復(fù)合材料傳動(dòng)軸的應(yīng)用及技術(shù)研究進(jìn)展

常燕 ，朱濤 ，孫士祥 ，唐凱 ，孟祥武 ，段立峰 ，李元哲

(1.山東非金屬材料研究所，濟(jì)南 250031； 2.臨沂市產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，山東臨沂 276037)

1 復(fù)合材料傳動(dòng)軸的應(yīng)用

傳動(dòng)軸大多用金屬材料制備，而金屬傳動(dòng)軸質(zhì)量太大，不利于節(jié)約能源，復(fù)合材料傳動(dòng)軸因其質(zhì)量輕受到青睞，特別是一片式復(fù)合材料傳動(dòng)軸，可代替兩片式金屬傳動(dòng)軸，減少裝配時(shí)間，便于維護(hù)，節(jié)約庫存成本[1]。除此之外，復(fù)合材料傳動(dòng)軸還有很多優(yōu)點(diǎn)[2–3]：如比強(qiáng)度和比剛度高、固有頻率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐腐蝕性好、耐磨性好、熱膨脹系數(shù)小和減振性能好。正是因?yàn)檫@些優(yōu)越特性，復(fù)合材料傳動(dòng)軸在汽車、航空航天、船舶、機(jī)床、冷卻塔風(fēng)機(jī)等領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用[4–5]。特別是在汽車工業(yè)，很多研究者和企業(yè)都致力于在保證復(fù)合材料傳動(dòng)軸質(zhì)量可靠性的同時(shí)，減輕傳動(dòng)軸質(zhì)量[6–8]。

英國GKN技術(shù)公司[9]開發(fā)出質(zhì)量減輕一半以上的纖維增強(qiáng)塑料傳動(dòng)軸，其彎曲剛度和抗扭性都比鋼軸好。日本藤倉橡膠工業(yè)公司[10]以碳纖維預(yù)浸料為原料，研發(fā)出了質(zhì)量減輕50%、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度提高20%的復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸。該傳動(dòng)軸由兩端的鋼件和中央的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(CFRP)管件構(gòu)成，連接管件與短軸時(shí)，將短軸的花鍵部位壓入CFRP管件，并在短軸與CFRP管件的粘接部位包覆粘接鋼外殼。CG TEC GmbH[11]采用預(yù)浸料卷繞技術(shù)，制備出高性能的復(fù)合材料傳動(dòng)軸。美國QA1公司為通用和福特開發(fā)了一系列碳纖維傳動(dòng)軸，比鋁和鋼的傳動(dòng)軸更輕、更硬、更強(qiáng)和更安全。目前，很多碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸已在寶馬、奧迪、豐田等車型上得到了成熟的應(yīng)用[12]。

2 復(fù)合材料傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)

復(fù)合材料軸管和金屬接頭連接在一起組成復(fù)合材料傳動(dòng)軸，而復(fù)合材料傳動(dòng)軸的性能與軸管的性能、軸管與金屬接頭的連接方式相關(guān)，軸管的性能又取決于軸管的結(jié)構(gòu)及材料，纖維的鋪設(shè)角度及鋪層順序。

2.1 軸管的結(jié)構(gòu)及材料

軸管一般分為兩種結(jié)構(gòu)，單一復(fù)合材料軸管和混合復(fù)合材料軸管。

單一復(fù)合材料的軸管是指以碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維、紅麻纖維或其它纖維為增強(qiáng)相，以環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯或其它樹脂為基體制備的復(fù)合材料軸管[13]。纖維的種類決定了復(fù)合材料軸管的強(qiáng)度和硬度，碳纖維因密度低，力學(xué)性能優(yōu)異，常用于制備飛機(jī)用傳動(dòng)軸，但碳纖維成本高，在其它應(yīng)用時(shí)一般選擇玻璃纖維或玻璃纖維與碳纖維混雜。材料的種類決定了傳動(dòng)軸的固有頻率，同樣工藝條件下，碳纖維傳動(dòng)軸比玻璃纖維傳動(dòng)軸的固有頻率要小[14]。

環(huán)氧樹脂(EP)具有強(qiáng)度高、纖維潤濕性好、固化收縮率低、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)合材料軸管上得到廣泛的應(yīng)用。用球形納米SiO2改性的EP性能更好，用其制備的復(fù)合材料的軸管，壓縮強(qiáng)度增加，耐磨性提高，使用壽命更長[15]。

混合復(fù)合材料軸管一般分為兩種結(jié)構(gòu)：一種內(nèi)層為復(fù)合材料，外層為金屬管；另一種內(nèi)層為金屬管，外層為復(fù)合材料。在汽車傳動(dòng)軸中，前一種混合傳動(dòng)軸運(yùn)用較多，其中的碳纖維一般用作內(nèi)層的復(fù)合材料，鋁合金、鋁鎂合金等一般用作外層的金屬管，內(nèi)層的碳纖維復(fù)合材料既能增強(qiáng)整體傳動(dòng)軸的強(qiáng)度和剛度，又能提高軸管的固有頻率，外層的金屬管主要用于扭矩傳遞[16]。一般碳纖維是直接貼合在金屬管內(nèi)表面的，但是，在共固化過程中，碳纖維和金屬管的接觸面會(huì)產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，會(huì)對(duì)碳纖維復(fù)合材料層造成損傷，為了減小殘余熱應(yīng)力，在金屬管與碳纖維鋪層中間最好鋪放玻璃纖維復(fù)合材料。在后一種軸管結(jié)構(gòu)中，由于內(nèi)層材料為金屬管，可使用焊接或螺釘連接金屬接頭。

2.2 纖維鋪設(shè)角度及鋪層順序

纖維鋪設(shè)角度對(duì)復(fù)合材料傳動(dòng)軸的固有頻率影響很大，鋪設(shè)角度越小，復(fù)合材料傳動(dòng)軸的固有頻率越高[17]；纖維鋪設(shè)角度也影響復(fù)合材料傳動(dòng)軸的力學(xué)性能，纖維鋪設(shè)角為45°，傳動(dòng)軸具有較好的性能，其承載能力、剪切強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度較高；當(dāng)纖維鋪設(shè)角為90°時(shí)，傳動(dòng)軸的縱向彎曲強(qiáng)度較高[18]。

鋪層順序影響復(fù)合材料傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和質(zhì)量，不影響固有頻率[19–20]。

在復(fù)合材料傳動(dòng)軸中，較薄弱的地方是復(fù)合材料軸管與金屬接頭的連接處，為了更好地傳遞扭矩，連接處必須足夠可靠牢固。復(fù)合材料軸管與金屬接頭的連接方式很多，主要分為三類：膠連接、機(jī)械連接、混合連接。

(1)膠連接。

膠連接是指將復(fù)合材料軸管與金屬接頭用膠粘劑粘接在一起，這種連接方式效率高，操作簡(jiǎn)單，成本低，但是，膠接質(zhì)量不好控制，膠接處的剝離強(qiáng)度低且極易老化，膠連接為不可拆卸連接，后期修補(bǔ)困難，且不方便在軸管與金屬接頭膠接處施加壓力。由于膠連接時(shí)，且只能通過界面間的膠層傳遞載荷，故膠連接一般用于承載小扭矩載荷、工作環(huán)境不太惡劣的情況。

膠接時(shí)，碳纖維傳動(dòng)軸與金屬接頭的搭接接頭處的連接形狀一般為圓形連接，也有正多邊形連接、橢圓形連接等，搭接接頭處的連接形狀對(duì)扭轉(zhuǎn)性能的影響規(guī)律為[21]：正多邊形連接的扭轉(zhuǎn)性能優(yōu)于圓形連接，圓形連接的扭轉(zhuǎn)性能優(yōu)于橢圓形連接，但是正多邊形連接加工起來比較復(fù)雜，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

(2)機(jī)械連接。

機(jī)械連接是指將復(fù)合材料軸管與金屬接頭用機(jī)械連接的方式連在一起。這種連接方式裝卸方便，質(zhì)量可靠，連接處的剝離強(qiáng)度高，能傳遞大扭矩載荷，但是，機(jī)械連接極易產(chǎn)生應(yīng)力集中問題。機(jī)械連接一般用于承載較大扭矩載荷，可靠性要求較高的情況。

常見的機(jī)械連接方式有銷釘連接、螺栓連接、齒紋式連接等，其中，螺栓或鉚釘連接是指用螺栓或鉚釘將復(fù)合材料軸管與金屬接頭沿著徑向方向貫穿連接在一起，這兩種連接操作簡(jiǎn)單，成本低，但是因?yàn)橐趶?fù)合材料軸管上打孔，破壞了軸管上纖維的連續(xù)性，降低了軸管的強(qiáng)度，為了消除對(duì)軸管強(qiáng)度的不良影響，可在連接處的復(fù)合材料部位套接補(bǔ)強(qiáng)套管[22]。

鄭總政[23]在研究汽車碳纖維復(fù)合材料混合傳動(dòng)軸時(shí)，采用了齒紋式連接，齒紋式連接避免了在軸上打孔，也避免了膠連接容易產(chǎn)生的弱膠接問題，故齒紋式連接承載能力強(qiáng)，應(yīng)力集中較小。

楊敏超[24]在設(shè)計(jì)重型卡車碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸時(shí)，因重型卡車對(duì)傳動(dòng)軸的連接強(qiáng)度要求很高，傳統(tǒng)的齒紋式連接不能滿足要求，故傳動(dòng)軸軸管與金屬接頭采用了高抗剪抽芯鉚連接。經(jīng)過載荷試驗(yàn)，結(jié)果表明，在破壞載荷分別為414 000，39 250 N·m和42 900 N·m時(shí)，金屬軸頭失效，而連接部分沒有被破壞。

(3)混合連接。

混合連接是指在復(fù)合材料軸管與金屬接頭連接時(shí)，同時(shí)使用膠連接和機(jī)械連接?；旌线B接可以提高傳動(dòng)軸連接處的破損安全性和抗剝離性能，適用于對(duì)安全破損性要求較高的情況。

3 復(fù)合材料傳動(dòng)軸的制備方法

制備復(fù)合材料傳動(dòng)軸時(shí)，一般需要兩個(gè)重要的環(huán)節(jié)，一是復(fù)合材料軸管與金屬接頭連接，另一個(gè)是復(fù)合材料軸管的制備，其中復(fù)合材料軸管的制備方法是傳動(dòng)軸制備的難點(diǎn)。

3.1 單一復(fù)合材料軸管制備方法

制備單一復(fù)合材料軸管的方法很多，常見的有纖維纏繞工藝、搓卷工藝、樹脂傳遞模塑(RTM)工藝以及由此衍生的真空輔助RTM，氣囊／真空輔助RTM工藝等。較常用的纖維纏繞工藝是將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維(或布帶、預(yù)浸紗等)按照一定的角度和鋪層順序纏繞在芯模上，再經(jīng)固化、加工、脫模等工序，獲得制品。在固化時(shí)，為了增加產(chǎn)品的致密性，也可以采用熱壓罐固化[25]。有研究者使用膨脹軸作為芯模，把預(yù)浸料纏繞在膨脹軸上后，在外面裝配圓柱形型腔，并置于熱壓罐中成型，開罐后收縮膨脹軸，打開圓柱形型腔，脫模得到復(fù)合材料軸管，這種制備方法可排除軸管內(nèi)的氣泡，減少成型缺陷，相比于一般的纏繞成型，能在大扭矩傳遞時(shí)承受較大的拉壓應(yīng)力[26]。

比較常用的還有一種制備工藝是搓卷(也稱卷搓)成型工藝，它是利用上臺(tái)面的移動(dòng)將放在下臺(tái)面上的預(yù)浸料纏繞在芯軸上，加熱并借助于熱收縮膜施加壓力而制造管件的成型方法。很多研究者[24，27]用該方法制備了高屈服扭矩的復(fù)合材料傳動(dòng)軸。

RTM工藝也是比較常見的制備方法，該工藝的具體做法是：在模具的型腔中放置纖維增強(qiáng)材料預(yù)成型體，閉模并加溫加壓，將樹脂膠液注入模腔，浸透纖維增強(qiáng)材料，經(jīng)固化、脫模得到制品。纖維增強(qiáng)材料預(yù)成型體可以采用三維編織技術(shù)制備，構(gòu)成預(yù)成型體的纖維絲束在空間交織，使產(chǎn)品沒有層的概念，增強(qiáng)了傳動(dòng)軸的抗損傷、抗沖擊的能力[28]。

傳統(tǒng)的RTM工藝?yán)w維極容易浸漬不良和出現(xiàn)氣孔，為了克服這些缺點(diǎn)，衍生出了真空輔助RTM、氣囊／真空輔助RTM、軟模輔助RTM工藝。

真空輔助RTM工藝的具體做法是：在RTM模具的出膠口上連接真空系統(tǒng)，在樹脂注入模腔前將澆注口密封，在出膠口持續(xù)抽真空，抽去纖維層中的氣體，在真空形成的負(fù)壓作用下，樹脂浸漬預(yù)成型體上的纖維，固化脫模后得到制品。這種制備方法成本低，使用廣泛，適合整體成型傳動(dòng)軸。

如果預(yù)成型體所用的織物壁厚較厚，利用真空RTM工藝很難一次整體成型，可以利用氣囊作為型芯并結(jié)合真空輔助RTM工藝制造方法，這種方法稱為氣囊／真空輔助RTM工藝，具體做法為：將預(yù)成型體鋪放在氣囊上，置于剛性的凹模中，借助抽真空的方法把樹脂注入模腔，通過氣囊充氣膨脹控制氣囊壓力，對(duì)預(yù)成型體施加壓力，固化、脫模后得到制品。利用氣囊增壓可壓實(shí)構(gòu)件，減少成型缺陷，提高傳動(dòng)軸力學(xué)性能。

相比傳統(tǒng)RTM工藝，氣囊／真空輔助RTM工藝制造的制件較易脫模。相比傳統(tǒng)真空輔助RTM工藝，氣囊／真空輔助RTM工藝制造的制件致密性和力學(xué)性能更好，主要是因?yàn)闅饽矣屑訅簲D膠的作用，可以降低制件的樹脂含量。

3.2 混合復(fù)合材料軸管的制備方法

內(nèi)層為復(fù)合材料外層為金屬管的混合復(fù)合材料軸管通常采用共固化工藝，這種共固化工藝是指：在同一個(gè)固化周期中，同時(shí)完成內(nèi)層復(fù)合材料的固化成型和外層金屬管與復(fù)合材料的膠接成型，進(jìn)而制備出整體制件的工藝方法。

張靜等[29]用熱膨脹組合模方法制備混合復(fù)合材料軸管，具體方法為：在熱膨脹組合模(鋁制芯模及其外部的硅橡膠軟模組成)外表面上涂上脫模劑，貼上一層脫模布，將浸漬有樹脂膠液的碳纖維織物和玻璃纖維織物緊貼在熱膨脹組合模上，將貼有織物的熱膨脹組合模塞入金屬管，加熱固化，熱膨脹組合?？梢揽繜崤蛎泴?duì)織物施加壓力，使其緊貼在金屬管內(nèi)壁上，冷卻后，取出熱膨脹組合模，撕下脫模布，得到復(fù)合材料傳動(dòng)軸軸管。

內(nèi)層為金屬管外層為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的混合復(fù)合材料軸管采用的制備方法為：直接在金屬管上用纏繞法做成坯件，再經(jīng)熱壓罐固化得到混合傳動(dòng)軸管。

3.3 一體成型復(fù)合材料傳動(dòng)軸制備方法

一體成型復(fù)合材料傳動(dòng)軸的制備方法是指在制備復(fù)合材料軸管的過程中，將金屬接頭與復(fù)合材料軸管一起固化連接起來，這種制備方法省去了復(fù)合材料軸管加工后的連接工序，更容易進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。

該工藝一般先將金屬接頭連接在芯模上，形成纏繞軸管，然后再經(jīng)濕法纏繞固化成型[30]。也可以將三維編織管預(yù)成型體套裝在金屬端部接頭的一端，然后經(jīng)過復(fù)合材料成型工藝固化成一體結(jié)構(gòu)[31]。還有一種帶硬質(zhì)泡沫管復(fù)合材料傳動(dòng)軸的一體成型方法[32]，這種方法先在芯模上套裝硬質(zhì)泡沫管，將法蘭套在硬質(zhì)泡沫管軸向兩端，經(jīng)濕法纏繞、固化、脫除芯模得到由法蘭、硬質(zhì)泡沫管和浸膠纖維組成的復(fù)合材料傳動(dòng)軸，內(nèi)層的硬質(zhì)泡沫管可以減少振動(dòng)和噪聲，提高復(fù)合材料傳動(dòng)軸的剛度。

B.博弗魯[33]發(fā)明了一種一體成型方法，這種方法主要靠特殊的芯軸實(shí)現(xiàn)的，該芯軸包括兩端膨脹部分和中間段的不可膨脹部分，先在整個(gè)芯軸上纏繞預(yù)浸漬纖維長絲，然后將金屬接頭分別套裝在芯軸兩端的膨脹部分，然后讓膨脹部分膨脹，使浸漬纖維填充金屬接頭內(nèi)表面上的花鍵基部的凹槽，經(jīng)一體固化，脫出芯軸，修整后得到復(fù)合材料傳動(dòng)軸。

還有一種一體成型的方法[34]是將法蘭頸的內(nèi)表面加工8個(gè)半圓，在復(fù)合材料軸管的外表面上也加工8個(gè)半圓，這樣法蘭和復(fù)合材料軸管裝配后會(huì)形成一整個(gè)圓孔，銷釘插入圓孔就可以起到定位的作用。為了加強(qiáng)法蘭和復(fù)合材料軸管的連接強(qiáng)度，銷釘插入后，再將傳動(dòng)軸整體進(jìn)行固化。

在一體成型工藝中，為避免復(fù)合材料層從金屬接頭上脫落，增加連接的可靠性，一般在金屬接頭與復(fù)合材料軸管連接的周向表面上設(shè)置凹凸結(jié)構(gòu)(凹凸結(jié)構(gòu)可以是凹槽、鋸齒、旋轉(zhuǎn)方向不同的螺紋等)，使不被破壞的連續(xù)浸膠纖維或預(yù)浸紗填充這些凹凸結(jié)構(gòu)，也有在金屬接頭和預(yù)浸布上嵌入微細(xì)桿(Z-pin)以增加連接強(qiáng)度，這種連接方式比相同條件下的膠接效果要好，Z-pin 連接端的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度約是膠接的1.66 倍[35]。

4 展望

復(fù)合材料傳動(dòng)軸的應(yīng)用領(lǐng)域變得越來越廣泛，復(fù)合材料傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)和制備技術(shù)就顯得尤為重要。做好未來復(fù)合材料傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)和制造研究工作需要從以下方向努力：

(1)合成纖維制備的復(fù)合材料難以降解，給環(huán)境造成了很大的壓力，天然纖維因其具有環(huán)境友好的特點(diǎn)，有望成為制備傳動(dòng)軸的新型材料。但是天然纖維復(fù)合材料強(qiáng)度低，還需要進(jìn)一步研究增強(qiáng)天然纖維及其復(fù)合材料的方法。

(2)復(fù)合材料傳動(dòng)軸中的軸管一般為復(fù)合材料制品，接頭為金屬件，為了傳動(dòng)軸更加輕量化，需要將金屬接頭制備成復(fù)合材料。