传动轴发展.pdf

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结构件上。主要包括以下应用,车身及车身部件:车身壳体、地板、车门、前端
板、阻流板等;悬挂部件:前后保险杠、仪表板等;动力部件:传动轴、导流罩、
发动机外壳等;车内装饰:门内饰板、车门把手、仪表盘等。


碳纤维复合材料,具有高强度、高刚性,有良好的耐蠕变和耐腐蚀性,与其他
纤维增强复合材料相比较更具有前途成为汽车轻量化材料。用碳纤维取代钢材制
造车身和底盘构件,可减轻质量,从而节约汽油消耗。碳纤维复合材料在汽车上
的应用,美国开展的最好,美国福特公司早已采用制造汽车传动轴、发动机罩、
上下悬架臂等零部件,主要应用在结构件和受力件上。2003年,碳纤维的SMC
复合材料首先成功批量应用于2003款的DodgeViper车型和mercedesMaybach
车型的系列化生产中。
二汽车传动轴发展历程
汽车传动轴作为汽车的一个重要的运动部件,传动轴在不同轴心的两轴间甚
至在工作过程中相对位置不断变化的两轴间传递动力,工作环境都比较恶劣。对
传动轴材料性能有着较高的要求,传统的汽车传动轴是金属件。包括传动轴体(一
根或者多根)、万向节(两个或者多个)、滑动花键副、中间支承结构。对于金属
传动轴而言,,一般采用单根传动轴管。
,通常就要采用两根或者两根以上传动轴管、
由三个或者三个以上的万向节连接而成,并且要增设中间结构件。金属传动轴在
使用过程中要定期给其注入润滑油,以保养传动轴,而且注润滑油又脏又累,给
驾驶人员增加负担还浪费时间。并且金属传动轴在使用过程中容易磨损,引起传
动轴噪音和发动机能量损失、缩短使用寿命。
为了解决磨损、润滑等缺点,美国最先进行了传动轴涂覆层的研发。1966
年成功申请专利。此种工艺将尼龙11、尼龙12、尼龙1010粉末结合粘结剂涂覆
在金属传动轴的表面。此种方法对传动轴的性能及其应用有一定的改进,但在部
件简化及性能强度上的改善不大。纤维增强树脂复合材料传动轴的问世及发展正
在逐渐解决传统金属传动轴的缺点和完善其性能。国内传动轴涂敷尼龙的研究已
很成熟了,河南许昌传动轴总厂年产尼龙涂敷汽车传动轴总成90万套,其中:
轻型汽车传动轴28万套,中型汽车传动轴34万套,重型汽车传动轴28万套。
最早生产碳纤维复合材料的公司是美国摩里逊公司(MorrisonMoldedFiber
Glass)生产的碳纤维复合材料汽车传动轴。其生产的传动轴供通用汽车公司载
重汽车应用。采用的碳纤维复合材料可以使原来的两件合并为一件,与钢材相比
较质量可以减轻60%,每个传动轴减轻9Kg。该传动轴采用卓尔泰克公司
(ZOLTKE)公司的工业级48K碳纤维,年生产量为60万根传动轴,每根传动
。
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17793N远大于安全
设计值10000N,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RenaultEspaceQuadra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RenaultSafraneQuadra
的传动轴由原始的金属三段式发到了金属和复合材料展相连的两节式,减重高达
40%,此种传动轴销量较小,仅年产500套。在ToyotaMarkII使用的碳纤维传
动轴减重大50%,性能上大大改善了N•V•H。Audi80/90Quattro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/A8Quattro,此种型号传动轴年产已达30000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V8VantageCoupe,阿斯
顿马丁V12Vantage,马自达RX-8。即将上市的2011款奔驰SLSAMG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:
2··
Nc=(C/L)(E/ñI/A)
上式中,为汽车传动轴的临界转速,
Nc
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:为传动轴的长度,、为铝和碳纤维环氧树脂的弹性模量;
lEalEco/
,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
qalqco
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8000rev/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,andHarshness)性能,为汽车驾驶者
提供了安静怡人的环境。
金属传动轴
CFRP传动轴

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。
:
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璃纤
维(弹性模量552-827GPa,E-glass、S-glass),基体采用双酚A型环氧树脂:
Epi-Rez508,Epi-Rez510(CelaneseCoatings),Epon828(Shell),固化剂采用
酸酐类固化剂(邻苯二甲酸酸酐,)或者***类固化剂(间本二***,N,N-二***苯
***)。其中纤维体积含量为55-70%(60%)。
(,1英寸=),内径:4英寸(),
由四个缠绕层组成如图6所示,考虑缠绕角度及每层的厚度对传动轴的影响,
US4171626专利考察了轻微改变每缠绕层的厚度和缠绕角,采用了四种方案进
行缠绕,并对比了传动轴的基本性能指标。
图5轴体示意图
方案一:
(cm)FiberreinforcementFiberangle
()E-glassfiber±45°
()E-glassfiber0°
()Carbonfiber0°
(2206GPa)
()E-glassfiber90°
方案二:
(cm)FiberreinforcementFiberangle
()E-glassfiber±45°
()E-glassfiber±10°
()Carbonfiber±10°
(2206GPa)
()E-glassfiber±80°
方案三:
(cm)FiberreinforcementFiberangle
()E-glassfiber±45°
()E-glassfiber0°
()Carbonfiber0°
(3792GPa)
()E-glassfiber90°
方案四:
(cm)FiberreinforcementFiberangle
()E-glassfiber±45°
()E-glassfiber±10°
()Carbonfiber±10°
(3792GPa)
()E-glassfiber±80°
四种方案传动轴参数:
序号总厚度(cm)总重量(kg)经向模量(MPa)临界转速(RPM)
()
()
()
()
小角度纤维缠绕层主要为传动轴提供静态弯曲强度,大角度纤维缠绕层为了保
障静传动轴态扭曲强度。为了避免小角度缠绕时的纤维脱落、打滑在缠绕时采用
辅助部件销钉如示意图中的31所示。由专利文献小角度缠绕角一般在10°-45°
之间,大角度缠绕角度一般为75°-90°。

齿纹式连接
连接工序分两种情况,一种是现将碳纤维传动轴轴体成型加工好之后再将其
与金属连接部件粘和连接。另外一种则是在缠绕成型过程中将金属连接部件固定
在缠绕芯模上,在缠绕过程中即可完成粘和连接。不管是两者中的任何一种连接
方式,金属连接部件的外表面都经过齿纹状处理以增加连接强度的作用。(US
2003/0157988A1)专利传动轴轴体部位采用缠绕成型的工艺,复合材料轴体连
接部位和连接部件连接部位采用齿纹连接的方式。
图7传动轴示意图

如上图所示13为传动轴金属连接部件,14为金属连接部件上的齿纹带。齿
纹带齿纹的顶角角度为45°-75°(推荐使用60°)。金属连接部件齿纹带14的外径
为70mm-75mm,,-,齿
,,齿纹数量在145个左右。
Unitedstatespatent5309620本专利中传动轴的连接示意图如下图所示,3为