一種新型碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸及其成型工藝

1、一種新型碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸及其成型工藝 基于現(xiàn)有碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸存在的金屬件與碳 纖維軸連接不穩(wěn)定和碳纖維軸難以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的問(wèn)題， 設(shè)計(jì)了一種新型碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸及其成型工藝，意圖 達(dá)到低成本生產(chǎn)的制造理念和“節(jié)能減排”的目標(biāo)，擬采用 創(chuàng)新設(shè)計(jì)配套的加工工藝方法制造一種新型碳纖維復(fù)合材 料傳動(dòng)軸，使傳動(dòng)軸大幅度減重，可以保證車(chē)身各方面的性 能以及安全性能不受影響，并配套加工工藝實(shí)現(xiàn)大批量制 造，降低制造成本的同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的。 碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸應(yīng)用于汽車(chē)的背景 汽車(chē)的輕量化，就是在保證汽車(chē)的強(qiáng)度和安全性能的前 提下，盡可能地降低汽車(chē)的整備質(zhì)量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力 性，減少燃

2、料消耗，降低排氣污染。有實(shí)驗(yàn)表明，若汽車(chē)整 車(chē)重量降低10%，燃油效率可提高 6%8% ；汽車(chē)整備質(zhì)量 每減少100公斤，百公里油耗可降低 0.3L0.5L。 從理論上看，實(shí)現(xiàn)輕量化的途徑主要有三種：一是結(jié)構(gòu) 輕量化；二是特種加工；三是材料輕量化。從實(shí)際情況看， 使用輕量化材料是目前最常用的減重方式，而在輕量化材料 的選擇中，從寶馬、蘭博基尼等高檔車(chē)型到近幾年興起的新 能源汽車(chē)來(lái)看，碳纖維復(fù)合材料無(wú)疑是最大的熱點(diǎn)。但是， 由于其成本高昂，導(dǎo)致其無(wú)法被普及到普通汽車(chē)。將碳纖維 復(fù)合材料與傳統(tǒng)制車(chē)材料對(duì)比可得，碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì) 量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)。綜上，盡管碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)成 本較為昂貴，

3、碳纖維復(fù)合材料對(duì)汽車(chē)生產(chǎn)方仍然有很重要的 現(xiàn)實(shí)意義。 我們對(duì)不同的車(chē)用碳纖維復(fù)合材料零部件輕量化效果 進(jìn)行比較（如表 1 所示）。碳纖維復(fù)合材料有提高燃油效率 和降低油耗等特點(diǎn)，眾所周知，汽車(chē)傳動(dòng)效率越高，傳遞動(dòng) 力的過(guò)程中能量損失越小，汽車(chē)的油耗就越低，因此，改善 傳動(dòng)軸的使用性能對(duì)汽車(chē)節(jié)能減排具有比較重要的意義。碳 纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸它不僅可減輕 60%的重量， 還使傳動(dòng)軸 具有更好的耐疲勞性和耐久性，但是調(diào)查發(fā)現(xiàn)，碳纖維復(fù)合 材料在傳動(dòng)軸應(yīng)用普及方面較為困難。一方面，由于碳纖維 復(fù)合傳動(dòng)軸的制造方法為纏繞生產(chǎn)，加工過(guò)程繁瑣，生產(chǎn)效 率低，導(dǎo)致無(wú)法大批量生產(chǎn)；另一方面，金屬件與碳纖維復(fù) 合

4、傳動(dòng)軸的連接部分容易出現(xiàn)失效現(xiàn)象。 現(xiàn)在碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用成本主要分為兩部分，一是碳 纖維材料的成本，二是碳纖維制造為零部件的制造成本。材 料的成本隨著碳纖維技術(shù)發(fā)展已經(jīng)逐年減少，目前采用較多 的聚乙烯前體和聚丙烯腈前體成本分別只有1美元/lb，和3 美元/lb。但是碳纖維復(fù)合材料制造為零部件的成本就不太可 觀了，由單件小批量生產(chǎn)到規(guī)?；a(chǎn)。長(zhǎng)久以來(lái)，以手工 為主的單件小批量生產(chǎn)模式一直占據(jù)著碳纖維復(fù)合材料汽 車(chē)零部件主要制造過(guò)程，因而易于造成產(chǎn)品質(zhì)量難以保證、 制造成本較高與生產(chǎn)效率較低。所以碳纖維復(fù)合材料能否滿(mǎn) 足大批量生產(chǎn)的要求至關(guān)重要。 研究意義 在機(jī)械產(chǎn)品中傳動(dòng)軸的使用相當(dāng)普遍，在

5、工作過(guò)程中， 傳動(dòng)軸主要承受扭轉(zhuǎn)力矩。碳纖維傳動(dòng)軸的比強(qiáng)度高、抗腐 蝕、耐疲勞強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)特性良好，與金屬傳動(dòng)軸相比，碳纖 維傳動(dòng)軸傳遞的扭矩更多，質(zhì)量更輕（以汽車(chē)傳動(dòng)軸為例， 碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸可使原來(lái)的兩件簡(jiǎn)化為單件，與鋼材 相比減重60% ,每個(gè)傳動(dòng)軸減重9kg）,轉(zhuǎn)動(dòng)需要的功率更低 但碳纖維復(fù)合傳動(dòng)軸與金屬件連接部分容易產(chǎn)生失效，影響 軸的性能。因此，改善碳纖維傳動(dòng)軸的連接結(jié)構(gòu)具有非常重 要的意義。此外，由于受現(xiàn)有的連接方式限制，碳纖維復(fù)合 傳動(dòng)軸難以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，制造效率低、成本高，所以降 低制造成本乃當(dāng)務(wù)之急。 綜上所述，研究碳纖維復(fù)合傳動(dòng)軸與金屬件連接方式， 對(duì)于改善軸的性能，

6、開(kāi)發(fā)碳纖維復(fù)合軸低成本制造工藝，降 低制造成本，激發(fā)碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)輕量化研究方向上 的潛能，為汽車(chē)節(jié)能降耗等方面做出貢獻(xiàn)具有重大意義。 實(shí)施方案 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1）設(shè)計(jì)背景。金屬件與碳纖維復(fù)合傳動(dòng)軸的連接部分 容易出現(xiàn)失效現(xiàn)象，因此金屬件與碳纖維復(fù)合傳動(dòng)軸的連接 方式是制約碳纖維復(fù)合傳動(dòng)軸成型的關(guān)鍵因素。對(duì)比膠接連 接（如圖 1，1 為金屬部分， 2 為碳纖維復(fù)合材料薄壁圓管） 、 機(jī)械連接和混合連接可以發(fā)現(xiàn)，這幾種連接方式都存在連接 金屬件與碳纖維復(fù)合材料連接部分強(qiáng)度低，裝配效率低的問(wèn) 題。因此，本項(xiàng)目擬從軸的金屬件與碳纖維復(fù)合材料連接方 式開(kāi)始尋求一種新型連接方式，在圓形連接的基礎(chǔ)上

7、，受花 鍵連接啟發(fā)，改進(jìn)金屬件與碳纖維復(fù)合材料連接方式。 2）整體結(jié)構(gòu)。 傳動(dòng)軸整體結(jié)構(gòu)如圖 2，我們參考花鍵連接方式接觸面 積大、承載能力高、定心性能和導(dǎo)向性能好，鍵槽淺、應(yīng)力 集中小，對(duì)軸和轂的強(qiáng)度削弱小，同 ?r 結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，設(shè) 計(jì)了一種新的連接方式。在法蘭盤(pán)的金屬軸頸內(nèi)表面上開(kāi) 8 個(gè)半圓，同時(shí)在碳纖維軸上外表面上開(kāi) 8 個(gè)半圓，這樣法蘭 盤(pán)和碳纖維軸就共同形成一個(gè)公共孔，即對(duì)應(yīng)一個(gè)銷(xiāo)孔。在 銷(xiāo)孔里插入銷(xiāo)釘，銷(xiāo)釘兩端用螺紋固定，這樣就實(shí)現(xiàn)了連接 部分的整體設(shè)計(jì)。此外，為進(jìn)一步強(qiáng)化了碳纖維軸與法蘭盤(pán) 之間的連接強(qiáng)度，插完銷(xiāo)釘后還應(yīng)將這一傳動(dòng)軸整體進(jìn)行固 化。 3）碳纖維軸設(shè)計(jì)。碳纖維

8、軸的半圓孔與法蘭盤(pán)金屬軸 頸上的半圓孔形成一個(gè)整圓孔，這樣一根銷(xiāo)釘便可穿過(guò)起到 固定作用。此設(shè)計(jì)并沒(méi)有采用鉆孔的方法，因?yàn)檫@樣會(huì)破壞 纖維，會(huì)造成和鉆孔同樣的強(qiáng)度降低效應(yīng)，這種設(shè)計(jì)通過(guò)工 藝來(lái)完成這些半圓孔而不破壞纖維。 碳纖維軸生產(chǎn)工藝 針對(duì)這種碳纖維軸結(jié)構(gòu)我們研究了一種不破壞纖維的 生產(chǎn)工藝方法，由于濕法纏繞成型所需設(shè)備簡(jiǎn)單，工序少而 生產(chǎn)周期較短，可有效降低制造成本和提高生產(chǎn)效率。資料 表明，以濕法纏繞代替干法纏繞，成本約降低 40% 。并且濕 法纏繞工藝能使浸漬樹(shù)脂的纖維直接纏繞在芯模上。所以我 們?cè)O(shè)計(jì)的工藝方法依托于濕法纏繞的成型工藝。其芯模如圖 3。芯模兩端有 8 個(gè)凹槽的圓柱，這

9、樣纖維纏繞出來(lái)的碳纖 維軸兩端內(nèi)表面會(huì)有突起半圓，外表面就會(huì)有需要的半圓 孔。這樣纏繞就會(huì)存在一個(gè)纖維不能落在芯模凹槽上的問(wèn) 題，而目的效果是碳纖維要緊密貼合與芯模表面。為了解決 這一問(wèn)題我們?cè)O(shè)計(jì)了一種裝置，能夠使纖維緊貼與芯模表 面。其具體結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。 碳纖維纏繞時(shí)，芯模 為定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，壓纖齒輪隨著芯模的齒傳動(dòng)。當(dāng)纖維纏繞至兩 端時(shí)壓纖齒輪會(huì)將漂浮于芯模表面的碳纖維壓下去，這樣碳 纖維就能緊密貼合于芯模上，最終得到我們需要的外表面有 半圓孔的碳纖維軸成品。由于碳纖維軸的直徑隨著纏繞的進(jìn) 行會(huì)逐漸變大，所以壓纖齒輪不能固定不動(dòng)，這里用兩個(gè)軸 套板一段共軸，另一端分別套在壓纖齒輪和芯模的中

10、心軸 上，兩個(gè)軸套板設(shè)置一伸長(zhǎng)狀態(tài)的彈簧，有了彈簧不但可以 使芯模軸心和壓線齒輪軸心的距離隨著碳纖維軸的直徑增 大而增大，還持續(xù)提供了二者貼合的力。 可行性分析 1) 技術(shù)上，本設(shè)計(jì)都是依托在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上的。 在設(shè)計(jì)這種碳纖維傳動(dòng)軸的工藝時(shí)，我們還是以目前碳纖維 加工用的最多的纏繞的方式為中心，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和加工工藝 都是方便纏繞的。碳纖維軸較傳統(tǒng)的金屬軸，我們采用中空 的，因?yàn)閭鬟f扭矩時(shí)應(yīng)力主要分布于外表面，并且碳纖維較 普通結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度也大很多。每個(gè)工藝和結(jié)構(gòu)力學(xué)分析都是 合理的。 2) 材料上，碳纖維是一種目前已有廣泛應(yīng)用的材料， 各項(xiàng)力學(xué)性能都非常好，并且目前對(duì)于碳纖維的加工方法也

11、比較完善。 3) 應(yīng)用范圍上，這種傳遞扭矩的傳動(dòng)軸在各種機(jī)床， 汽車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)軸都很適合。應(yīng)用范圍極為廣泛。 4) 經(jīng)濟(jì)上，使用這種碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸對(duì)節(jié)約能 源具有顯著效果。效益分析如下：確定碳纖維傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)后， 在滿(mǎn)足同樣的使用要求下， ?算碳纖維軸相對(duì)傳統(tǒng)軸 的質(zhì)量減少量。研究表明，汽車(chē)輕量化是降低能耗、減少排 放的最有效措施之一。例如汽車(chē)每減少 100kg ，可節(jié)省燃油 0.30.5L/ (100km),可減少 C02 排放 811g/ (100km)。 通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查可知，一般汽車(chē)使用用戶(hù)每月駕車(chē)行駛里 程在2 000km左右。平均一輛車(chē)每年能節(jié)省燃油35L ,減 少C02排放80110g。假設(shè)推廣至生產(chǎn)1 000萬(wàn)輛車(chē)使用改 新型傳動(dòng)軸。每年可節(jié)省燃油 3 000 5 000 萬(wàn)升，減少 CO2 排放 800 1 000t。 參考文獻(xiàn) 1 楊睿