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传动轴发展
传动轴发展
一 背景
汽车是最普通的代步、运输工具，许多国家均将汽车工业作为其重要的支柱产业。面对资源和环境的严峻挑战，推进汽车轻量化以降低油耗，一直是汽车工业发展的主题。复合材料因具有加工能耗低, 轻质高强,。
福特公司1984年将玻璃纤维复合材料传动轴应用到汽车领域。此种材料的抗扭曲强度是传统金属材料的两倍以上，扭矩力测试结果为17 793N远大于安全设计值10 000N，作为受力材料玻璃纤维还要逊色于碳纤维复合材料。考虑到碳纤维使用的成本，早期传动轴主要采用的时玻璃纤维纤维增强树脂或者是玻璃纤维和碳纤维混合的使用，其中碳纤维作为结构层。GKN公司在1988年开始着手于碳纤维复合材料传动轴的研究，传动轴在Renault Espace Quadra 上的使用开导了碳纤维复合材料汽车传动轴的先驱。1992年推出的Renault Safrane Quadra
的传动轴由原始的金属三段式发展到了金属和复合材料相连的两节式，减重高达40%，此种传动轴销量较小，仅年产500套。在Toyota Mark II使用的碳纤维传动轴减重大50%，性能上大大改善了N•V•H。Audi 80/90 Quattro 首次使用碳纤维传动轴是在1989年，并且使用汽车汽车型号一直延续到了1998年的Audi A4/A8 Quattro，此种型号传动轴年产已达30 000套。此外碳纤维汽车传动轴在以下车型上均有使用：阿斯顿•马丁DB9，阿斯顿·马丁V8 Vantage Coupe，阿斯顿马丁V12 Vantage，马自达RX-8。即将上市的2011款奔驰SLS AMG欧翼，碳纤维传动轴的使用也将成为此款车型的标配。

汽车传动轴的诸多性能参数但中，临界转速是其很重要的一个参数，当传动轴的转速与它的弯曲振动的固有频率相同时，传动轴就会发生共振使传动轴有折断的危险。常用的计算汽车传动轴临界转速的公式如下：
Nc = (C / L2) · (E/ñ · I/A)
上式中，Nc为汽车传动轴的临界转速，
C为常数，
L为传动轴的长度，
I为轴管连接部位力矩，
A为万向十字节的连接面积。
对这些限制因素进行分析可以发现，传动轴长度及连接万向节确定的情况下，要提高传动轴的临界转速只能提高E/ñ 模量系数，对复合材料而言有高强，高模，弯曲模量可高达100Gpa。
简化的临界转速的计算公式：
上式中：l为传动轴的长度，Eal、Eco为铝和碳纤维/环氧树脂的弹性模量；qal，qco为铝管和碳纤维铺层的单位长度质量。与金属材料相比较，碳纤维复合材料有着高弹性模量，并且有较小的单位长度质量。
碳纤维复合材料传动轴具有优异力学性能并且具有位移补偿能力，单根轴体管就能达到使用上的要求。研究表明：轴体直径一致的情况下，汽车传动轴的临界转速为8000 rev/min时传统金属传动轴的长度为1250mm，而碳纤维增强树脂复合材料传动轴的长度可以达到1650mm。碳纤维复合材料有望实现传动轴的一体化。

碳纤维复合材料具有很高的比强度、比模量，实现汽车轻量化的同时可以达到节能省油的目的。资料表明：碳纤维复合材料传动轴与传统金属传动轴相比较可以至少减轻40%的质量如示意图4，其中包括传动轴两段的金属链接部件。汽车普通部件质量每减轻1%，可节油1%，类似传动轴等运动部件则可以节油2%。纤维增强树脂复合材料传动轴已经广泛应用到汽车领域，并且成功的改善了传统金属汽车传动轴的N•V•H（Noise, Vibration, and Harshness）性能，为汽车驾驶者提供了安静怡人的环境。


三 成型工艺
纤维增强树脂复合材料汽车传动轴成型技术已趋于成熟，常见的成型工艺有拉挤成型，缠绕成型，空心管轧碾成型，压模注塑成型等成型工艺。


缠绕成型是生产复合材料传动轴最常用的成型工艺。缠绕成型可以精度的控制纤维的方向和轴体直径，此成型工艺具有高度的自动化生产能力。GKN公司所提供的复合材料传动轴均由缠绕工艺制备而成。缠绕成型过程中主要控制的参数有缠绕线型和缠绕角度对传动轴性能的影响，复合材料传动轴轴体与金属连接部件连接的方式。针对具体的的缠绕成型工艺选举典型的几个实例予以说明。
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早期的复合材料传动轴考虑增强纤维的加工成本，增强纤维主要采用玻