某重型卡車碳纖維復合材料傳動軸的設計

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計的碳纖維復合材料傳動軸，并通過有限元分析和試驗驗證了碳纖維復合材料傳動軸在重型卡車上應用的可能性。與金屬傳動軸相比，文中設計的碳纖維復合材料轉動軸質量減輕了36%.

關鍵詞：傳動軸；碳纖維；復合材料；有限元分析

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：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構。碳纖維復合材料傳動軸具有高比強度、高比剛度、良好的耐蠕變和耐腐蝕性，在滿足強度和剛度設計要求下，可以將原來的雙件傳動軸簡化為單件。從國內外目前情況看，與傳統(tǒng)金屬傳動軸相比，碳纖維復合材料傳動軸的質量減輕了30%.國內對復合材料汽車傳動軸有一定的研究，但是，它主要應用于冷卻塔風機、造紙機、印刷機、壓縮機、泵或者輕型汽車上，在重型卡車上的應用很少。本文簡要介紹了為某重型卡車設計的碳纖維復合材料傳動軸，減重效果非常明顯。

1 傳動軸設計

在實際使用過程中，傳動軸主要受到扭轉力的作用，其本體必須具有足夠的扭轉強度承擔扭矩而不被破壞。除此之外，對于薄壁結構，也必須要考慮其扭轉后的穩(wěn)定性。第三個主要的設計要求就是臨界轉速，當傳動軸的轉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。傳動軸載荷設計要求如表1所示。

為了滿足設計要求，采用管體搓卷成形工藝方案，即采用金屬機加芯模，金屬芯模外表面鍍鉻，為預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)定的管體內徑尺寸小0.1 mm。采用碳纖維預浸料在芯模上搓卷，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預固化。搓卷完成后，用熱收縮帶、真空袋和熱壓罐進行加壓固化，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能力。傳動軸的軸向為0°方向，纖維角度分別為0°、±45°、90°?？紤]傳動軸主要承擔扭轉力產生的剪切應力，尤其對于重型卡車，其扭矩高達33 000 N·m（考慮1.5安全系數(shù)），扭矩引起的剪切應力很大，所以，設計時，將±45°的比例定為60%，0°的比例定為20%；為了減弱泊松比效應，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度要求很高。傳統(tǒng)的齒紋式連接不能滿足設計要求，所以，本文采用了高抗剪抽芯鉚釘連接復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，內徑為130 mm。為了減輕質量，選用強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，各層屬性按照由內部到外部的順序逐個定義。

選取全局坐標系為結構的材料坐標系，指定材料坐標系的X方向為鋪層的0°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度為327.4 MPa，小于其許用擠壓強度400 MPa。

結構外徑Dc為130 mm，內徑dc為150 mm，代入式（3）中得臨界轉速nk為15 488 r/min，遠遠大于額定轉速2 200 r/min。

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

3 試驗驗證

為了驗證有限元計算的合理性，在某汽車汽研中心底盤試驗室進行了復合材料傳動軸靜扭試驗，試驗設備為20世紀50年代的5Ton扭轉試驗機，如圖5所示。

試驗件共3件，設計載荷（扭矩）為33 000 N·m。試驗件破壞載荷分別為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），而復合材料軸管和連接件未發(fā)現(xiàn)被破壞。試驗破壞載荷如表3所示。

經(jīng)試驗驗證，傳動軸在極限載荷下沒有被破壞，滿足了設計要求。圖6為試驗完成后的復合材料傳動軸，只是表面裝飾層（收縮膜和碳氈）脫粘，連接和本體部分都沒有被破壞。

4 結論

有限元和試驗驗證說明，復合材料傳動軸滿足設計要求，碳纖維復合材料傳動軸質量僅為10.4 kg。與不銹鋼傳動軸的質量16.5 kg相比，減重達到36%.

受工藝限制，本文設計的傳動軸沿軸向厚度一致，可以考慮將應力較低的中間部分厚度減薄，將其設計成改變厚度的復合材料傳動軸，估計減重能達到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，汽車材料應用領域復合材料傳動軸具有很大的潛在應用市場。

參考文獻

[1]翟國華，候培民.新世紀中國汽車工業(yè)用纖維的發(fā)展[J].合成纖維工業(yè)，2003，26（3）：3-4.

[2]沈碧霞，薛元德，劉壯健.復合材料板簧與傳動軸的研制[J].工程塑料應用，1992（20）：27-32.

[3]Pollard，A.Polymer Matrix Composite in Driveline Applications. International Conference on Materials for Lean weight Vehicles，1999（11）.

[4]沈觀林.復合材料力學[M].北京：清華大學出版社，1996：50-80.

————————

作者簡介：楊敏超（1984—），女，碩士，工程師，研究方向為力學分析、結構動強度設計。

〔編輯：白潔〕