碳纖維乘用車傳動軸的設計與研制

  后輪驅動乘用車輛的傳動軸用來將發動機所產生的動力傳遞到差動齒輪箱。傳動軸要實現動力傳遞的功能,需要其具有很高的扭矩傳遞能力,從而使其在車輛驅動過程中不發生損壞。乘用車輛傳動軸要求具有高于2700N·m的靜態扭矩傳遞能力,同時能滿足9200轉/分以上的轉速要求。要滿足9200轉/分的轉速要求,傳動軸的彎曲固有頻率將至少為154Hz。

  傳動軸的固有頻率與其長度的平方成反比關系,這就意味著傳動軸長度越長,就越難以滿足較高傳動軸彎曲固有頻率的要求。因鋼質材料剛度較低,一段式鋼質傳動軸因單段長度較長,通常難以滿足154Hz的彎曲固有頻率要求,因此目前,鋼質傳動軸一般制造為兩段式,由3個萬向節、1個中心支承軸承和1個托架組成,結構較復雜,傳動效率低,增加了汽車自重,大大增加了能源耗用,不符合當前的汽車輕量化發展趨勢。

  在當前大力提倡侶節能減排,節約能源,發展低碳經濟的新形勢下,顯然傳統的傳動軸制造已受到很大的制約。碳纖維復合材料已在航空器及機器人等對結構強度和剛度要求更嚴格的領域得到了廣泛應用。緊跟低碳經濟的發展趨勢,將具有高強度、高剛度的碳纖維復合材料應用到傳動軸制造技術中,對提高汽車的能效及傳動性能都將非常行之有效。

  通常,復合材料有很好的減振能力,可達1%,而鋼僅為0.001-0.1%,因此復合材料具有很好的抗振性。將復合材料應用到傳動軸設計中,較之鋼結構,會產生更小的噪聲及振動,同時可滿足較高的彎曲固有領率的要求。因此,應用剛度高、抗疲勞特性好的復合材料取代鋼質結構,將能制造符合使用要求的一段式傳動軸。一段式傳動軸相對于兩段式,在中間連接部位減少了1個萬向節、1個中間支承軸承和1個托架,結構的簡單化能有效的減少噪聲及振動。

  混合軸是通過將碳纖維復合材料逐層固化粘附到鋁制軸的內表面制造而成,碳纖維復合材料具有很高的比剛度,能成倍的提高混合軸的彎曲固有頻率。采用此方法,因復合材料隱藏于鋁制軸的內部,能有效的防止復合材料受外部沖擊以及水等雜質的吸收對其的破壞,而其中位于外部的鋁制軸則用來承擔絕大部分的扭矩傳遞功能。混合傳動軸同時采用鋁及高剛度比的碳纖維復合材料制造而成,因此能同時滿足動力傳遞和高彎曲固有頻率的功能要求,即能具有高于2700N·m的靜態扭矩傳遞能力,同時也能滿足9200轉/分以上的轉速要求。采用鋁制軸與碳纖維復合材料來制造混合軸,所使用的方法為共固化法,此方法取代了纏繞法。

  在共固化過程中,將碳纖維固化到鋁制軸內表面時,在這兩種材料的接觸表面的殘余應力會對復合材料層產生損傷。為解決此問題,玻璃纖維復合材料被植人到碳纖維與鋁制軸內表面之間,以此使殘余應力最小化。

  經有限元分析與實驗測試結果顯示,碳纖維復合材料具有很高的剛度,當其固化到鋁制軸的內表面后,能非常有效的提高其彎曲固有頻率等振動特性。本研究首先對混合軸的制造技術及性能要求進行了探討,然后重點通過有限元分析及實驗測試相結合的方法對鋁碳纖維復合材料混合軸的振動特性進行了分析比較。

  在ANSYS11環境下獲得的結果與測試結果基本一致,當碳纖維層數增加時,一階彎曲固有頻率也隨之增加,鋁制軸內表面固化有3層碳纖維的混合軸相對于僅固化1層的混合抽,彎曲固有頻率增加了82%。傳統的乘用車輛傳動軸因引入高剛度的碳纖維復合材料,將能制造出符合動力傳遞及振動特性要求的一段式混合軸,克服了傳統的兩段式傳動軸結構復雜,自重大,能耗大等缺點。

 

  閱讀延伸:《碳纖維傳動軸在機床上的應用優勢