复合材料传动轴的研制

高科技产品研发roductr&d复合材料传动轴的研制姜云鹏（中航复合材料有限责任公司，北京101300）摘要本文主要介绍了重型卡车复合材料传动轴的研制，包括材料选择，铺层设计，工艺方法，部件连接，强度计算，台架实验等几个方面内容，根据传动轴零件本身的受力特点及疲劳要求，采用碳纤维复合材料，纤维缠绕技术固化成型，最终通过台架实验来证明复合材料构件作为主受力构件在汽车上应用的可行性及减重效果。关键词复合材料；有限元分析方法；缠绕成型；机械连接中图分类号：TH133文献标识码：A文章编号：1671-7597（2013）13-0042-021概述国内外技术发展情况：在国外，最早生产碳纤维复合材料传动轴的公司是美国摩里逊公司（MorrisonMoldedfiber）。其生产的供通用汽车公司载重汽车使用。采用的碳纤维复合材料可以使原来的两件合并为一件，与钢材相比较质量可以减轻60%，每个传动轴减轻9kg。该传动轴采用工业级48k丝束碳纤维，年产量为60万根传动轴，每根传动轴消耗碳纤维0.68kg。福特公司1984年将玻璃纤维复合材料传动轴应用到汽车领域。考虑到碳纤维的使用成本，早期传动轴主要采用的是玻璃纤维增强树脂或者玻璃纤维和碳纤维混合使用，其中碳纤维作为结构加强层。GKN公司在1988年开始着手于碳纤维复合材料汽车传动轴的研究，传动轴在RenaultEspaceQuadra上的使用开创了碳纤维复合材料汽车传动轴的先驱。1992年推出的RenaultSafraneQuadra的传动轴由原始的金属三段式发展到了金属和复合材料相连的两节式，减重高达40%。此种传动轴销量较小，仅年产500套。在ToyotaMarkII使用的碳纤维传动轴减重50%，性能上大大的改善了。Audi80/90Quattro首次使用碳纤维传动轴是在1989年，并且使用汽车型号一直延续到了1998年的AudiA4/A8Quattro，此种型号传动轴年产已达30000套。2结构设计方案制定复合材料传动轴共分为三部分，包括复合材料传动轴管体，及两侧的金属轴头，如下图1所示。图1复合材料传动轴其中复合材料传动轴管体及管体与金属轴头的连接为本方案中的主要研究内容。2.1复合材料传动轴管体设计2.1.1管体初步尺寸定义由于要替代金属传动轴管体，以保证今后在重型卡车上能够直接替换，管体的长度要与金属管体的长度保持一致。管体的外径大小虽然对于管体本身的强度没有大的影响，但由于管体与金属轴头的连接为螺栓连接，外径越大在保证螺栓间距的情况下，可安装的螺栓越多，单个螺栓分到的载荷就越小，对于这种重型卡车上载荷大，且有疲劳要求的传动轴来说很重要。所以根据客户给出的边界条件，传动轴外径不能大120m，否则会与卡车的其他部件产生干涉，所以本传动轴外径定义为120mm。管体的壁厚则由强度计算优化所得。由此管体的初步尺寸定义如下：管体外径=120mm；管体长度=1000mm。2.1.2材料选择复合材料一般包括碳纤维复合材料，玻璃纤维复合材料，短切纤维复合材料，长切纤维复合材料等，比较这几种材料，对于传动轴这种主受力构件，一般需要采用碳纤维复合材料，或碳纤维与玻璃纤维混杂的复合材料，考虑到成本问题，一般早期传动轴制品主要采用的是玻璃纤维增强树脂或者玻璃纤维和碳纤维混合使用，其中碳纤维作为结构加强层，但随着我国复合材料产业的发展，碳纤维的生产水平及产量逐渐提高，价格42硅谷p也逐渐降低，碳纤维的复合材料的成本已经渐渐可以接受，且由于本次设计的传动轴被用于重型卡车，所受载荷很大，与以往的传动轴还是有很大的区别，所以本次传动轴设计不会把管体分成几部分，分别采用不同的材料，再固化加压成型。而是只选用碳纤维一种材料，预压实后一次固化成型。这样不但提高了零件的生产效率，零件的性能也会有很大的提高，且避免了零件二次进罐造成局部缺陷。所以本次设计选用性价比较高的碳纤维T700-E230及BA9913增韧树脂。2.1.3工艺选择目前制造复材管体的主要工艺包括缠绕、搓卷、模压、拉挤、热胀袋法等。其中缠绕、搓卷、拉挤自动化程度和生产效率高。比较这三种制造工艺，拉挤由于方向性过强，不满足传动轴扭转强度要求而不能够采用。其余两种工艺通过工艺试验对比，搓卷工艺无法在大壁厚情况下满足成型质量要求而被放弃。因此最终确定成型工艺采用缠绕工艺。管体缠绕成型工艺方案为：采用金属机加芯模，金属芯模外表面镀铬，为预留传动轴管体端头配合面磨削加工余量，芯模尺寸比图纸规定的管体内径尺寸小0.1mm。采用湿法纤维缠绕工艺在芯模上进行纤维缠绕，缠绕完成后，用热收缩带、真空袋和热压罐进行加压固化。固化成型后脱模、并进行切割加工，为保证管体与金属轴头的过盈配合，将管体端头处内径尺寸磨图2复合材料传动轴管体图3管体截面削至图纸规定尺寸，完成后进行除油和清洗。成型后管体及截面质量如图2，3所示。2.1.4层设计传动轴的工艺方法由于是纤维缠绕成型，故铺层设计与以往的预浸料单向带铺层有一定的不同，定义纤维浸胶后，围绕芯模按铺层角度均匀缠绕一层，作为复合材料传动轴的一个铺层，单层厚度为0.15mm。铺层比例一般由构件所受载荷决定，传动轴所受的载荷以面内剪力为主，纤维方向为0°，±45°，90°的铺层比例暂定为60%:30%:10%，但由于受到缠绕工艺方法的影响，缠绕机每次缠绕变换的角度不宜过大，否则会影响纤维缠绕质量，所以减少±45°的铺层比例，增加部分±25°及±75°铺层，以满足工艺上的要求。最终的铺层比例如下表1所示。表1碳纤维管铺层比例铺层角度铺层数铺层比例01525%-2567.5%2567.5%-452227.5%………铺层总数根据上述的铺层比例和工艺约束条件，在保证其他的一般铺层原则（如：铺层对称，均衡等）下，最终确定整个铺层顺序如表2。表2复合材料传动轴铺层表铺层代码铺层角度铺层代码铺层角度铺层代码铺层角度14528-4555-452-45294556453030-4557-454031255845………………2.2复合材料传动轴连接设计复材传动轴与金属万向接头连接方式包括胶接和机械连接两种方式。其中，胶接方式由于胶接过程无法施加压力，无法保证基本的胶接强度，经过试验，胶接连接强度无法满足使用载荷要求。最终连接方式定义为机械连接。2.2.1胶结连接方案胶结连接方案为传动轴管体与金属接头间采用结构胶进行胶接。从理论上进行分析，胶接连接方案是可行的。下面为胶接连接方案强度的估算：胶接面积：A=π·d·L=π×120×150=56548mm2胶层剪切强度：τb=20MPa胶结许用剪切力：Pallow=A·τb=56548×20=1130973N外载：扭矩M=1.5×25000N·m；N=1.5×100000N外载对胶结面产生的剪力：PM=M/r=1.5×25000/（0.12/2）=625000NPN=N=1.5×100000=150000NP=（PM2+PN2）1/2=642748NSiliconvalley2013年第13期总第133期t由上述计算可以看出，PallowP，即许用剪切力大于外力。请注意，此处分析所采用的胶层剪切强度取值比较保守，而在这样保守的情况下，仍能够得到胶接连接强度满足使用要求的结论，因此，理论上如果胶层完好，胶接质量可控，那么胶接连接强度是完全可以满足使用要求的。然而，由于实际结构的限制，传动轴管体与金属轴头的胶接在工艺实施上存在几乎无法克服的困难，具体表现为：无法施加胶接压力；无法控制胶层厚度；易于出现弱胶接，从工艺角度出发，胶接连接方案不能够作为一个稳定的设计方案而被选择。2.2.2机械连接方案机械连接是目前较成熟的工艺连接方案，但由于传动轴是一个闭腔结构，与金属轴头连接一侧可用沉头钢螺栓连接，另一侧则需要航空上较常用的单面连接螺栓进行连接，该种螺栓价格较高，为了降低成本，考虑采用一般金属传动轴连接上较常用的沉头销来代替单面连接螺栓，所以本次机械连接的方案共有两种。方案一：传动轴管体与接头一侧采用销子之间使用沉头长螺栓加螺母进行防脱。另一侧采用埋头钢螺栓进行连接。复材管体与金属接头采用过盈配合，以提高疲劳强度。方案二：传动轴管体与接头一侧采用的单面连接螺栓。另一侧采用埋头钢螺栓进行连接。复材管体与金属接头采用过盈配合，以提高疲劳强度。3试验结果复合材料传动轴最终共完成8根实验件，其中方案一为2根，方案二为6根传动轴，在试验台完成了所有试验件的静扭试验及15万次疲劳试验如图4。图4静扭台架试验方案一的两根传动轴均在静扭试验扭矩加载未到规定的载荷时发生破坏。破环点为金属接头与复材管体的连接处。破坏的主要原因是沉头销与管体的连接面为竖直面，与沉头销所受的挤压力存在一定角度，引起沿径向方向的分力，最终将加长螺栓拉断导致试验失败。方案二的共进行了6根传动轴的静扭及疲劳试验。三根传动轴进行了静扭试验，其中一根达到了规定载荷后终止试验，终止原因为金属轴头发生破坏被迫试验中止，3根传动轴管体均未发生任何破坏，满足客户提出的静力试验要求，静力试验通过。另外三根传动轴进行了疲劳试验，每根都完成了15万次的扭转疲劳测试，测试完成后接头及传动轴管体均未出现局部破坏或裂纹，满足客户要求，疲劳试验通过。4结论复合材料传动轴连接方案二最终通过了静力及疲劳台架试验测试，满足客户提出的所有技术要求，在保证与金属传动轴互换性的基础上，重量减轻效果明显，证明复合材料在汽车领（下转第14页）高新技术产业发展echnologydevelopment研发与之相匹配的自动化技术进行制造，才能有效地提高企业的经济效益。针对我国机械自动化发展的现状，还处于相对比较落后的状态，因此，在研发过程中要实事求是，理论结合实际，深入到工作中，不能只走形式，要把发展机械自动化技术的任务给落实，使机械自动化产品为国家创造出更多的经济价值。4.3实现机械自动化技术智能化实现机械自动化技术智能化是本世纪机械自动化发展的主要方向，机械自动化技术智能化是利用现有的先进科学技术赋予机器设备自动化智能和思维，使其成为和人类一样具有思维逻辑能力和主观判断力，模拟人类生产，降低人类的劳动强度，服务于人类社会。4.4将机械自动化生产绿色化工业的快速发展给人类带来物质财富的同时，也给人类赖以生存的自然环境来了严重损害，使得非可再生资源大量减少，生态环境遭到不同程度的污染，因此为了保护我们赖以生存的自然环境，发展机械自动化产品绿色化，是当今我国科研人员对机械自动化技术研究的新方向。硅谷43域使用的可行性。为未来汽车减重提供了一条新的途径。本项目的研究对象为重型卡车，其传动轴的受载情况要比其他汽车严重很多，可以推论对于其他大型客车或货车来说，如果结构形式及载荷公况都相似，该方案也有一定的可行性。参考文献[1]陈绍杰.先进复合材料在汽车领域上的应用[M].高科技纤维与应用，2011.[2]沈壁霞，等.复合材料板簧与传动轴的研制[M].1992.[3]飞机设计手册第9分册[M].航空工业出版社，2001.（上接第16页）（上接第17页）（上接第43页）5结束语为了推动我国经济的快速发展，实现与世界经济化接轨的目标，发展机械自动化技术是我国当今的首要任务。但是，我国目前的机械自动化技术的水平还处于相对落后状态，这就需要我国的科研人员加快研究新技术的步伐，制造出先进的机械自动化产品，为社会创造出更多的财富，为推动我国社会经济的发展做出贡献。参考文献[1]李涛.试论我国机械自动化技术应用与发展[J].才智，2008（20）.[2]杨建平，刘艳玲.自动化技术在机械应用中的发展研究[J].中小企业管理与科技（上半月），2008（01）.[3]柯争先.浅谈机械自动化技术在我国的发展[J].河北企业，2011（02）.参考文献[1]ISO3262-15,Extendersforpaints-Specificationsandmethodsoftest-Part15:Vitreoussilica[S].Switzerland:Isocopyrightoffice,2000.[2]SJ/T10675-2002电