汽車碳纖維復合材料混合傳動軸設計研究

鄭總政

摘 要：碳纖維復合材料是一種應用十分廣泛的材料，具有各向異性、質量輕、強度高等特點。尤其是在汽車制造中，利用碳纖維復合材料可以制作車身表面覆蓋件、空氣動力組件等，能夠有效提升汽車的整體性能。在以往的汽車制造中，采用的是鋼鐵傳動軸，其彎曲固有頻率較小。為了滿足汽車高速行駛的要求，采用了兩段式傳動軸，但兩段式傳動軸存在著很多弊端。而應用碳纖維復合材料制造汽車的混合傳動軸，能夠很好地解決這一問題，從而提升汽車的整體性能。

關鍵詞：汽車；碳纖維復合材料；混合傳動軸；力學性能

中圖分類號：U465.6；U463.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.081

當前，隨著人們生活水平的不斷提高，汽車已經越來越普及，同時，人們對汽車的性能、質量、穩定性和耐用性等也提出了更高的要求。因此，只有質優價廉的汽車才能受到更多消費者的喜愛。傳動軸對汽車的性能和價格等具有很大的影響。基于科技的發展，采用碳纖維復合材料制造汽車的混合傳動軸，對汽車的各項性能、輕量化等都有著十分重要的作用。可見，本文對汽車碳纖維復合材料混合傳動軸設計的研究具有一定的現實意義。

1 傳動軸的制造

汽車新型復合材料傳動軸主要是以復合材料為內層，以金屬材料為外層。其中，外層材料主要選用鋁鎂合金、鋁合金等輕質金屬材料，內層的復合材料則主要為碳纖維。通過逐層粘貼的方式，將復合材料固定于金屬軸的內表面，從而保護復合材料免受油水雜質、外部沖擊等損壞。在當前的后驅和四驅車輛設計中，主傳動軸的長度在不斷增加。傳動軸的長度會對其固有頻率產生影響——長度越長，彎曲固有頻率越小。隨著碳纖維層鋪設角度的減小，碳纖維復合材料混合軸的固有頻率逐漸增加。因此，利用碳纖維復合材料以0°的角鋪設，能夠將汽車傳動軸的固有頻率提升45%左右。

汽車復合材料傳動軸應當具有良好的扭轉剛度、扭轉強度和承載能力，其彎曲固有頻率至少要達到229 Hz以上。同時，自身質量應盡量減輕。因此，可以選用碳纖維材料、玻璃纖維材料、鋁合金材料分別作為混合傳動軸的內層、中層和外層。在實際制造當中，首先按照一定的角度和順序，在金屬芯模上纏繞玻璃纖維和碳纖維，然后放入鋁合金軸中。此時，在芯軸旋轉壓力的作用下，復合材料層會貼在鋁合金軸內壁。接著將真空袋插入混合軸，再用帶有“O”形密封環和真空管路的端蓋密封；將軸向預緊力施加于混合軸上，并消除復合材料層和鋁軸之間的殘余熱應力；將混合軸抽成真空送入高壓釜，經過3 h 125 ℃加熱即可。

2 傳動軸的力學性能

在傳動軸的設計過程中，必須要考慮到其剛度和強度等參數，從而確保零件的安全和可靠。汽車的傳動軸主要是傳遞扭矩，只承受由自身質量產生的彎矩，而這種彎矩是可以忽略的。因此，在設計傳動軸強度的過程中，必須在許用剪應力[t]下對圓軸橫截面最大剪應力tmax進行限制。在校核傳動軸剛度時，要考察相對扭轉角。

汽車碳纖維復合材料混合傳動軸的靜態扭矩傳遞能力至少要達到2 700 N·m。利用相關公式可以計算出傳動軸的尺寸。一般情況下，后驅車輛傳動軸的外徑為60～120 mm，長度為1 200～1 500 mm。多層碳纖維的鋪設并沒有明顯提升傳動軸的固有頻率，因此，可以采用單層碳纖維混合軸。

3 傳動軸與萬向節的連接

混合傳動軸和金屬萬向節可采用機械、膠接等方式連接。其中，機械連接主要包括法蘭連接、螺栓連接、網紋連接、齒紋連接、銷釘連接等；膠接主要是利用結構膠連接兩者。在實際應用中，往往難以有效控制膠接質量；而在機械連接中，螺栓連接和銷釘連接都需要在傳動軸上打孔，對傳動軸的強度較為不利。因此，通常采用齒紋連接方式。齒紋連接與矩形花鍵連接相似，齒根較淺、應力集中、承載能力高。在裝配過程中，應確保傳動軸與萬向節間的過盈配合。

在傳遞扭矩的過程中，每個齒的受力表達式為：

F=T/（N·r）. （1）

式（1）中：N為齒數；r為連接處等效半徑。

在設計中，根據連接的半徑、徑向長度等參數能夠確定優化設計矢量X=（N，ws，h）。同時，要合理選擇齒紋的深度、寬度等。以2 700 N·m的扭矩為例，根據計算能夠得出需要的齒數為5，齒長為60 mm、寬為25 mm、深為1 mm。最后根據實際情況修改齒紋參數，最終確定齒數為20，齒寬為6.4 mm，其他參數保持不變，傳動軸性能滿足實際應用要求。

4 結論

傳動軸是汽車中十分重要的零部件，對汽車的質量、強度、性能都有著很大的影響。因此，為了提升汽車整體性能，可以采用碳纖維復合材料制造汽車混合傳動軸。與以往的鋼鐵材料傳動軸相比，碳纖維復合材料能在更大程度上提升汽車傳動軸的性能。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕