汽車碳纖維復合材料混合傳動軸設(shè)計研究

鄭總政

摘 要：碳纖維復合材料是一種應(yīng)用十分廣泛的材料，具有各向異性、質(zhì)量輕、強度高等特點。尤其是在汽車制造中，利用碳纖維復合材料可以制作車身表面覆蓋件、空氣動力組件等，能夠有效提升汽車的整體性能。在以往的汽車制造中，采用的是鋼鐵傳動軸，其彎曲固有頻率較小。為了滿足汽車高速行駛的要求，采用了兩段式傳動軸，但兩段式傳動軸存在著很多弊端。而應(yīng)用碳纖維復合材料制造汽車的混合傳動軸，能夠很好地解決這一問題，從而提升汽車的整體性能。

關(guān)鍵詞：汽車；碳纖維復合材料；混合傳動軸；力學性能

中圖分類號：U465.6；U463.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.081

當前，隨著人們生活水平的不斷提高，汽車已經(jīng)越來越普及，同時，人們對汽車的性能、質(zhì)量、穩(wěn)定性和耐用性等也提出了更高的要求。因此，只有質(zhì)優(yōu)價廉的汽車才能受到更多消費者的喜愛。傳動軸對汽車的性能和價格等具有很大的影響?；诳萍嫉陌l(fā)展，采用碳纖維復合材料制造汽車的混合傳動軸，對汽車的各項性能、輕量化等都有著十分重要的作用?？梢?，本文對汽車碳纖維復合材料混合傳動軸設(shè)計的研究具有一定的現(xiàn)實意義。

1 傳動軸的制造

汽車新型復合材料傳動軸主要是以復合材料為內(nèi)層，以金屬材料為外層。其中，外層材料主要選用鋁鎂合金、鋁合金等輕質(zhì)金屬材料，內(nèi)層的復合材料則主要為碳纖維。通過逐層粘貼的方式，將復合材料固定于金屬軸的內(nèi)表面，從而保護復合材料免受油水雜質(zhì)、外部沖擊等損壞。在當前的后驅(qū)和四驅(qū)車輛設(shè)計中，主傳動軸的長度在不斷增加。傳動軸的長度會對其固有頻率產(chǎn)生影響——長度越長，彎曲固有頻率越小。隨著碳纖維層鋪設(shè)角度的減小，碳纖維復合材料混合軸的固有頻率逐漸增加。因此，利用碳纖維復合材料以0°的角鋪設(shè)，能夠?qū)⑵噦鲃虞S的固有頻率提升45%左右。

汽車復合材料傳動軸應(yīng)當具有良好的扭轉(zhuǎn)剛度、扭轉(zhuǎn)強度和承載能力，其彎曲固有頻率至少要達到229 Hz以上。同時，自身質(zhì)量應(yīng)盡量減輕。因此，可以選用碳纖維材料、玻璃纖維材料、鋁合金材料分別作為混合傳動軸的內(nèi)層、中層和外層。在實際制造當中，首先按照一定的角度和順序，在金屬芯模上纏繞玻璃纖維和碳纖維，然后放入鋁合金軸中。此時，在芯軸旋轉(zhuǎn)壓力的作用下，復合材料層會貼在鋁合金軸內(nèi)壁。接著將真空袋插入混合軸，再用帶有“O”形密封環(huán)和真空管路的端蓋密封；將軸向預緊力施加于混合軸上，并消除復合材料層和鋁軸之間的殘余熱應(yīng)力；將混合軸抽成真空送入高壓釜，經(jīng)過3 h 125 ℃加熱即可。

2 傳動軸的力學性能

在傳動軸的設(shè)計過程中，必須要考慮到其剛度和強度等參數(shù)，從而確保零件的安全和可靠。汽車的傳動軸主要是傳遞扭矩，只承受由自身質(zhì)量產(chǎn)生的彎矩，而這種彎矩是可以忽略的。因此，在設(shè)計傳動軸強度的過程中，必須在許用剪應(yīng)力[t]下對圓軸橫截面最大剪應(yīng)力tmax進行限制。在校核傳動軸剛度時，要考察相對扭轉(zhuǎn)角。

汽車碳纖維復合材料混合傳動軸的靜態(tài)扭矩傳遞能力至少要達到2 700 N·m。利用相關(guān)公式可以計算出傳動軸的尺寸。一般情況下，后驅(qū)車輛傳動軸的外徑為60～120 mm，長度為1 200～1 500 mm。多層碳纖維的鋪設(shè)并沒有明顯提升傳動軸的固有頻率，因此，可以采用單層碳纖維混合軸。

3 傳動軸與萬向節(jié)的連接

混合傳動軸和金屬萬向節(jié)可采用機械、膠接等方式連接。其中，機械連接主要包括法蘭連接、螺栓連接、網(wǎng)紋連接、齒紋連接、銷釘連接等；膠接主要是利用結(jié)構(gòu)膠連接兩者。在實際應(yīng)用中，往往難以有效控制膠接質(zhì)量；而在機械連接中，螺栓連接和銷釘連接都需要在傳動軸上打孔，對傳動軸的強度較為不利。因此，通常采用齒紋連接方式。齒紋連接與矩形花鍵連接相似，齒根較淺、應(yīng)力集中、承載能力高。在裝配過程中，應(yīng)確保傳動軸與萬向節(jié)間的過盈配合。

在傳遞扭矩的過程中，每個齒的受力表達式為：

F=T/（N·r）. （1）

式（1）中：N為齒數(shù)；r為連接處等效半徑。

在設(shè)計中，根據(jù)連接的半徑、徑向長度等參數(shù)能夠確定優(yōu)化設(shè)計矢量X=（N，ws，h）。同時，要合理選擇齒紋的深度、寬度等。以2 700 N·m的扭矩為例，根據(jù)計算能夠得出需要的齒數(shù)為5，齒長為60 mm、寬為25 mm、深為1 mm。最后根據(jù)實際情況修改齒紋參數(shù)，最終確定齒數(shù)為20，齒寬為6.4 mm，其他參數(shù)保持不變，傳動軸性能滿足實際應(yīng)用要求。

4 結(jié)論

傳動軸是汽車中十分重要的零部件，對汽車的質(zhì)量、強度、性能都有著很大的影響。因此，為了提升汽車整體性能，可以采用碳纖維復合材料制造汽車混合傳動軸。與以往的鋼鐵材料傳動軸相比，碳纖維復合材料能在更大程度上提升汽車傳動軸的性能。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕