碳纖維復(fù)合材料汽車傳動軸設(shè)計(jì)與振動特性分析

張錦光，韓會永，馬祥禹，譚建，姚宇

(1. 武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070； 2. 上汽通用五菱汽車股份有限公司 技術(shù)中心，廣西 柳州 545000)

0 引言

汽車傳動軸是汽車傳動系統(tǒng)的主要部件，在汽車行駛過程中負(fù)責(zé)傳遞動力總轉(zhuǎn)矩作用，其強(qiáng)度要求及其動態(tài)特性對整車安全與舒適性影響很大，動力傳動軸彎曲振動在很大的頻段內(nèi)對車輛振動噪聲有重要的影響[1-2]。合理地設(shè)計(jì)傳動軸對解決汽車的振動和噪聲問題是十分重要的[3]。

現(xiàn)階段汽車傳動軸主要由金屬制作而成。由于金屬比模量、比剛度較低、一段式金屬傳動軸共振頻率極低，金屬傳動軸一般采用二段式設(shè)計(jì)[4]，這就使得傳動軸的加工、布置、安裝和調(diào)試變得繁瑣。增加的萬向節(jié)與傳動軸支架等連接部件，大大增加了傳動軸總成的質(zhì)量，亦會對傳動軸總成振動性能產(chǎn)生影響。

相對于金屬而言，碳纖維復(fù)合材料具有比重小、比強(qiáng)度和比模量高、耐疲勞等特點(diǎn)[5-6]。使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料代替原金屬材料制備一段式汽車傳動軸，可在大幅減輕總體結(jié)構(gòu)自重的同時，減少噪聲，降低傳動系統(tǒng)能量損失，提高抗振性能，改善轉(zhuǎn)動軸的振動固有頻率以及最低臨界轉(zhuǎn)速[7-8]。

1 碳纖維復(fù)合材料傳動軸設(shè)計(jì)

1.1 汽車傳動軸設(shè)計(jì)要求

根據(jù)某汽車的使用情況，碳纖維復(fù)合材料汽車用傳動軸設(shè)計(jì)要求如表1所示。

碳纖維復(fù)合材料由纖維基體與樹脂復(fù)合而成。碳纖維根據(jù)強(qiáng)度、模量不同可分為T300/T700/T1000和M30/M40等基體材料，樹脂亦可分為熱塑性樹脂與熱固性樹脂等。本文根據(jù)碳纖維傳動軸設(shè)計(jì)要求，選擇碳纖維基體材料為高模量纖維M40J，樹脂選擇熱固性樹脂中的環(huán)氧樹脂，它具有耐高溫、粘附性好、耐腐蝕、工藝性能好等優(yōu)點(diǎn)。M40J/環(huán)氧樹脂的工程參數(shù)如表2所示,單層厚度為0.075 mm。

表1 碳纖維復(fù)合材料傳動軸設(shè)計(jì)要求

表2 M40J/環(huán)氧樹脂工程參數(shù)

碳纖維復(fù)合材料具有正交各向異性的特性，沿纖維方向的強(qiáng)度最大。前人的相關(guān)研究成果表明[9-11]： 0°、45°和90°的鋪層，有利于提高抗扭性能。增加 0°鋪層的比例可以提高軸向模量，提高傳動軸的固有頻率。對稱鋪層方案相比于反對稱鋪層方案更有利于零件抗扭強(qiáng)度的提高。受層合工藝限制，在本文中采用0°、10°、45°、90° 3種角度進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì),其中10°為小角度層，用于隔離相鄰0°層[12-13]。現(xiàn)設(shè)定以下5種鋪層方案：

方案1：[±45]10s

方案2：[±45/0/90]5s

方案3：[±45/0/±10]4s

方案4：[±45/0/±45]4s

方案5：[±45/0/90/0]4s。

1.2 碳纖維汽車傳動軸強(qiáng)度校核

碳纖維復(fù)合材料傳動軸設(shè)計(jì)需要進(jìn)行強(qiáng)度校核。對于復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)軸管，扭轉(zhuǎn)剪切強(qiáng)度反映軸管在承受轉(zhuǎn)矩載荷下的極限破壞載荷。除此之外，復(fù)合材料軸管在服役期間，可能出現(xiàn)屈曲變形，發(fā)生損壞，故設(shè)計(jì)過程中還需要對屈曲轉(zhuǎn)矩進(jìn)行校核。

碳纖維復(fù)合材料傳動軸扭轉(zhuǎn)剪切強(qiáng)度應(yīng)滿足式(1)：

(1)

其中，Wn為抗扭截面模量，k為復(fù)合材料安全系數(shù)，選取為3，[τ]為首層失效強(qiáng)度。根據(jù)理論計(jì)算可得出碳纖維軸管首層失效強(qiáng)度。

碳纖維復(fù)合材料傳動軸屈曲轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足式(2)：

(2)

其中，L為軸管長度，Ex,Ey為軸向與徑向模量，t為軸管厚度，D為軸管外徑。

根據(jù)式(1)與式(2)所示的強(qiáng)度準(zhǔn)則校核形式，對上述5種方案進(jìn)行求解，分別獲得各方案對應(yīng)首層失效強(qiáng)度和屈曲轉(zhuǎn)矩，如圖1所示。

圖1 5種方案首層失效強(qiáng)度及屈曲轉(zhuǎn)矩分布圖

根據(jù)圖1中的對比方案，方案1—方案5中，方案5的首層失效強(qiáng)度最小，經(jīng)校核其最大應(yīng)力亦滿足要求。5種方案屈曲轉(zhuǎn)矩均遠(yuǎn)大于受載轉(zhuǎn)矩。經(jīng)強(qiáng)度校核，所有方案均滿足扭轉(zhuǎn)剪切強(qiáng)度及屈曲轉(zhuǎn)矩校核。

1.3 碳纖維汽車傳動軸臨界轉(zhuǎn)速校核

汽車在運(yùn)行過程中，傳動軸傳遞轉(zhuǎn)矩的同時會隨著旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一定的振動，這種振動的幅度受傳動軸自身屬性的影響。在一定的轉(zhuǎn)速頻率下，傳動軸會產(chǎn)生強(qiáng)烈共振，影響汽車整體的平穩(wěn)性并對傳動軸壽命產(chǎn)生影響。因而在設(shè)計(jì)碳纖維復(fù)合材料傳動軸時，應(yīng)對其進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速性能的校核，即碳纖維復(fù)合材料傳動軸固有頻率校核。薄壁管復(fù)合材料傳動軸固有頻率的計(jì)算公式為[14]：

(3)

其中，Ex為軸向模量，ρ為材料密度，D為軸管外徑，d為軸管內(nèi)徑，l為軸管等效長度，忽略80mm×2膠接區(qū)域，等效長度取1 484mm。

對5種方案進(jìn)行求解，各方案對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速值如圖2所示。

圖2 5種鋪層方案臨界轉(zhuǎn)速分布圖

根據(jù)圖2所示的5種鋪層方案臨界轉(zhuǎn)速分布圖，結(jié)合強(qiáng)度校核結(jié)果，選擇方案3為最優(yōu)結(jié)果。選取的鋪層結(jié)構(gòu)為[±45/0/±10]4s。

圖3 碳纖維復(fù)合材料傳動軸鋪層結(jié)構(gòu)

2 碳纖維復(fù)合材料傳動軸模擬分析

2.1 強(qiáng)度與失效分析

根據(jù)方案3設(shè)定的鋪層結(jié)構(gòu)，選用Abaqus復(fù)合材料單元進(jìn)行仿真建模，施加轉(zhuǎn)矩載荷對強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，選用Tsai-Wu判據(jù)進(jìn)行破壞判斷，得到其在轉(zhuǎn)矩載荷下的應(yīng)力應(yīng)變分布如圖4和圖5所示，表征其破壞狀態(tài)的Tsai-Wu指數(shù)分布圖如圖6所示。

圖4 碳纖維復(fù)合材料軸管等效應(yīng)力云圖

圖5 碳纖維復(fù)合材料軸管等效應(yīng)變云圖

圖6 碳纖維復(fù)合材料軸管蔡吳失效云圖

選擇整體仿真結(jié)果進(jìn)行查看，設(shè)計(jì)的碳纖維汽車傳動軸蔡吳失效指數(shù)最大值為0.843 6，未發(fā)生破壞。分層查看每一鋪層的蔡吳失效值，發(fā)現(xiàn)最大值出現(xiàn)在外側(cè)第2層位置。

2.2 振動模擬分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的鋪層結(jié)構(gòu)，運(yùn)用Abaqus振動分析模塊進(jìn)行仿真建模，施加兩端固定約束模擬工裝運(yùn)行狀態(tài)，模擬分析得到振型圖如圖7所示。

圖7 碳纖維軸管約束振型

約束選擇兩端端面全約束，得到的彎曲振型如圖(7)所示，可以發(fā)現(xiàn)在模擬兩端固定約束的情況下，傳動軸發(fā)生彎曲振動時其彎曲最大位置為軸向中間面，因此在設(shè)計(jì)傳動軸倉的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)預(yù)留傳動軸發(fā)生振動時的安全空間。

3 碳纖維復(fù)合材料傳動軸振動實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)方案3制造了兩根碳纖維汽車傳動軸試樣。碳纖維軸管采用熱壓罐工藝固化成型，在預(yù)浸料成型期間，保證預(yù)浸料纏繞時的預(yù)緊力，確保預(yù)浸料貼合緊密。另外，用45號鋼加工與軸管相配合的汽車傳動軸金屬萬向節(jié)叉，將萬向節(jié)叉與碳纖維軸管用膠接形式膠合，得到試件如圖8所示。

圖8 碳纖維汽車傳動軸樣件

根據(jù)制造的碳纖維汽車傳動軸樣件，配合工裝夾具，使用某公司臨界轉(zhuǎn)速試驗(yàn)機(jī)(技OA/0509)，對樣件1、2分別進(jìn)行測試，得出其臨界轉(zhuǎn)速值。測試結(jié)果如表4所示。

表4 樣件試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)測試，樣件1、2的臨界轉(zhuǎn)速值大于設(shè)計(jì)要求，符合使用條件。

4 結(jié)語

1) 通過理論分析了幾種鋪層設(shè)計(jì)與碳纖維汽車傳動軸強(qiáng)度性能、振動性能的相應(yīng)關(guān)系，根據(jù)對應(yīng)關(guān)系選擇了一種合理鋪層。

2) 針對某型號汽車傳動軸要求，使用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式對設(shè)計(jì)的碳纖維汽車傳動軸失效、振動情況進(jìn)行了研究，了解了在傳動軸使用過程中失效集中、振幅劇烈的相應(yīng)位置，為碳纖維傳動軸服役提供了相應(yīng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

3) 理論、仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相差不大，說明設(shè)計(jì)的一種汽車用碳纖維傳動軸滿足設(shè)計(jì)要求。