碳纖維復合材料汽車傳動軸設計與振動特性分析

張錦光，韓會永，馬祥禹，譚建，姚宇

(1. 武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070； 2. 上汽通用五菱汽車股份有限公司 技術中心，廣西 柳州 545000)

0 引言

汽車傳動軸是汽車傳動系統的主要部件，在汽車行駛過程中負責傳遞動力總轉矩作用，其強度要求及其動態特性對整車安全與舒適性影響很大，動力傳動軸彎曲振動在很大的頻段內對車輛振動噪聲有重要的影響[1-2]。合理地設計傳動軸對解決汽車的振動和噪聲問題是十分重要的[3]。

現階段汽車傳動軸主要由金屬制作而成。由于金屬比模量、比剛度較低、一段式金屬傳動軸共振頻率極低，金屬傳動軸一般采用二段式設計[4]，這就使得傳動軸的加工、布置、安裝和調試變得繁瑣。增加的萬向節與傳動軸支架等連接部件，大大增加了傳動軸總成的質量，亦會對傳動軸總成振動性能產生影響。

相對于金屬而言，碳纖維復合材料具有比重小、比強度和比模量高、耐疲勞等特點[5-6]。使用纖維增強復合材料代替原金屬材料制備一段式汽車傳動軸，可在大幅減輕總體結構自重的同時，減少噪聲，降低傳動系統能量損失，提高抗振性能，改善轉動軸的振動固有頻率以及最低臨界轉速[7-8]。

1 碳纖維復合材料傳動軸設計

1.1 汽車傳動軸設計要求

根據某汽車的使用情況，碳纖維復合材料汽車用傳動軸設計要求如表1所示。

碳纖維復合材料由纖維基體與樹脂復合而成。碳纖維根據強度、模量不同可分為T300/T700/T1000和M30/M40等基體材料，樹脂亦可分為熱塑性樹脂與熱固性樹脂等。本文根據碳纖維傳動軸設計要求，選擇碳纖維基體材料為高模量纖維M40J，樹脂選擇熱固性樹脂中的環氧樹脂，它具有耐高溫、粘附性好、耐腐蝕、工藝性能好等優點。M40J/環氧樹脂的工程參數如表2所示,單層厚度為0.075 mm。

表1 碳纖維復合材料傳動軸設計要求

表2 M40J/環氧樹脂工程參數

碳纖維復合材料具有正交各向異性的特性，沿纖維方向的強度最大。前人的相關研究成果表明[9-11]： 0°、45°和90°的鋪層，有利于提高抗扭性能。增加 0°鋪層的比例可以提高軸向模量，提高傳動軸的固有頻率。對稱鋪層方案相比于反對稱鋪層方案更有利于零件抗扭強度的提高。受層合工藝限制，在本文中采用0°、10°、45°、90° 3種角度進行鋪層設計,其中10°為小角度層，用于隔離相鄰0°層[12-13]。現設定以下5種鋪層方案：

方案1：[±45]10s

方案2：[±45/0/90]5s

方案3：[±45/0/±10]4s

方案4：[±45/0/±45]4s

方案5：[±45/0/90/0]4s。

1.2 碳纖維汽車傳動軸強度校核

碳纖維復合材料傳動軸設計需要進行強度校核。對于復合材料層合結構軸管，扭轉剪切強度反映軸管在承受轉矩載荷下的極限破壞載荷。除此之外，復合材料軸管在服役期間，可能出現屈曲變形，發生損壞，故設計過程中還需要對屈曲轉矩進行校核。

碳纖維復合材料傳動軸扭轉剪切強度應滿足式(1)：

(1)

其中，Wn為抗扭截面模量，k為復合材料安全系數，選取為3，[τ]為首層失效強度。根據理論計算可得出碳纖維軸管首層失效強度。

碳纖維復合材料傳動軸屈曲轉矩應滿足式(2)：

(2)

其中，L為軸管長度，Ex,Ey為軸向與徑向模量，t為軸管厚度，D為軸管外徑。

根據式(1)與式(2)所示的強度準則校核形式，對上述5種方案進行求解，分別獲得各方案對應首層失效強度和屈曲轉矩，如圖1所示。

圖1 5種方案首層失效強度及屈曲轉矩分布圖

根據圖1中的對比方案，方案1—方案5中，方案5的首層失效強度最小，經校核其最大應力亦滿足要求。5種方案屈曲轉矩均遠大于受載轉矩。經強度校核，所有方案均滿足扭轉剪切強度及屈曲轉矩校核。

1.3 碳纖維汽車傳動軸臨界轉速校核

汽車在運行過程中，傳動軸傳遞轉矩的同時會隨著旋轉產生一定的振動，這種振動的幅度受傳動軸自身屬性的影響。在一定的轉速頻率下，傳動軸會產生強烈共振，影響汽車整體的平穩性并對傳動軸壽命產生影響。因而在設計碳纖維復合材料傳動軸時，應對其進行臨界轉速性能的校核，即碳纖維復合材料傳動軸固有頻率校核。薄壁管復合材料傳動軸固有頻率的計算公式為[14]：

(3)

其中，Ex為軸向模量，ρ為材料密度，D為軸管外徑，d為軸管內徑，l為軸管等效長度，忽略80mm×2膠接區域，等效長度取1 484mm。

對5種方案進行求解，各方案對應的臨界轉速值如圖2所示。

圖2 5種鋪層方案臨界轉速分布圖

根據圖2所示的5種鋪層方案臨界轉速分布圖，結合強度校核結果，選擇方案3為最優結果。選取的鋪層結構為[±45/0/±10]4s。

圖3 碳纖維復合材料傳動軸鋪層結構

2 碳纖維復合材料傳動軸模擬分析

2.1 強度與失效分析

根據方案3設定的鋪層結構，選用Abaqus復合材料單元進行仿真建模，施加轉矩載荷對強度進行仿真分析，選用Tsai-Wu判據進行破壞判斷，得到其在轉矩載荷下的應力應變分布如圖4和圖5所示，表征其破壞狀態的Tsai-Wu指數分布圖如圖6所示。

圖4 碳纖維復合材料軸管等效應力云圖

圖5 碳纖維復合材料軸管等效應變云圖

圖6 碳纖維復合材料軸管蔡吳失效云圖

選擇整體仿真結果進行查看，設計的碳纖維汽車傳動軸蔡吳失效指數最大值為0.843 6，未發生破壞。分層查看每一鋪層的蔡吳失效值，發現最大值出現在外側第2層位置。

2.2 振動模擬分析

根據設計的鋪層結構，運用Abaqus振動分析模塊進行仿真建模，施加兩端固定約束模擬工裝運行狀態，模擬分析得到振型圖如圖7所示。

圖7 碳纖維軸管約束振型

約束選擇兩端端面全約束，得到的彎曲振型如圖(7)所示，可以發現在模擬兩端固定約束的情況下，傳動軸發生彎曲振動時其彎曲最大位置為軸向中間面，因此在設計傳動軸倉的結構時，應預留傳動軸發生振動時的安全空間。

3 碳纖維復合材料傳動軸振動實驗分析

根據方案3制造了兩根碳纖維汽車傳動軸試樣。碳纖維軸管采用熱壓罐工藝固化成型，在預浸料成型期間，保證預浸料纏繞時的預緊力，確保預浸料貼合緊密。另外，用45號鋼加工與軸管相配合的汽車傳動軸金屬萬向節叉，將萬向節叉與碳纖維軸管用膠接形式膠合，得到試件如圖8所示。

圖8 碳纖維汽車傳動軸樣件

根據制造的碳纖維汽車傳動軸樣件，配合工裝夾具，使用某公司臨界轉速試驗機(技OA/0509)，對樣件1、2分別進行測試，得出其臨界轉速值。測試結果如表4所示。

表4 樣件試驗結果

經試驗測試，樣件1、2的臨界轉速值大于設計要求，符合使用條件。

4 結語

1) 通過理論分析了幾種鋪層設計與碳纖維汽車傳動軸強度性能、振動性能的相應關系，根據對應關系選擇了一種合理鋪層。

2) 針對某型號汽車傳動軸要求，使用仿真與試驗相結合的方式對設計的碳纖維汽車傳動軸失效、振動情況進行了研究，了解了在傳動軸使用過程中失效集中、振幅劇烈的相應位置，為碳纖維傳動軸服役提供了相應的設計基礎。

3) 理論、仿真和實驗的結果相差不大，說明設計的一種汽車用碳纖維傳動軸滿足設計要求。