環氧樹脂對汽車傳動軸增韌效果影響研究

白小燕

摘要：汽車傳動軸是汽車傳動結構中傳遞動力最重要的軸構件，分別由軸管、伸縮套和萬向節組成，分段式結構必須增加中間支承來鞏固結構。傳動軸在運行中受力情況復雜，容易受到外力擠壓產生裂紋直至結構收到摧毀。傳動軸構件若是受損失效后會造成嚴重的后果。因此本文重點在于尋找汽車傳動軸如何增韌的方法。研究發現環氧樹脂在機械、電子電器和交通運輸等領域發揮著十分重要的作用，運用廣泛。環氧樹脂是一種性能優良的基體材料，然而，由于其具有高度交聯的網狀結構使其韌性差、脆性大，限制了其進一步推廣應用，通過對環氧樹脂的改性轉化可降低脆性，增加任性，文章將對環氧樹脂的改性方法進行探究，汽車傳動軸結構進行分析，綜合傳動軸的運行需求結合環氧樹脂改性增韌特點進行環氧樹脂對汽車傳動增韌效果的影響研究。

關鍵詞：汽車傳動軸;環氧樹脂;增韌;改性

中圖分類號：TQ323.5 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）12-0016-04

汽車傳動軸在運行過程中，要面對啟動，制動及運行中帶來的強烈沖擊力，因此，優良的強度和韌性對汽車傳動軸是及其重要的。因此使用優化的傳動軸材料，設計出合理高性能傳動軸對于汽車生產是十分重要的。環氧基和固化劑之間進行相互反應形成的三維交聯網狀高聚物[1]就是環氧樹脂，它是一種貯存穩定、電氣性能、耐腐蝕性極好的基體材料。在很多電子機械領域使用度高。然而，原始的環氧樹脂固化后形成的化學結構呈三維網狀，此結構注定了它的產品表現出韌性，耐腐蝕性差的特性，在很多領域都受限，無法擴寬。基于上述原因，環氧樹脂的增韌改性成了研究的重點。將改性后的環氧樹脂運用到傳動軸設計中將會帶來不一樣的新體驗。

1 轉動軸

1.1轉動軸組成結構

傳動軸總成裝在變速器和后橋之間，將變速器傳來的扭矩與旋轉運動傳遞給后橋的主減速器。傳動軸是由軸管、伸縮套和萬向節組成，分段式須加中間支承。在萬向傳動裝置中，一般會將傳動軸制成實心軸，但是為了得到較高的強度和剛度，做成空心軸是一個不錯的選擇。轉動軸系統如圖1、圖2所示。

1.2軸管設計要求

1）強度要求：現實生活中汽車的工作情況是十分復雜的，在工作中在承受汽車內部交變引起的負荷，又要承受運行中因起動、制動及道路環境所引起的沖擊載荷，所以對強度和可塑性要求較高。

2）精度要求：在高速旋轉運動狀態下傳遞扭矩的傳動軸，只有達到了一定精度的幾何形狀和質量，才能使傳動軸的質量中心與回轉中心無限接近，所以綜上要求軸管質量一定均勻分布。從而可以減少由于離心力帶來的系統震動，保證車輛運行穩定性。

3）工藝性要求：為保證傳動軸總的質量，轉動軸鋼管制造過程必須保證壓扁，擴口，靜扭等工藝性能檢測過關，保證軸管質量。

2 傳動軸承受強度計算及軸管制造材料

2.1傳動軸承受強度計算

1）臨界轉速：當傳動軸工作時的轉速達到一定數額，出現共振現象時，由于振幅急劇增加而引起傳動軸折斷時的轉速。傳動軸的臨界轉速nk（r/min）為2）軸管的扭轉切應力應滿足：

2.2軸管制造材料

1）壁厚為4.Omm～5.Omin的軸管選擇082熱軋帶鋼;

2）壁厚在2.smm以下的軸管最好選擇冷軋帶鋼;

3）08Ti、10Ti、15Ti鋼均屬含欽的低合金鋼。鋼中加入Ti后，使品粒細化，提高了鋼的屈服強度、拉伸強度和屈強比。

3 環氧樹脂增韌方法及改性方法分析

3.1環氧樹脂增韌方法

通過對汽車傳動軸結構，材料，制造要求分析，汽車轉動軸在承受的強度和韌度上要求比較高，綜合實際情況，強度比較容易達到，韌性上面可運用改良材料，環氧樹脂作為一種性能優良的基體材料，然而，由于其具有高度交聯的網狀結構使其韌性差、脆性大，限制了其進一步推廣應用，通過改性可達到高度運用。

目前環氧樹脂增韌的基本途徑有以下幾種：

1）運用熱塑性塑料，剛性顆粒第二相或橡膠進行增韌改性;

2）用熱塑性塑料連續貫穿于故熱性樹脂網絡結構中形成互穿網絡模式進行改性;

3）改變樹脂自身交聯式網絡化學結構。

3.2環氧樹脂改性方法簡介

3.2.1熱塑性樹脂（TP）

為提高熱塑性樹脂的韌性，20世紀80年代國內外研究者開始采用TP對環氧樹脂進行改性的研究。描述TP增韌環氧樹脂的機理可以從顆粒撕裂吸收能量理論和孔剪切屈服等理論進行。由于TP具有極好的韌性、強度及耐熱性等優點，在對環氧樹脂進行改性過程中，在能顯著提高材料體系的韌性以及抗疲勞特性的同時，環氧樹脂固化物的數量和耐熱性會保持不變。由于材料體系中的連續相互反應是材料力學性能和熱電學性能的主要影響因素，直接影響TP的增韌效果取決于TP是否可以在聚合反應誘導相分離的過程中發生反向轉進而形成連續性結構。

3.2.2橡膠彈性體

采用橡膠彈性體對環氧樹脂進行增韌的方法是研究的比較早的一個方向。人們對這種橡膠微粒分散在脆性連續性相體系的力學行為進行了系統的研究。圖3是設想的幾種機理示意圖。

20世紀60年代末期，McGarry等[1]首次打破常規嘗試添加端羧基丁腈橡膠對環氧樹脂進行增韌改性，結果意想不到的好。橡膠彈性體在環氧樹脂固化過程中會形成“海島結構”，結構如下圖4所示。此固化過程會使得環氧樹脂的韌性大大增強，它的抗沖擊力強度隨之提高。然而，橡膠彈性體在增韌環氧樹脂的同時，固化反應過程中環氧樹脂分離不充分，同時，玻璃化轉變溫度和彈性模量急劇下降，下降的熱穩定性是一個導致它無法推廣其在高溫場合的應用的重要因素。限制了它的使用。影響橡膠彈性體增韌效果好壞有2個方面：①橡膠彈性體在液態環氧樹脂之中分布是否均勻，也就是說它與液態環氧樹脂之間是否具有良好的相容;②它與環氧樹脂液體橡膠相互反應的活性基團在固化過程中能否順利進行，并且是否能保證能均勻分散到環氧樹脂中去。

3.2.3互穿聚合物網絡（IPNs）

兩種以上在組成和結構上存在一定差異的共聚物或均聚物持續不間斷進行物質間互相串聯捆綁、交互交聯而形成的一種特殊混合體系，我們把它叫做IPNs。其網絡聚合物體系如圖5所示。理論上的IPNs是可以顯現出均聚物的動態力學性能，IPNs理想中是可以和環氧樹脂共融的。在固化反應中，不能參加反應的IPNs被分離踢出成為新的分散相，這些被淘汰出來的IPNs是環氧樹脂增韌的關鍵。在反應中銀紋遇到IPNs的分散相顆粒，銀紋的發展擴充過程就會發生突然的轉向、分支等，與此同時在受到外來的破壞應力下，分散顆粒還可以阻止初始裂紋發展成為破壞性裂紋，起到保護作用;由于IPNs增韌的環氧樹脂體系是一種用材料以完全物理貫穿的方式與另一種材料混合獲得的，它是一種運用物理方式結合的，兩者并不是通過化學反應形成化學鍵獲得的，從而使得IPNs改性增韌的環氧樹脂相比于普通共混聚合物增韌效果更佳好。IPNs增韌改性方法可以提高環氧樹脂體系的韌性和抗沖擊能力，還不會降低其熱穩定性和拉伸強度，甚至還稍有提高。可以說是一種性價比較高的增韌方法。

3.2.4超支化聚合物（HBP）

HBP顧名思義，我們可以推測出超支化聚合物必定是由小分子反應形成的體積較大的聚合物[2]。HBP改善環氧樹脂韌性的優點如下：①HBP的活性基團可以和環氧樹脂基體進行固化反應，從而形成網狀結構，此結構大大提高了固化效率;②HBP獨特的粒子大小和球狀結構恰如其分地保護防止有害粒子的形成侵入進而避免過濾效應的發生，可從內部進行增韌;③HBP的球狀結構設計很棒，球狀的結構可以和環氧樹脂基體大面積融合，材料體系的收縮率大大降低。HBP合成與白組裝研究如圖6所示。此外，相比其他的形態的聚合物，在同樣的相對分子質量下，HBP的溶解度是高出其他同類物質的，且它的化學反應活性以及更低的黏度。因此，由于HBP增韌方法是具有TP的高耐熱性、橡膠的低黏度等優點，在增韌領域中，越來越多的人會選擇它。簡而言之，HBP增韌環氧樹脂是一種十分具有研究價值的增韌方法，增韌空間比較大。

3.2.5核/殼結構聚合物（CSLP）

CSLP是經由兩種或兩種以上單體通過乳液聚合而形成的一種聚合物復合粒子。CSLP粒子結構中的殼和核功能各不相同[3]，這主要取決于它內外聚集的聚合物，呈現出的結構十分別致，多為雙層或者多層結構。CSLP粒子增韌環氧樹脂的主要機制是空穴化一塑性形變。CSLP粒子應力十分集中，很少有分散較大的情況，它在消耗剪切帶和銀紋的能量的同時，還能夠阻礙銀紋進一步惡化;另外一種通過CSLP粒子來提高材料粘接強度和韌性的方法是從環氧樹脂界面脫離，環氧樹脂將會產生彈性形變，從而產生彈性勢，在過程中彈性勢能將因此被消耗掉。采用CSLP對環氧樹脂進行增韌的優點如下：①CSLP增韌的成效高于液體橡膠的增韌，具體表現在Tg持久性強，沒有明顯下滑，具有良好的熱穩定性;②利用CSLP來增韌可以人為控制粒子的大小、形狀，按照需求設計出適合的結構，它的可控性較好，包覆粒子可以均勻分散在環氧樹脂基體中，提高增韌效果。

4 結語

中國作為世界上汽車第一大消費和生產大國，隨著汽車工業的飛速增長，伴隨而來很多問題，例如資源消耗，汽車使用安全性及汽車節能減排等問題。文章主要探究環氧樹脂對汽車傳動軸的增韌影響，環氧樹脂的改性運用能大大提高汽車傳動軸韌性，達到使用安全要求，減少材料使用。首先介紹了汽車傳動軸的結構，生產使用達標要求及對材料達標要求，隨后介紹環氧樹脂的性能及多種增韌方法列舉，可見環氧樹脂的改性增韌相對成熟的，可擴寬環氧樹脂的使用領域，相信在汽車的傳動軸增韌運用上是，環氧樹脂一定能發揮它獨有的作用，為我國汽車制造添磚加瓦。

參考文獻

[1]宋盛菊，楊法杰，褚庭亮，等.環氧樹脂增韌方法及增韌劑的研究進展[J].中國印刷與包裝研究，2013，5（5）：9-24.

[2]張博，王汝敏，江浩，等.超支化聚合物增韌改性環氧樹脂的研究[J].工程塑料應用，2014，42（11）：6-10.

[3]汪源，王源升.不同結構聚合物核殼粒子對環氧樹脂的增韌改性[J].高分子材料科學與工程，2012，28（2）：23-27.