碳纖維傳動(dòng)軸可行性研究

戰(zhàn)敏，陳強(qiáng)，王敷玟

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院， 廣東廣州 511434)

0 引言

碳纖維復(fù)合材料性能優(yōu)越，具有高強(qiáng)度、高剛度、低密度的特點(diǎn)，過(guò)往在航天航空和軍事領(lǐng)域應(yīng)用比較多，隨著技術(shù)水平的進(jìn)步在汽車制造行業(yè)也逐步開始應(yīng)用。鑒于當(dāng)下汽車輕量化的趨勢(shì)，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料低密度的特性，對(duì)碳纖維傳動(dòng)軸進(jìn)行研究。

傳統(tǒng)乘用車軸距普遍較長(zhǎng)，四驅(qū)傳動(dòng)軸長(zhǎng)度2 m左右。一般情況下，為了滿足整車NVH性能，傳統(tǒng)鋼管傳動(dòng)軸長(zhǎng)度超過(guò)1.5 m需采用兩段式結(jié)構(gòu)，中間設(shè)置支撐支架，不僅增加了質(zhì)量，還產(chǎn)生了額外噪聲。由于碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高剛度的特性，碳纖維傳動(dòng)軸可以采用一段式設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)外都對(duì)碳纖維傳動(dòng)軸進(jìn)行了大量研究。國(guó)外對(duì)碳纖維傳動(dòng)軸的研究始于1970年，YATES等[1]公布了“碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸”的專利，CHO等[2]設(shè)計(jì)了一段式混合傳動(dòng)軸，該混合傳動(dòng)軸主要由鋁承載，由碳纖維保證較高的固有頻率。但并未提及鋪層設(shè)計(jì)方法。KHOSHRAVAN等[3-4]用一段式復(fù)合材料傳動(dòng)軸代替了傳統(tǒng)的兩段式鋼制傳動(dòng)軸，對(duì)擬定的鋪層方案進(jìn)行理論計(jì)算機(jī)有限元分析。2012年以來(lái)，由寶馬公司牽頭的一些大型汽車公司實(shí)現(xiàn)了碳纖維傳動(dòng)軸的產(chǎn)品化。國(guó)內(nèi)對(duì)碳纖維傳動(dòng)軸的研究晚于國(guó)外約20年，胡晶等人[5]采用數(shù)值模擬方法，以鋪層角度、順序、厚度、對(duì)稱性為變量，研究了傳動(dòng)軸的承扭能力。王高平和高攀[6]通過(guò)設(shè)計(jì)一種碳纖維復(fù)合材料混合傳動(dòng)軸，并研究了碳纖維復(fù)合材料混合傳動(dòng)軸的靜力學(xué)性能以及固有頻率性能。本文作者結(jié)合某四驅(qū)SUV車型，研究國(guó)內(nèi)碳纖維傳動(dòng)軸在乘用車上應(yīng)用的可行性。

1 碳纖維傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)

1.1 碳纖維傳動(dòng)軸性能指標(biāo)

1.1.1 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

傳動(dòng)軸在工作時(shí)受到扭矩的作用，按最大扭矩Tmax下的應(yīng)力τmax不超過(guò)扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)。

τmax=Tmax/Wn≤τxymax/S

(1)

式中：Wn為抗扭截面模量，Wn=(π/16)×[(D4-d4)/D]，D為軸管外徑，d為軸管內(nèi)徑；S為安全系數(shù)。

1.1.2 扭轉(zhuǎn)剛度

傳動(dòng)軸受到扭矩會(huì)引起扭轉(zhuǎn)變形，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角φ，扭轉(zhuǎn)角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致傳力的延時(shí)，并增大正反扭轉(zhuǎn)下的扭轉(zhuǎn)間隙，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)按要求控制單位長(zhǎng)度扭轉(zhuǎn)角φe。

φe=φ/l=[T/(GIP)]×(180/π)

(2)

式中：l為傳動(dòng)軸長(zhǎng)度；T為傳動(dòng)軸扭矩；GIP為扭轉(zhuǎn)剛度，IP=π(D4-d4)/32。

1.1.3 臨界轉(zhuǎn)速

傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速一般指其一階彎曲固有頻率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，是低階模態(tài)，因此考慮剪切變形的系數(shù)接近1，利用伯努利-歐拉梁理論，一階彎曲固有頻率fnb1計(jì)算如下：

(3)

相應(yīng)的一階臨界轉(zhuǎn)速Ncrb1計(jì)算如下：

(4)

式中：Ex為縱向彈性模量；ρ為材料密度。

1.2 碳纖維傳動(dòng)軸方案設(shè)計(jì)

1.2.1 傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)說(shuō)明

碳纖維傳動(dòng)軸總成的設(shè)計(jì)，主要是通過(guò)對(duì)碳纖維軸管的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、固有頻率等性能的要求。軸管設(shè)計(jì)有鋪層數(shù)量和纏繞角度兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。其中，鋪層數(shù)量與扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、固有頻率均正相關(guān)，與質(zhì)量、成本負(fù)相關(guān)；由于碳纖維復(fù)合材料具有各向異性的特點(diǎn)，不同纏繞角度對(duì)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、固有頻率等性能的影響各不相同，典型的，如0°可用于提高傳動(dòng)軸的固有頻率，45°可用于提高扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)剛度，90°可用于抵抗摩擦。

文中根據(jù)傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)初始鋪層，結(jié)合鋪層原則，擬定多種鋪層方案。進(jìn)一步，利用ANSYS等仿真軟件結(jié)合傳動(dòng)軸固有頻率、沖擊性能、質(zhì)量等性能進(jìn)行鋪層優(yōu)化，制定最優(yōu)鋪層方案[7]。

1.2.2 傳動(dòng)軸方案確定

由公式(1)、(2)、(4)可知，在滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)剛度的前提下，可通增加鋪層數(shù)量、采用高模量材料、以及改變纏繞角度提高臨界轉(zhuǎn)速。但考慮到SUV傳動(dòng)軸布置空間有限且要保證碳纖維傳動(dòng)軸減重至少30%，增加鋪層數(shù)量空間不大。

結(jié)合某四驅(qū)SUV，綜合考慮扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)剛度、臨界轉(zhuǎn)速以及實(shí)現(xiàn)減重，在滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度1 700 N·m前提下，設(shè)計(jì)了一款碳纖維傳動(dòng)軸，鋪層方案為6層碳纖維鋪層[±25°/±25°/±45°/±16°/±90°/±45°]。

2 碳纖維傳動(dòng)軸NVH性能分析

2.1 傳動(dòng)軸仿真模態(tài)與實(shí)測(cè)模態(tài)對(duì)比

2.1.1 傳動(dòng)軸軸管自由模態(tài)對(duì)比

如圖1、圖2所示，傳動(dòng)軸軸管仿真模態(tài)為99.75 Hz，實(shí)測(cè)模態(tài)為101.3 Hz，兩者偏差僅為1.5%，仿真結(jié)果十分準(zhǔn)確。

圖1 傳動(dòng)軸軸管一階仿真模態(tài)振型

圖2 傳動(dòng)軸軸管實(shí)測(cè)模態(tài)

2.1.2 傳動(dòng)軸總成模態(tài)對(duì)比

如圖3所示，傳動(dòng)軸總成仿真模態(tài)為105.3 Hz，采用錘擊法敲擊裝車后碳纖維傳動(dòng)軸總成，得到固有頻率為69.1 Hz，兩者偏差達(dá)34%，差異顯著。

圖3 傳動(dòng)軸總成一階仿真模態(tài)振型

圖4 傳動(dòng)軸總成實(shí)測(cè)模態(tài)

鑒于傳動(dòng)軸軸管仿真模態(tài)與實(shí)測(cè)模態(tài)的差異可忽略，得出傳動(dòng)軸總成仿真模態(tài)與實(shí)測(cè)模態(tài)差異來(lái)自于傳動(dòng)軸的萬(wàn)向節(jié)以及用于萬(wàn)向節(jié)與軸管連接的金屬連接段。分析認(rèn)為導(dǎo)致模態(tài)差異的原因有3個(gè)：(1)仿真時(shí)對(duì)萬(wàn)向節(jié)以及金屬連接段施加的約束與實(shí)車測(cè)試的約束方式差異較大；(2)仿真時(shí)對(duì)萬(wàn)向節(jié)及金屬連接段的簡(jiǎn)化與網(wǎng)格的劃分不準(zhǔn)確；(3)樣件中軸管、金屬連接段以及萬(wàn)向節(jié)之間的連接工藝有問(wèn)題。

2.2 整車NVH性能測(cè)試

如圖5—圖8所示，某四驅(qū)SUV分別在30%、40%油門開度下，測(cè)試了前、后排座椅位置的振動(dòng)信號(hào)，結(jié)果表明，不同油門開度下，加速行駛過(guò)程中均出現(xiàn)69 Hz明顯低頻共振帶，加速轟鳴問(wèn)題嚴(yán)重。

圖5 30%油門開度前排座椅振動(dòng)信號(hào)

圖6 30%油門開度后排座椅振動(dòng)信號(hào)

圖7 40%油門開度前排座椅振動(dòng)信號(hào)

圖8 40%油門開度后排座椅振動(dòng)信號(hào)

雖然可以通過(guò)采用高模量纖維、改變纏繞角度以及增加鋪層數(shù)量來(lái)提升模態(tài)，但結(jié)合國(guó)內(nèi)碳纖維傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)及制造能力，模態(tài)很難大幅提升。因此，目前碳纖維傳動(dòng)軸低頻共振問(wèn)題難以避免。

3 結(jié)論

(1)國(guó)內(nèi)對(duì)碳纖維軸管的研究比較成熟，但對(duì)碳纖維傳動(dòng)軸總成的研究不足，設(shè)計(jì)初期對(duì)傳動(dòng)軸總成固有頻率的仿真結(jié)果參考性不高。

(2)一段式碳纖維傳動(dòng)軸模態(tài)低，會(huì)導(dǎo)致整車NVH問(wèn)題。

(3)目前傳動(dòng)軸的主流供應(yīng)商并沒(méi)有涉及碳纖維傳動(dòng)軸的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，碳纖維傳動(dòng)軸的研究開發(fā)主要集中在高效及一些新興的復(fù)合材料廠家，供應(yīng)商資源不足，且量產(chǎn)實(shí)際較少，可靠性有待確認(rèn)。

綜上得出，目前國(guó)內(nèi)碳纖維傳動(dòng)軸在性能分析、制造工藝上仍有諸多問(wèn)題，需要更充分的研究，暫無(wú)實(shí)車應(yīng)用可能性。