環(huán)氧樹脂對汽車傳動軸增韌效果影響研究

白小燕

摘要：汽車傳動軸是汽車傳動結(jié)構(gòu)中傳遞動力最重要的軸構(gòu)件，分別由軸管、伸縮套和萬向節(jié)組成，分段式結(jié)構(gòu)必須增加中間支承來鞏固結(jié)構(gòu)。傳動軸在運行中受力情況復(fù)雜，容易受到外力擠壓產(chǎn)生裂紋直至結(jié)構(gòu)收到摧毀。傳動軸構(gòu)件若是受損失效后會造成嚴重的后果。因此本文重點在于尋找汽車傳動軸如何增韌的方法。研究發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹脂在機械、電子電器和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用，運用廣泛。環(huán)氧樹脂是一種性能優(yōu)良的基體材料，然而，由于其具有高度交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使其韌性差、脆性大，限制了其進一步推廣應(yīng)用，通過對環(huán)氧樹脂的改性轉(zhuǎn)化可降低脆性，增加任性，文章將對環(huán)氧樹脂的改性方法進行探究，汽車傳動軸結(jié)構(gòu)進行分析，綜合傳動軸的運行需求結(jié)合環(huán)氧樹脂改性增韌特點進行環(huán)氧樹脂對汽車傳動增韌效果的影響研究。

關(guān)鍵詞：汽車傳動軸;環(huán)氧樹脂;增韌;改性

中圖分類號：TQ323.5 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0016-04

汽車傳動軸在運行過程中，要面對啟動，制動及運行中帶來的強烈沖擊力，因此，優(yōu)良的強度和韌性對汽車傳動軸是及其重要的。因此使用優(yōu)化的傳動軸材料，設(shè)計出合理高性能傳動軸對于汽車生產(chǎn)是十分重要的。環(huán)氧基和固化劑之間進行相互反應(yīng)形成的三維交聯(lián)網(wǎng)狀高聚物[1]就是環(huán)氧樹脂，它是一種貯存穩(wěn)定、電氣性能、耐腐蝕性極好的基體材料。在很多電子機械領(lǐng)域使用度高。然而，原始的環(huán)氧樹脂固化后形成的化學(xué)結(jié)構(gòu)呈三維網(wǎng)狀，此結(jié)構(gòu)注定了它的產(chǎn)品表現(xiàn)出韌性，耐腐蝕性差的特性，在很多領(lǐng)域都受限，無法擴寬?；谏鲜鲈?，環(huán)氧樹脂的增韌改性成了研究的重點。將改性后的環(huán)氧樹脂運用到傳動軸設(shè)計中將會帶來不一樣的新體驗。

1 轉(zhuǎn)動軸

1.1轉(zhuǎn)動軸組成結(jié)構(gòu)

傳動軸總成裝在變速器和后橋之間，將變速器傳來的扭矩與旋轉(zhuǎn)運動傳遞給后橋的主減速器。傳動軸是由軸管、伸縮套和萬向節(jié)組成，分段式須加中間支承。在萬向傳動裝置中，一般會將傳動軸制成實心軸，但是為了得到較高的強度和剛度，做成空心軸是一個不錯的選擇。轉(zhuǎn)動軸系統(tǒng)如圖1、圖2所示。

1.2軸管設(shè)計要求

1）強度要求：現(xiàn)實生活中汽車的工作情況是十分復(fù)雜的，在工作中在承受汽車內(nèi)部交變引起的負荷，又要承受運行中因起動、制動及道路環(huán)境所引起的沖擊載荷，所以對強度和可塑性要求較高。

2）精度要求：在高速旋轉(zhuǎn)運動狀態(tài)下傳遞扭矩的傳動軸，只有達到了一定精度的幾何形狀和質(zhì)量，才能使傳動軸的質(zhì)量中心與回轉(zhuǎn)中心無限接近，所以綜上要求軸管質(zhì)量一定均勻分布。從而可以減少由于離心力帶來的系統(tǒng)震動，保證車輛運行穩(wěn)定性。

3）工藝性要求：為保證傳動軸總的質(zhì)量，轉(zhuǎn)動軸鋼管制造過程必須保證壓扁，擴口，靜扭等工藝性能檢測過關(guān)，保證軸管質(zhì)量。

2 傳動軸承受強度計算及軸管制造材料

2.1傳動軸承受強度計算

1）臨界轉(zhuǎn)速：當(dāng)傳動軸工作時的轉(zhuǎn)速達到一定數(shù)額，出現(xiàn)共振現(xiàn)象時，由于振幅急劇增加而引起傳動軸折斷時的轉(zhuǎn)速。傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速nk（r/min）為2）軸管的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力應(yīng)滿足：

2.2軸管制造材料

1）壁厚為4.Omm～5.Omin的軸管選擇082熱軋帶鋼;

2）壁厚在2.smm以下的軸管最好選擇冷軋帶鋼;

3）08Ti、10Ti、15Ti鋼均屬含欽的低合金鋼。鋼中加入Ti后，使品粒細化，提高了鋼的屈服強度、拉伸強度和屈強比。

3 環(huán)氧樹脂增韌方法及改性方法分析

3.1環(huán)氧樹脂增韌方法

通過對汽車傳動軸結(jié)構(gòu)，材料，制造要求分析，汽車轉(zhuǎn)動軸在承受的強度和韌度上要求比較高，綜合實際情況，強度比較容易達到，韌性上面可運用改良材料，環(huán)氧樹脂作為一種性能優(yōu)良的基體材料，然而，由于其具有高度交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使其韌性差、脆性大，限制了其進一步推廣應(yīng)用，通過改性可達到高度運用。

目前環(huán)氧樹脂增韌的基本途徑有以下幾種：

1）運用熱塑性塑料，剛性顆粒第二相或橡膠進行增韌改性;

2）用熱塑性塑料連續(xù)貫穿于故熱性樹脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中形成互穿網(wǎng)絡(luò)模式進行改性;

3）改變樹脂自身交聯(lián)式網(wǎng)絡(luò)化學(xué)結(jié)構(gòu)。

3.2環(huán)氧樹脂改性方法簡介

3.2.1熱塑性樹脂（TP）

為提高熱塑性樹脂的韌性，20世紀80年代國內(nèi)外研究者開始采用TP對環(huán)氧樹脂進行改性的研究。描述TP增韌環(huán)氧樹脂的機理可以從顆粒撕裂吸收能量理論和孔剪切屈服等理論進行。由于TP具有極好的韌性、強度及耐熱性等優(yōu)點，在對環(huán)氧樹脂進行改性過程中，在能顯著提高材料體系的韌性以及抗疲勞特性的同時，環(huán)氧樹脂固化物的數(shù)量和耐熱性會保持不變。由于材料體系中的連續(xù)相互反應(yīng)是材料力學(xué)性能和熱電學(xué)性能的主要影響因素，直接影響TP的增韌效果取決于TP是否可以在聚合反應(yīng)誘導(dǎo)相分離的過程中發(fā)生反向轉(zhuǎn)進而形成連續(xù)性結(jié)構(gòu)。

3.2.2橡膠彈性體

采用橡膠彈性體對環(huán)氧樹脂進行增韌的方法是研究的比較早的一個方向。人們對這種橡膠微粒分散在脆性連續(xù)性相體系的力學(xué)行為進行了系統(tǒng)的研究。圖3是設(shè)想的幾種機理示意圖。

20世紀60年代末期，McGarry等[1]首次打破常規(guī)嘗試添加端羧基丁腈橡膠對環(huán)氧樹脂進行增韌改性，結(jié)果意想不到的好。橡膠彈性體在環(huán)氧樹脂固化過程中會形成“海島結(jié)構(gòu)”，結(jié)構(gòu)如下圖4所示。此固化過程會使得環(huán)氧樹脂的韌性大大增強，它的抗沖擊力強度隨之提高。然而，橡膠彈性體在增韌環(huán)氧樹脂的同時，固化反應(yīng)過程中環(huán)氧樹脂分離不充分，同時，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和彈性模量急劇下降，下降的熱穩(wěn)定性是一個導(dǎo)致它無法推廣其在高溫場合的應(yīng)用的重要因素。限制了它的使用。影響橡膠彈性體增韌效果好壞有2個方面：①橡膠彈性體在液態(tài)環(huán)氧樹脂之中分布是否均勻，也就是說它與液態(tài)環(huán)氧樹脂之間是否具有良好的相容;②它與環(huán)氧樹脂液體橡膠相互反應(yīng)的活性基團在固化過程中能否順利進行，并且是否能保證能均勻分散到環(huán)氧樹脂中去。

3.2.3互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPNs）

兩種以上在組成和結(jié)構(gòu)上存在一定差異的共聚物或均聚物持續(xù)不間斷進行物質(zhì)間互相串聯(lián)捆綁、交互交聯(lián)而形成的一種特殊混合體系，我們把它叫做IPNs。其網(wǎng)絡(luò)聚合物體系如圖5所示。理論上的IPNs是可以顯現(xiàn)出均聚物的動態(tài)力學(xué)性能，IPNs理想中是可以和環(huán)氧樹脂共融的。在固化反應(yīng)中，不能參加反應(yīng)的IPNs被分離踢出成為新的分散相，這些被淘汰出來的IPNs是環(huán)氧樹脂增韌的關(guān)鍵。在反應(yīng)中銀紋遇到IPNs的分散相顆粒，銀紋的發(fā)展擴充過程就會發(fā)生突然的轉(zhuǎn)向、分支等，與此同時在受到外來的破壞應(yīng)力下，分散顆粒還可以阻止初始裂紋發(fā)展成為破壞性裂紋，起到保護作用;由于IPNs增韌的環(huán)氧樹脂體系是一種用材料以完全物理貫穿的方式與另一種材料混合獲得的，它是一種運用物理方式結(jié)合的，兩者并不是通過化學(xué)反應(yīng)形成化學(xué)鍵獲得的，從而使得IPNs改性增韌的環(huán)氧樹脂相比于普通共混聚合物增韌效果更佳好。IPNs增韌改性方法可以提高環(huán)氧樹脂體系的韌性和抗沖擊能力，還不會降低其熱穩(wěn)定性和拉伸強度，甚至還稍有提高?？梢哉f是一種性價比較高的增韌方法。

3.2.4超支化聚合物（HBP）

HBP顧名思義，我們可以推測出超支化聚合物必定是由小分子反應(yīng)形成的體積較大的聚合物[2]。HBP改善環(huán)氧樹脂韌性的優(yōu)點如下：①HBP的活性基團可以和環(huán)氧樹脂基體進行固化反應(yīng)，從而形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)大大提高了固化效率;②HBP獨特的粒子大小和球狀結(jié)構(gòu)恰如其分地保護防止有害粒子的形成侵入進而避免過濾效應(yīng)的發(fā)生，可從內(nèi)部進行增韌;③HBP的球狀結(jié)構(gòu)設(shè)計很棒，球狀的結(jié)構(gòu)可以和環(huán)氧樹脂基體大面積融合，材料體系的收縮率大大降低。HBP合成與白組裝研究如圖6所示。此外，相比其他的形態(tài)的聚合物，在同樣的相對分子質(zhì)量下，HBP的溶解度是高出其他同類物質(zhì)的，且它的化學(xué)反應(yīng)活性以及更低的黏度。因此，由于HBP增韌方法是具有TP的高耐熱性、橡膠的低黏度等優(yōu)點，在增韌領(lǐng)域中，越來越多的人會選擇它。簡而言之，HBP增韌環(huán)氧樹脂是一種十分具有研究價值的增韌方法，增韌空間比較大。

3.2.5核/殼結(jié)構(gòu)聚合物（CSLP）

CSLP是經(jīng)由兩種或兩種以上單體通過乳液聚合而形成的一種聚合物復(fù)合粒子。CSLP粒子結(jié)構(gòu)中的殼和核功能各不相同[3]，這主要取決于它內(nèi)外聚集的聚合物，呈現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)十分別致，多為雙層或者多層結(jié)構(gòu)。CSLP粒子增韌環(huán)氧樹脂的主要機制是空穴化一塑性形變。CSLP粒子應(yīng)力十分集中，很少有分散較大的情況，它在消耗剪切帶和銀紋的能量的同時，還能夠阻礙銀紋進一步惡化;另外一種通過CSLP粒子來提高材料粘接強度和韌性的方法是從環(huán)氧樹脂界面脫離，環(huán)氧樹脂將會產(chǎn)生彈性形變，從而產(chǎn)生彈性勢，在過程中彈性勢能將因此被消耗掉。采用CSLP對環(huán)氧樹脂進行增韌的優(yōu)點如下：①CSLP增韌的成效高于液體橡膠的增韌，具體表現(xiàn)在Tg持久性強，沒有明顯下滑，具有良好的熱穩(wěn)定性;②利用CSLP來增韌可以人為控制粒子的大小、形狀，按照需求設(shè)計出適合的結(jié)構(gòu)，它的可控性較好，包覆粒子可以均勻分散在環(huán)氧樹脂基體中，提高增韌效果。

4 結(jié)語

中國作為世界上汽車第一大消費和生產(chǎn)大國，隨著汽車工業(yè)的飛速增長，伴隨而來很多問題，例如資源消耗，汽車使用安全性及汽車節(jié)能減排等問題。文章主要探究環(huán)氧樹脂對汽車傳動軸的增韌影響，環(huán)氧樹脂的改性運用能大大提高汽車傳動軸韌性，達到使用安全要求，減少材料使用。首先介紹了汽車傳動軸的結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)使用達標要求及對材料達標要求，隨后介紹環(huán)氧樹脂的性能及多種增韌方法列舉，可見環(huán)氧樹脂的改性增韌相對成熟的，可擴寬環(huán)氧樹脂的使用領(lǐng)域，相信在汽車的傳動軸增韌運用上是，環(huán)氧樹脂一定能發(fā)揮它獨有的作用，為我國汽車制造添磚加瓦。

參考文獻

[1]宋盛菊，楊法杰，褚庭亮，等.環(huán)氧樹脂增韌方法及增韌劑的研究進展[J].中國印刷與包裝研究，2013，5（5）：9-24.

[2]張博，王汝敏，江浩，等.超支化聚合物增韌改性環(huán)氧樹脂的研究[J].工程塑料應(yīng)用，2014，42（11）：6-10.

[3]汪源，王源升.不同結(jié)構(gòu)聚合物核殼粒子對環(huán)氧樹脂的增韌改性[J].高分子材料科學(xué)與工程，2012，28（2）：23-27.