汽車用復合傳動軸的設計及模態(tài)分析外文原文及翻譯

1、汽車用復合傳動軸的設計與模態(tài)分析摘要：本文介紹了復合傳動軸的設計方法和振動分析。傳動軸不限于汽車，在許多傳輸應用設備中會被用到。本文的目的是通過兩個復合材料傳動軸代替金屬傳動軸。復合傳動軸的設計主要分為兩個部分：復合軸的設計和聯(lián)軸器的設計。在復合軸的設計中，研究了臨界轉速、靜扭矩和粘接接頭等參數(shù)，材料特性包括：粘合劑的是非線性各向同性，金屬線性各向同性以及復合軸正交異性。所有的設計都是利用有限元分析軟件（ANSYS）進行設計。結果反映了復合驅動軸的優(yōu)化設計的重要點。關鍵詞：傳動軸；復合材料；固有頻率；模態(tài)分析1.概述目前，復合材料被廣泛用于在各種大型工程結構包括航天器、飛機、汽車、船舶、體育器

2、材、橋梁和建筑物。復合材料在工業(yè)上的廣泛應用是因其具有高強度和密度的特性。使用最新技術和各種制造方法增加這些特性的可能性大大提高了這些材料的應用范圍。復合材料在20世紀70年代開始的時候僅應用在航空航天工業(yè)上，但現(xiàn)在僅僅三十年過去了，它已經(jīng)應用到了大多數(shù)行業(yè)。同時，汽車行業(yè)作為每個國家的最重要的產(chǎn)業(yè)之一，也得益于這些先進材料的能力和特點。隨著技術的進步，金屬汽車零部件被復合材料所取代。其中一個是驅動軸（傳動軸），在最近幾十年里它的許多研究都已經(jīng)完成。傳動軸通常用鋼或鋁制作的實心或空心管。超過70%的單個或兩件都是用多根推動器軸執(zhí)著，這一點導致傳動軸的重量很大。圖1顯示了兩片鋼和復合材料傳動軸樣

3、品的攝影視角。復合材料傳動軸的開始慢慢使用于汽車源自1988年。石墨/碳纖維/玻璃纖維/鋁傳動軸管的開發(fā)是因為輕型卡車、輕型貨車和高性能汽車對工業(yè)性能和效率的要求越來越高。結果表明，這是驅動軸減輕了重量的主要原因，最終復合驅動軸有一個質量約為2.7公斤，而同等數(shù)量的鋼傳動軸重量約10公斤。在近幾十年中，在賽車中復合驅動軸的應用受到了極大的關注。當一個鋼傳動軸斷裂，它的組成部分如同球一樣朝所有方向拋出，它也有可能是驅動軸在地面上挖一個洞，把車扔到空氣中。但是當一個復合驅動軸斷裂，它被分為細纖維，沒有任何危險的驅動程序。目前已經(jīng)開展了大量的研究來探討不同的材料和層方向的復合驅動軸的優(yōu)化設計和分析。

4、波拉德研究復合材料傳動軸在汽車應用領域的不同應用。他比較了各種情況下的優(yōu)缺點。Rangaswamy等采用遺傳算法和ANSYS優(yōu)化了復合材料傳動軸整體。他們發(fā)現(xiàn)，復合材料的使用會比鋼傳動軸的重量顯著減少。他們的報告還提到，復合軸的纖維方向對屈曲扭矩會產(chǎn)生強烈影響。Rastogi利用有限元分析的方法，分析不同條件下的復合材料傳動軸的設計。目前的研究方向是努力設計一個HM碳纖維/環(huán)氧復合材料傳動軸。一體式復合材料傳動軸，在后輪驅動汽車上的應用采用ANSYS軟件進行了設計和分析。由于傳統(tǒng)的驅動軸的性能會受到的臨界轉速和金屬軸產(chǎn)生的較大慣性矩的的限制，這一點在本文第二部分進行了研究。2復合驅動軸的設計2

5、.1問題說明 傳動軸的扭矩傳輸能力為3000納米，長度和外徑分別被認為是2米和120毫米。傳動系統(tǒng)的傳動軸需要設計優(yōu)化以滿足規(guī)定的設計要求。2.2問題假設軸以恒定的速度繞其縱向軸線旋轉。軸有一個統(tǒng)一的圓形橫截面。軸是完全平衡的，所有的阻尼和非線性效應都被排除在外。復合材料的應力-應變關系是線性的，彈性的，同時，Hook的要求是適用于復合材料。由于葉片薄，沒有外的平面載荷被施加，它被認為是在平面受力。2.3截面和材料的選擇復合驅動軸選擇的是積HM碳/環(huán)氧和60%纖維體的復合材料。安全系數(shù)為6。表1顯示了各層的機械性能。2.4計算復合驅動軸的研究需要滿足以下三個要求：扭矩傳遞能力，臨界轉速和扭轉屈

6、曲能力。考慮到方程和設計相關的復合材料傳動軸的最佳纖維排列得到 90 / 0 / 454。通過使用希爾理論，計算的失敗的概率是可行的。用厚度為2.03毫米的應用載荷，0的纖維不會斷裂。用厚度為2.2毫米的應用載荷，90的纖維不會斷裂。由于軸的扭轉，彎曲可以忽略不計。3. 復合傳動軸的模態(tài)分析3.1復合驅動軸的臨界轉速分析吸引生產(chǎn)商在驅動軸上使用復合材料的最主要的一點是，它們可以增加軸的長度。軸的長度和這兩種類型的驅動軸的臨界速度之間的關系如圖2所示。很明顯，對于一個特定的應用程序的臨界速度是約8000轉/分鐘，最長的可能的鋼軸為1250毫米，而復合材料可以有一個長度達到1650毫米。通過以下公

7、式得到一個軸的臨界轉速：在NCR達到臨界速度時，F(xiàn)是彎曲頻率。考慮到軸的固有頻率與軸的長度成反比，與Young的模量的平方成正比，傳統(tǒng)的鋼傳動軸是由2塊來增加軸的固有頻率，從而提高了軸的整體重量。所以，為了增加固有頻率，軸的長度應減少或E/r的比率應該增加。由于空間的局限性限制了軸的外徑，增加臨界速度的唯一方法是增加E/r的比率（具體模塊）。金屬的一個有趣的性質是，雖然它們的密度有明顯的差異，但其具體的模量幾乎是恒定的。隨著纖維強度增加復合材料的應用，排列纖維方向是可以做到的。因此，彎曲模量將會變高。如果它們的相對密度低，會導致所期望的特定的模量和臨界速度增加。軸的固有頻率通過Timoshen

8、ko理論在以下方程列出：其中FNT表示固有頻率，P是第一個自然頻率，r,E是鋼軸的特性。K, 用以下公式給出：其中G是鋼軸的剛性系數(shù)，F(xiàn)s和2式一樣表示中空截面。然后以以下方式獲得臨界速度：3. 應用ANSYS軟件對復合材料傳動軸的模態(tài)分析在這項研究中，我們利用ANSYS軟件進行有限元分析。對復合驅動軸殼99要素進行建模，并進行扭矩。軸固定在兩端，并在中間進行扭矩。圖3顯示了有限元網(wǎng)格的域。一旦有限元網(wǎng)格和層被創(chuàng)建，材料的方向被定義為每個這些元素的殼單元，層材料將被分配。其他步驟包括放置的邊界條件和選擇適當?shù)那蠼馄鳌］S以最大速度旋轉，因此設計應包括臨界頻率。如果軸在超過固有頻率時，它會嚴重振動

9、或甚至倒塌。進行模態(tài)分析，應該找到在橫向方向的固有頻率。根據(jù)所有的材料組合的模式的形狀，得到其相應的臨界速度。一些基本模式數(shù)據(jù)這都是關鍵的頻率。如果軸的頻率對應于這些，它可能會崩潰。動態(tài)分析表明，第一自然頻率為169.64赫茲，根據(jù)它的臨界速度是等于10178轉，這是遠遠超過臨界轉速為4000轉。根據(jù)前一節(jié)所獲得的方程，一個特定的復合驅動軸的固有頻率為4570.2轉。此值與初始值是非常不同的，在考慮一些假設的情況下，應該采用獲得與該軸相關聯(lián)的值的相關性。圖4表示第一次自然頻率下復合傳動軸的變形率變化。圖5到8顯示不同方向的復合驅動軸在不同方向上的位移速率。表2給出了復合傳動軸的固有頻率。4.

10、復合材料傳動軸粘接接頭的設計用于連接復合材料的接頭可以是金屬或非金屬的。鋼制緊固件由于采用了碳環(huán)氧樹脂材料，主要是由鈦或不銹鋼材料制成的。也可以使用其他合金，如鋁或鋼，但沒有接觸表面發(fā)生。接頭分為金屬螺釘和鉚釘。非金屬連接器是由增強的熱套或熱塑性樹脂制造的。通過使用這個連接，結構重量減少，腐蝕問題可以避免。在這部分中，首先計算粘合劑的厚度和粘合劑的長度。然后，這類粘著物的有限元分析采用ANSYS軟件進行。本文用到了“環(huán)氧樹脂膠“粘劑進行研究。以下是計算所需的相關參數(shù)：其中，l是是粘合鍵的長度。為了獲得合理的結果，唯一可能的方法是增加的值，所以，粘合劑和粘合劑的長度的厚度，分別得到12毫米和4.5厘米。粘著的細節(jié)在表3中給出。為了使用的有限元模型分析，我們采用3維的線性固體元素。一個合適的網(wǎng)格有限元建模的粘接層是必要的。該膠粘劑的剪切分布應力如圖9所示。適當?shù)哪z粘劑的應用，降低了在連接的邊緣粘合最大剪應力的結果；但是，如果應力保持不變的中間連接，啟動失敗，將取決于膠粘劑的剪切強度的相對值。5. 復合材料與鋼傳動軸的重量比較整個汽車驅動軸由幾個旋轉的質量組成。約17%至22%的動力由發(fā)動機產(chǎn)生是由于旋轉動力系統(tǒng)產(chǎn)生的浪費。由于需要大量的能量來旋轉重物，所以損失了能量。這種能量損失可以減少通過減少旋轉質量的量。表4表示復合材料和鋼傳動軸慣性力矩的比