復(fù)合材料傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)及制造關(guān)鍵技術(shù)的研究*

袁鐵軍 周來水 譚昌柏 鄭偉峰

（①南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016;②鹽城工學(xué)院機(jī)械學(xué)院，江蘇鹽城 224051）

復(fù)合材料傳動(dòng)軸與鋼軸相比，除重量輕外，結(jié)構(gòu)也更簡單，軸長可以做得很長從而減少系統(tǒng)中傳動(dòng)軸數(shù)目，在水下環(huán)境不易腐蝕，擁有很小的熱膨脹系數(shù)，可以更好地吸收振動(dòng)和共振，運(yùn)行更安靜，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備上具有特別的優(yōu)勢。玻纖增強(qiáng)樹脂傳動(dòng)軸由于其非磁特性在掃雷軍艦飛機(jī)上具有特別的優(yōu)勢。復(fù)合材料傳動(dòng)軸非常方便設(shè)計(jì)者根據(jù)需要通過不同的纖維鋪層數(shù)目、鋪放角度和壁厚來獲得需要的扭矩剛度和彎曲剛度［1］。

目前飛機(jī)、艦船、汽車等交通設(shè)備呈現(xiàn)出向輕量化發(fā)展的趨勢，大量使用復(fù)合材料，美國空軍戰(zhàn)斗機(jī)的大軸、海軍潛艇的主推進(jìn)器軸就是復(fù)合材料，很多汽車廠商廣泛使用復(fù)合材料傳動(dòng)軸，其中美國摩里遜公汽車公司一年就生產(chǎn)了60萬根碳纖維傳動(dòng)軸［2－5］。隨著復(fù)合材料成本的降低，復(fù)合材料傳動(dòng)軸普及使用是未來的趨勢，所以研究復(fù)合材料傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)及制造的關(guān)鍵技術(shù)就顯得非常必要。

1 復(fù)合材料傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)

1.1 軸管的典型結(jié)構(gòu)及材料

單一復(fù)合材料的軸管需要進(jìn)行合適的設(shè)計(jì)，船用軸管的截面可以達(dá)到14 m，決定軸管長度的主要因素不是材料屬性，而是運(yùn)輸、安裝和移動(dòng)，聯(lián)結(jié)以及隔板距離。軸管的直徑需要與市場上能得到的軸承和密封圈相配套［1］。在船舶用傳動(dòng)軸上考慮降低成本，選擇玻璃纖維比較合適;在高載荷低重量的狀況下選擇碳纖維更加合適。飛機(jī)對減重的要求更高，一般選擇碳纖維復(fù)合材料。純纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的軸管具有高固有頻率、降噪、減重的優(yōu)勢，考慮綜合力學(xué)性能及成本，可以選擇多種纖維與碳纖維進(jìn)行混雜。

如圖1a所示的混合軸管（混合復(fù)材傳動(dòng)軸管）的內(nèi)層是復(fù)合材料，外層是金屬管。該類軸可以用于后輪驅(qū)動(dòng)汽車傳動(dòng)，復(fù)合材料預(yù)浸料堆放在金屬管的內(nèi)表面上，增加軸的軸向剛度和固有振動(dòng)頻率，也防止外部低速?zèng)_擊損害復(fù)合材料的物理性能［6］。汽車用傳動(dòng)軸采用鋁與復(fù)合材料混合，復(fù)合材料一般選用碳纖維增韌環(huán)氧樹脂，復(fù)合材料與金屬管之間的絕緣層一般采用玻璃纖維復(fù)合材料。圖1b所示為另一種混合軸管，外層是復(fù)合材料，內(nèi)層是金屬管?；旌陷S管的金屬管為使用常規(guī)連接方法（焊接或螺釘）連接其他金屬元件提供了空間。美國波音公司型號(hào)為234的商用直升機(jī)的尾部傳動(dòng)軸就采用該結(jié)構(gòu)，有效減重20%，運(yùn)轉(zhuǎn)服務(wù)時(shí)間相比傳統(tǒng)的鋁軸增加了3倍［7］。

1.2 纖維的角度及層數(shù)

Centa Antriebe Kirschey［1］認(rèn)為改變絲束、復(fù)合材料鋪層數(shù)，增加壁厚，設(shè)計(jì)者可以設(shè)計(jì)出具有最好的周向及彎曲強(qiáng)度的軸，能承受所期望的載荷。纖維軸向鋪放時(shí)軸具有最大的彎曲剛度，纖維與軸向成85°角鋪放時(shí)，軸具有最大的扭矩剛度。在實(shí)際應(yīng)用中，普通非關(guān)鍵領(lǐng)域產(chǎn)品的軸的纖維鋪放角為45°，設(shè)計(jì)者可根據(jù)所需的綜合性能調(diào)整這些數(shù)據(jù)。漸進(jìn)增加壁厚可同時(shí)獲得最好的扭矩傳遞和動(dòng)態(tài)平衡能力，為減少過大的壁厚，復(fù)合材料軸往往采用比鋼軸更大的直徑。Y.A.Khalid［7］等人認(rèn)為混合軸管復(fù)合材料層數(shù)的增加能夠增加軸的疲勞強(qiáng)度。圖1b所示鋁復(fù)材混合軸管以［+45/－45］3s鋪層方式時(shí)具有最高的疲勞強(qiáng)度，與其他方式相比高 40%。H.B.H.Gubran［8］采用有限元法研究復(fù)合材料軸及復(fù)合材料與金屬混合軸的固有頻率，固有頻率跟隨纖維角度而變化。0°纖維角頻率數(shù)值最高，頻率數(shù)值纖隨纖維角度轉(zhuǎn)向90°而減少，金屬與合適角度碳纖維混合軸的頻率數(shù)值較金屬軸的頻率高。

1.3 接頭連接方式

1.3.1 緊固件連接

圖2所示為復(fù)材管（復(fù)合材料傳動(dòng)軸管）的傳統(tǒng)連接方式，該連接方式使用鉚釘或螺紋緊固件來連接得到裝配件，涉及到標(biāo)識(shí)、鉆孔、安裝、旋轉(zhuǎn)，無法清理所鉆孔的毛刺，復(fù)合材料比金屬更脆，在周期載荷下可能導(dǎo)致裂紋，減少了復(fù)合材料驅(qū)動(dòng)軸的重量優(yōu)勢，缺點(diǎn)較多。

1.3.2 膠粘方式連接

Ronald N.Salzman［9］等人發(fā)明了適合復(fù)材管與攪拌葉輪連接的膠粘連接方法，如圖3所示，復(fù)材管內(nèi)表面開有按照一定角度均布的多個(gè)軸向凹槽、周向凹槽，軸向凹槽與周向凹槽垂直相交。在金屬連接器導(dǎo)套外表面也有按照一定角度均布的多個(gè)軸向凹槽、周向凹槽，軸向凹槽與周向凹槽垂直相交，將金屬連接器導(dǎo)套以緊配合插入復(fù)材管并使得兩個(gè)零件的凹槽完全對齊，閉合的凹槽形成獨(dú)特的鍵槽。在端口處向閉合凹槽內(nèi)注入樹脂或含短切纖維的復(fù)合材料，固化后就可以形成能傳遞扭矩的鍵。連接器端板可以防止軸遭到腐蝕。該連接方式可以有效地傳遞扭矩、彎矩、推力載荷。時(shí)間長了，粘結(jié)效果會(huì)變差，無法傳遞大扭矩。Lawson

Mackellar等人［10］發(fā)明連接復(fù)材管與環(huán)形部件的方法。在復(fù)材管內(nèi)表面與連接件外圓面間采用膠粘結(jié)，在復(fù)材管外圓面套上一個(gè)襯套，襯套與軸管外表面間也采用膠粘結(jié)，該方式很適合軸與法蘭段連接或兩根軸連接成一個(gè)整體更長的軸?？蛇x用定位銷或鉚釘將幾層零件連成一個(gè)整體，圖4所示為軸管單側(cè)膠粘連接。James A.Duggan等人［11］發(fā)明了帶有軸向均布凹槽粘結(jié)通道與復(fù)材管進(jìn)行粘接的接頭。將粘結(jié)劑注入粘套管外圓凹槽和復(fù)材管內(nèi)表面，將端部連接器襯套以過盈配合插入復(fù)材管，粘結(jié)劑固化后，粘結(jié)接頭件的襯套與軸管實(shí)現(xiàn)有效的連接，如圖5所示。

1.3.3 齒形與膠粘混合連接

Dai Gil Lee 等人［6］利用壓力配合法連接混合軸管與連接件，如圖6所示，將金屬襯套插入軸管中防止軸管在壓力作用下軸向失穩(wěn)。將連接件加熱后，在其內(nèi)表面凹槽中注入粘結(jié)劑，利用壓力將軸管壓進(jìn)連接件，冷卻后連接件內(nèi)表面的齒形面咬住軸管外圓表面，在引導(dǎo)孔內(nèi)表面插入橡膠密封圈防止?jié)駳夂团K物損害軸。該連接方式可有效傳遞扭矩并提高疲勞強(qiáng)度和沖擊性能。

1.3.4 齒形連接

Tetsuyuki Kyono［12］等人發(fā)明了如圖7所示的復(fù)材管與連接件，將連接件與復(fù)材管進(jìn)行壓力配合，使得連接件的齒形與軸管的環(huán)箍內(nèi)表面進(jìn)行咬合。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明該連接方法使傳動(dòng)軸具有漸進(jìn)失效機(jī)制和防撞功能，使得傳動(dòng)軸采用碳纖維復(fù)材管具有更多的意義。該連接方法已經(jīng)廣泛使用在日產(chǎn)350Z、馬自達(dá)RX－8等轎車上。John W.Trayulor［13］等人發(fā)明了如圖8所示連接方法，在連接件裝入石墨纖維管前將鋼環(huán)套在軸管外部，連接件在壓力作用下進(jìn)入纖維軸管時(shí)鋼環(huán)起阻礙石墨纖維軸管徑向膨脹的作用，并迫使連接件軸上的花鍵切入軸管并承擔(dān)扭矩載荷。Shinohara［14］等人發(fā)明了如圖9所示的連接法，在復(fù)材軸管內(nèi)部插入表面粗糙的金屬膜或聚合物膜，可以使用粘結(jié)劑將膜粘結(jié)到復(fù)材軸管，也可以在成型軸管前將聚合膜鋪放在芯軸上。連接件具有軸向的外齒形，利用壓力將連接件與軸管連接，使得軸管和膜發(fā)生變形，產(chǎn)生內(nèi)齒形，從而傳送扭距，也不會(huì)產(chǎn)生連接件齒形割斷軸管纖維的問題。

1.3.5 凸緣整體連接

Sherman Lin等人［15］開發(fā)的帶凸緣連接功能的整體式碳纖維傳動(dòng)軸本質(zhì)上是適應(yīng)驅(qū)動(dòng)軸發(fā)展趨勢的一種整體連接方式，如圖10所示。該方式使軸在承受彎曲載荷和扭矩方面具有優(yōu)勢，突破了設(shè)計(jì)極限扭矩，并已經(jīng)成功用于直升機(jī)尾部傳動(dòng)軸。

2 復(fù)材管的制造方法

2.1 純纖維增強(qiáng)復(fù)材管的制造方法

純纖維增強(qiáng)復(fù)材管的制造方法較多，比如通過纏繞工藝、鋪絲或三維編織成型坯件，然后進(jìn)行固化。固化的方式有熱壓罐固化，也有RTM、VARTM、軟模輔助RTM工藝、氣囊輔助VARTM工藝。與傳統(tǒng)VARTM工藝相比較，氣囊及真空輔助RTM工藝能通過氣囊的膨脹加壓擠膠作用，降低了構(gòu)件的樹脂含量，提高構(gòu)件的致密性和力學(xué)性能。氣囊及真空輔助RTM工藝適合制備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對力學(xué)性能要求較高的復(fù)合材料閉合體構(gòu)件［16］。在經(jīng)典的固化周期中，厚截面的內(nèi)部溫度滯后于表面的溫度，導(dǎo)致表面區(qū)域固化更快，如果表面區(qū)域固化太早并在內(nèi)部固化前凝固，會(huì)導(dǎo)致中間含有過多的樹脂，構(gòu)件纖維含量不均勻以及過多的氣泡。所以常規(guī)的固化技術(shù)不適合厚截面的復(fù)合材料傳動(dòng)軸的加工。Cheol Kim［17］等人在纏繞時(shí)對芯軸一直進(jìn)行加熱，芯軸加熱原理如圖11所示，實(shí)現(xiàn)在纏繞成型的同時(shí)進(jìn)行加熱固化。纏繞結(jié)束時(shí)從徑向截面上看近2/3的軸管已經(jīng)固化，然后在熱壓罐里固化剩余部分。固化周期如圖12所示。在加工過程中沒有熱高峰，殘余應(yīng)力也不大，從經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量方面來看，該方法比較好。Jong Woon Kim［18］等人發(fā)展了帶突然冷卻和重加熱的敏捷固化周期，如圖13所示。采用敏捷固化周期加工得到的碳纖維酚醛圓柱形構(gòu)件層間拉伸熱殘余應(yīng)力要比在常規(guī)固化工藝加工得到的構(gòu)件殘余應(yīng)力低30%。筆者提出采用微波來固化在石英玻璃棒上纏繞成型的大厚度纖維增強(qiáng)復(fù)合材料傳動(dòng)軸。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)外同時(shí)加熱，從原理上講可消除大厚度構(gòu)件固化時(shí)存在的溫度梯度大、固化變形大等問題。該方法固化復(fù)合材料傳動(dòng)軸的實(shí)驗(yàn)仍在進(jìn)行中。

2.2 混合軸管的制造方法

2.2.1 圖1a結(jié)構(gòu)所示混合軸管的制造方法

整個(gè)加工過程如圖14所示［19］，將芯軸套上真空袋，裹上聚四氟乙烯脫模布，裹上多層事先裁剪好的預(yù)浸料帶，使得芯軸上復(fù)合材料坯件的外圓直徑稍小于金屬管的內(nèi)圓直徑，固定金屬管旋轉(zhuǎn)芯軸使得復(fù)合材料預(yù)浸料鋪放在金屬管的內(nèi)表面。在金屬管的兩端分別安裝具有密封作用的端蓋，在芯軸中插入穿過端蓋的螺紋桿，緊固螺母壓緊端蓋和軸為一個(gè)密封體，通過端蓋上的氣孔抽走真空袋與金屬管內(nèi)壁間的空氣，使得真空袋內(nèi)的氣體膨脹把復(fù)合材料壓在金屬內(nèi)壁上。將混合軸管坯件放到熱壓罐里面進(jìn)行共固化，固化結(jié)束后去除芯軸及端蓋等輔助工具，就可得到混合軸管。

2.2.2 圖1b結(jié)構(gòu)所示混合軸管的制造方法

在金屬管上用纏繞或鋪絲方法做成坯件，然后在熱壓罐環(huán)境下按照合適的工藝固化即可得到混合傳動(dòng)軸管。該結(jié)構(gòu)的軸管比較容易制造，但軸管的幾何尺寸精度不是很高。Hak Sung Kim［20－21］等人在加工混合傳動(dòng)軸管過程中采用敏捷固化周期，所得鋁復(fù)合材料混合管的熱殘余應(yīng)力與供應(yīng)商推薦固化周期所得構(gòu)件的殘余應(yīng)力相比降低50%，提高了幾何精度，增強(qiáng)了扭轉(zhuǎn)疲勞壽命。

3 未來研究展望

（1）復(fù)合材料傳動(dòng)軸的使用范圍越來越廣，工作速度越來越高，經(jīng)常運(yùn)行在第二臨界轉(zhuǎn)速之上，對旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)方面特性的深入研究就顯得更加重要。確定能分析復(fù)合材料傳動(dòng)軸動(dòng)力學(xué)特性的理論模型及改進(jìn)動(dòng)力學(xué)特性的各項(xiàng)措施就很有必要。

（2）提高復(fù)材管的固化成型精度，特別是對大厚度復(fù)材管固化變形的預(yù)測及控制措施仍是未來復(fù)合材料傳動(dòng)軸制造重要的研究方向，其中能實(shí)現(xiàn)內(nèi)外同時(shí)固化，有效減小固化變形的微波固化技術(shù)正在獲得學(xué)者的關(guān)注。

（3）為了降低成本，縮短制造周期，提高綜合力學(xué)性能，復(fù)合材料傳動(dòng)軸呈現(xiàn)軸管和端部連接件一體化特點(diǎn)，端部連接件的截面有呈非圓形的趨勢，增強(qiáng)纖維由多種纖維混雜構(gòu)成。

（4）為了解決低速?zèng)_擊損傷，復(fù)材管采用金屬基纖維增強(qiáng)材料是一個(gè)有效的解決方案［21］，針對該種復(fù)合材料軸的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的研究是未來的一個(gè)方向。

4 結(jié)語

本文針對復(fù)合材料傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)及制造關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析與總結(jié)，并展望了未來的主要研究方向。在此基礎(chǔ)上，提出需要針對整體化結(jié)構(gòu)的樹脂基多種纖維混雜增強(qiáng)復(fù)合材料軸或金屬基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料軸的設(shè)計(jì)及制造技術(shù)進(jìn)行深入研究，分別建立理論完善、計(jì)算方便的實(shí)用模型，預(yù)測軸的動(dòng)態(tài)特性、固化的變形，加強(qiáng)微波固化工藝在固化大厚度或大厚度梯度傳動(dòng)軸中的應(yīng)用研究對提高復(fù)合材料傳動(dòng)軸的成型精度有重要意義。

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