一種新型碳纖維復合材料傳動軸及其成型工藝

劉暢+熊孜堯+謝凡

基于現有碳纖維復合材料傳動軸存在的金屬件與碳纖維軸連接不穩定和碳纖維軸難以實現大批量生產的問題，設計了一種新型碳纖維復合材料傳動軸及其成型工藝，意圖達到低成本生產的制造理念和“節能減排”的目標，擬采用創新設計配套的加工工藝方法制造一種新型碳纖維復合材料傳動軸，使傳動軸大幅度減重，可以保證車身各方面的性能以及安全性能不受影響，并配套加工工藝實現大批量制造，降低制造成本的同時達到節能的目的。

碳纖維復合材料傳動軸應用于汽車的背景

汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。有實驗表明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備質量每減少100公斤，百公里油耗可降低0.3L～0.5L。

從理論上看，實現輕量化的途徑主要有三種：一是結構輕量化；二是特種加工；三是材料輕量化。從實際情況看，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、蘭博基尼等高檔車型到近幾年興起的新能源汽車來看，碳纖維復合材料無疑是最大的熱點。但是，由于其成本高昂，導致其無法被普及到普通汽車。將碳纖維復合材料與傳統制車材料對比可得，碳纖維復合材料具有質量輕、強度高的優勢。綜上，盡管碳纖維復合材料的生產成本較為昂貴，碳纖維復合材料對汽車生產方仍然有很重要的現實意義。

我們對不同的車用碳纖維復合材料零部件輕量化效果進行比較（如表1所示）。碳纖維復合材料有提高燃油效率和降低油耗等特點，眾所周知，汽車傳動效率越高，傳遞動力的過程中能量損失越小，汽車的油耗就越低，因此，改善傳動軸的使用性能對汽車節能減排具有比較重要的意義。碳纖維復合材料傳動軸它不僅可減輕60%的重量，還使傳動軸具有更好的耐疲勞性和耐久性，但是調查發現，碳纖維復合材料在傳動軸應用普及方面較為困難。一方面，由于碳纖維復合傳動軸的制造方法為纏繞生產，加工過程繁瑣，生產效率低，導致無法大批量生產；另一方面，金屬件與碳纖維復合傳動軸的連接部分容易出現失效現象。

現在碳纖維復合材料應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發展已經逐年減少，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，由單件小批量生產到規模化生產。長久以來，以手工為主的單件小批量生產模式一直占據著碳纖維復合材料汽車零部件主要制造過程，因而易于造成產品質量難以保證、制造成本較高與生產效率較低。所以碳纖維復合材料能否滿足大批量生產的要求至關重要。

研究意義

在機械產品中傳動軸的使用相當普遍，在工作過程中，傳動軸主要承受扭轉力矩。碳纖維傳動軸的比強度高、抗腐蝕、耐疲勞強度及動態特性良好，與金屬傳動軸相比，碳纖維傳動軸傳遞的扭矩更多，質量更輕（以汽車傳動軸為例，碳纖維復合材料傳動軸可使原來的兩件簡化為單件，與鋼材相比減重60%，每個傳動軸減重9kg），轉動需要的功率更低。但碳纖維復合傳動軸與金屬件連接部分容易產生失效，影響軸的性能。因此，改善碳纖維傳動軸的連接結構具有非常重要的意義。此外，由于受現有的連接方式限制，碳纖維復合傳動軸難以實現大批量生產，制造效率低、成本高，所以降低制造成本乃當務之急。

綜上所述，研究碳纖維復合傳動軸與金屬件連接方式，對于改善軸的性能，開發碳纖維復合軸低成本制造工藝，降低制造成本，激發碳纖維復合材料在汽車輕量化研究方向上的潛能，為汽車節能降耗等方面做出貢獻具有重大意義。

實施方案

連接結構設計

1）設計背景。金屬件與碳纖維復合傳動軸的連接部分容易出現失效現象，因此金屬件與碳纖維復合傳動軸的連接方式是制約碳纖維復合傳動軸成型的關鍵因素。對比膠接連接（如圖1，1為金屬部分，2為碳纖維復合材料薄壁圓管）、機械連接和混合連接可以發現，這幾種連接方式都存在連接金屬件與碳纖維復合材料連接部分強度低，裝配效率低的問題。因此，本項目擬從軸的金屬件與碳纖維復合材料連接方式開始尋求一種新型連接方式，在圓形連接的基礎上，受花鍵連接啟發，改進金屬件與碳纖維復合材料連接方式。

2）整體結構。

傳動軸整體結構如圖2，我們參考花鍵連接方式接觸面積大、承載能力高、定心性能和導向性能好，鍵槽淺、應力集中小，對軸和轂的強度削弱小，同時結構緊湊等優點，設計了一種新的連接方式。在法蘭盤的金屬軸頸內表面上開8個半圓，同時在碳纖維軸上外表面上開8個半圓，這樣法蘭盤和碳纖維軸就共同形成一個公共孔，即對應一個銷孔。在銷孔里插入銷釘，銷釘兩端用螺紋固定，這樣就實現了連接部分的整體設計。此外，為進一步強化了碳纖維軸與法蘭盤之間的連接強度，插完銷釘后還應將這一傳動軸整體進行固化。

3）碳纖維軸設計。碳纖維軸的半圓孔與法蘭盤金屬軸頸上的半圓孔形成一個整圓孔，這樣一根銷釘便可穿過起到固定作用。此設計并沒有采用鉆孔的方法，因為這樣會破壞纖維，會造成和鉆孔同樣的強度降低效應，這種設計通過工藝來完成這些半圓孔而不破壞纖維。

碳纖維軸生產工藝

針對這種碳纖維軸結構我們研究了一種不破壞纖維的生產工藝方法，由于濕法纏繞成型所需設備簡單，工序少而生產周期較短，可有效降低制造成本和提高生產效率。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脂的纖維直接纏繞在芯模上。所以我們設計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個凹槽的圓柱，這樣纖維纏繞出來的碳纖維軸兩端內表面會有突起半圓，外表面就會有需要的半圓孔。這樣纏繞就會存在一個纖維不能落在芯模凹槽上的問題，而目的效果是碳纖維要緊密貼合與芯模表面。為了解決這一問題我們設計了一種裝置，能夠使纖維緊貼與芯模表面。其具體結構如圖4所示。endprint

碳纖維纏繞時，芯模為定軸轉動，壓纖齒輪隨著芯模的齒傳動。當纖維纏繞至兩端時壓纖齒輪會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行會逐漸變大，所以壓纖齒輪不能固定不動，這里用兩個軸套板一段共軸，另一端分別套在壓纖齒輪和芯模的中心軸上，兩個軸套板設置一伸長狀態的彈簧，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，還持續提供了二者貼合的力。

可行性分析

1）技術上，本設計都是依托在現有技術的基礎上的。在設計這種碳纖維傳動軸的工藝時，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，設計的結構和加工工藝都是方便纏繞的。碳纖維軸較傳統的金屬軸，我們采用中空的，因為傳遞扭矩時應力主要分布于外表面，并且碳纖維較普通結構鋼的強度也大很多。每個工藝和結構力學分析都是合理的。

2）材料上，碳纖維是一種目前已有廣泛應用的材料，各項力學性能都非常好，并且目前對于碳纖維的加工方法也比較完善。

3）應用范圍上，這種傳遞扭矩的傳動軸在各種機床，汽車轉動軸都很適合。應用范圍極為廣泛。

4）經濟上，使用這種碳纖維復合材料傳動軸對節約能源具有顯著效果。效益分析如下：確定碳纖維傳動軸的結構設計后，在滿足同樣的使用要求下，計算碳纖維軸相對傳統軸的質量減少量。研究表明，汽車輕量化是降低能耗、減少排放的最有效措施之一。例如汽車每減少100kg，可節省燃油0.3～0.5L/（100km），可減少CO2排放8～11g/（100km）。

通過問卷調查可知，一般汽車使用用戶每月駕車行駛里程在2 000km左右。平均一輛車每年能節省燃油3～5L，減少CO2排放80～110g。假設推廣至生產1 000萬輛車使用改新型傳動軸。每年可節省燃油3 000～5 000萬升，減少CO2排放800～1 000t。

參考文獻

[1]楊睿.碳纖維復合材料傳動軸的動力學特性研究[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[2]宋燕麗.面向汽車輕量化應用的碳纖維復合材料關鍵技術[J].材料導報，2016（17）：16-17.

[3]徐健全.純電動汽車與燃油汽車輕量化效果的對比分析[J].汽車工程，2012（6）：542-543.

（作者簡介：劉暢，熊孜堯，謝凡，武漢理工大學機電工程學院。）endprint