排放80110g。假設(shè)推廣至生產(chǎn)1 000萬輛車使用改 新型傳動軸。每年可節(jié)省燃油 3 000 5 000 萬升，減少 CO2 排放 800 1 000t。 參考文獻(xiàn) 1 楊睿