一種新型碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸及其成型工藝

劉暢+熊孜堯+謝凡

基于現(xiàn)有碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸存在的金屬件與碳纖維軸連接不穩(wěn)定和碳纖維軸難以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的問題，設(shè)計(jì)了一種新型碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸及其成型工藝，意圖達(dá)到低成本生產(chǎn)的制造理念和“節(jié)能減排”的目標(biāo)，擬采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)配套的加工工藝方法制造一種新型碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸，使傳動(dòng)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(shí)現(xiàn)大批量制造，降低制造成本的同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的。

碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸應(yīng)用于汽車的背景

汽車的輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。有實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(shí)現(xiàn)輕量化的途徑主要有三種：一是結(jié)構(gòu)輕量化；二是特種加工；三是材料輕量化。從實(shí)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(fù)合材料無疑是最大的熱點(diǎn)。但是，由于其成本高昂，導(dǎo)致其無法被普及到普通汽車。將碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)制車材料對比可得，碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢。綜上，盡管碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)成本較為昂貴，碳纖維復(fù)合材料對汽車生產(chǎn)方仍然有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

我們對不同的車用碳纖維復(fù)合材料零部件輕量化效果進(jìn)行比較（如表1所示）。碳纖維復(fù)合材料有提高燃油效率和降低油耗等特點(diǎn)，眾所周知，汽車傳動(dòng)效率越高，傳遞動(dòng)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(dòng)軸的使用性能對汽車節(jié)能減排具有比較重要的意義。碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸它不僅可減輕60%的重量，還使傳動(dòng)軸具有更好的耐疲勞性和耐久性，但是調(diào)查發(fā)現(xiàn)，碳纖維復(fù)合材料在傳動(dòng)軸應(yīng)用普及方面較為困難。一方面，由于碳纖維復(fù)合傳動(dòng)軸的制造方法為纏繞生產(chǎn)，加工過程繁瑣，生產(chǎn)效率低，導(dǎo)致無法大批量生產(chǎn)；另一方面，金屬件與碳纖維復(fù)合傳動(dòng)軸的連接部分容易出現(xiàn)失效現(xiàn)象。

現(xiàn)在碳纖維復(fù)合材料應(yīng)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(shù)發(fā)展已經(jīng)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(fù)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(chǎn)到規(guī)?；a(chǎn)。長久以來，以手工為主的單件小批量生產(chǎn)模式一直占據(jù)著碳纖維復(fù)合材料汽車零部件主要制造過程，因而易于造成產(chǎn)品質(zhì)量難以保證、制造成本較高與生產(chǎn)效率較低。所以碳纖維復(fù)合材料能否滿足大批量生產(chǎn)的要求至關(guān)重要。

研究意義

在機(jī)械產(chǎn)品中傳動(dòng)軸的使用相當(dāng)普遍，在工作過程中，傳動(dòng)軸主要承受扭轉(zhuǎn)力矩。碳纖維傳動(dòng)軸的比強(qiáng)度高、抗腐蝕、耐疲勞強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)特性良好，與金屬傳動(dòng)軸相比，碳纖維傳動(dòng)軸傳遞的扭矩更多，質(zhì)量更輕（以汽車傳動(dòng)軸為例，碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸可使原來的兩件簡化為單件，與鋼材相比減重60%，每個(gè)傳動(dòng)軸減重9kg），轉(zhuǎn)動(dòng)需要的功率更低。但碳纖維復(fù)合傳動(dòng)軸與金屬件連接部分容易產(chǎn)生失效，影響軸的性能。因此，改善碳纖維傳動(dòng)軸的連接結(jié)構(gòu)具有非常重要的意義。此外，由于受現(xiàn)有的連接方式限制，碳纖維復(fù)合傳動(dòng)軸難以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，制造效率低、成本高，所以降低制造成本乃當(dāng)務(wù)之急。

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

實(shí)施方案

連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)背景。金屬件與碳纖維復(fù)合傳動(dòng)軸的連接部分容易出現(xiàn)失效現(xiàn)象，因此金屬件與碳纖維復(fù)合傳動(dòng)軸的連接方式是制約碳纖維復(fù)合傳動(dòng)軸成型的關(guān)鍵因素。對比膠接連接（如圖1，1為金屬部分，2為碳纖維復(fù)合材料薄壁圓管）、機(jī)械連接和混合連接可以發(fā)現(xiàn)，這幾種連接方式都存在連接金屬件與碳纖維復(fù)合材料連接部分強(qiáng)度低，裝配效率低的問題。因此，本項(xiàng)目擬從軸的金屬件與碳纖維復(fù)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(chǔ)上，受花鍵連接啟發(fā)，改進(jìn)金屬件與碳纖維復(fù)合材料連接方式。

2）整體結(jié)構(gòu)。

傳動(dòng)軸整體結(jié)構(gòu)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(dǎo)向性能好，鍵槽淺、應(yīng)力集中小，對軸和轂的強(qiáng)度削弱小，同時(shí)結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新的連接方式。在法蘭盤的金屬軸頸內(nèi)表面上開8個(gè)半圓，同時(shí)在碳纖維軸上外表面上開8個(gè)半圓，這樣法蘭盤和碳纖維軸就共同形成一個(gè)公共孔，即對應(yīng)一個(gè)銷孔。在銷孔里插入銷釘，銷釘兩端用螺紋固定，這樣就實(shí)現(xiàn)了連接部分的整體設(shè)計(jì)。此外，為進(jìn)一步強(qiáng)化了碳纖維軸與法蘭盤之間的連接強(qiáng)度，插完銷釘后還應(yīng)將這一傳動(dòng)軸整體進(jìn)行固化。

3）碳纖維軸設(shè)計(jì)。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(gè)整圓孔，這樣一根銷釘便可穿過起到固定作用。此設(shè)計(jì)并沒有采用鉆孔的方法，因?yàn)檫@樣會(huì)破壞纖維，會(huì)造成和鉆孔同樣的強(qiáng)度降低效應(yīng)，這種設(shè)計(jì)通過工藝來完成這些半圓孔而不破壞纖維。

碳纖維軸生產(chǎn)工藝

針對這種碳纖維軸結(jié)構(gòu)我們研究了一種不破壞纖維的生產(chǎn)工藝方法，由于濕法纏繞成型所需設(shè)備簡單，工序少而生產(chǎn)周期較短，可有效降低制造成本和提高生產(chǎn)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(shè)計(jì)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(gè)凹槽的圓柱，這樣纖維纏繞出來的碳纖維軸兩端內(nèi)表面會(huì)有突起半圓，外表面就會(huì)有需要的半圓孔。這樣纏繞就會(huì)存在一個(gè)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(shè)計(jì)了一種裝置，能夠使纖維緊貼與芯模表面。其具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。endprint

碳纖維纏繞時(shí)，芯模為定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，壓纖齒輪隨著芯模的齒傳動(dòng)。當(dāng)纖維纏繞至兩端時(shí)壓纖齒輪會(huì)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(jìn)行會(huì)逐漸變大，所以壓纖齒輪不能固定不動(dòng)，這里用兩個(gè)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(gè)軸套板設(shè)置一伸長狀態(tài)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(xù)提供了二者貼合的力。

可行性分析

1）技術(shù)上，本設(shè)計(jì)都是依托在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上的。在設(shè)計(jì)這種碳纖維傳動(dòng)軸的工藝時(shí)，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(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和加工工藝都是方便纏繞的。碳纖維軸較傳統(tǒng)的金屬軸，我們采用中空的，因?yàn)閭鬟f扭矩時(shí)應(yīng)力主要分布于外表面，并且碳纖維較普通結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度也大很多。每個(gè)工藝和結(jié)構(gòu)力學(xué)分析都是合理的。

2）材料上，碳纖維是一種目前已有廣泛應(yīng)用的材料，各項(xiàng)力學(xué)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(yīng)用范圍上，這種傳遞扭矩的傳動(dòng)軸在各種機(jī)床，汽車轉(zhuǎn)動(dòng)軸都很適合。應(yīng)用范圍極為廣泛。

4）經(jīng)濟(jì)上，使用這種碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸對節(jié)約能源具有顯著效果。效益分析如下：確定碳纖維傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，在滿足同樣的使用要求下，計(jì)算碳纖維軸相對傳統(tǒng)軸的質(zhì)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(jié)省燃油0.3～0.5L/（100km），可減少CO2排放8～11g/（100km）。

通過問卷調(diào)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(jié)省燃油3～5L，減少CO2排放80～110g。假設(shè)推廣至生產(chǎn)1 000萬輛車使用改新型傳動(dòng)軸。每年可節(jié)省燃油3 000～5 000萬升，減少CO2排放800～1 000t。

參考文獻(xiàn)

[1]楊睿.碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的動(dòng)力學(xué)特性研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

[2]宋燕麗.面向汽車輕量化應(yīng)用的碳纖維復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)[J].材料導(dǎo)報(bào)，2016（17）：16-17.

[3]徐健全.純電動(dòng)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(xué)機(jī)電工程學(xué)院。）endprint