汽车碳纤维复合材料混合传动轴设计研究

郑总政

摘 要：碳纤维复合材料是一种应用十分广泛的材料，具有各向异性、质量轻、强度高等特点。尤其是在汽车制造中，利用碳纤维复合材料可以制作车身表面覆盖件、空气动力组件等，能够有效提升汽车的整体性能。在以往的汽车制造中，采用的是钢铁传动轴，其弯曲固有频率较小。为了满足汽车高速行驶的要求，采用了两段式传动轴，但两段式传动轴存在着很多弊端。而应用碳纤维复合材料制造汽车的混合传动轴，能够很好地解决这一问题，从而提升汽车的整体性能。

关键词：汽车；碳纤维复合材料；混合传动轴；力学性能

中图分类号：U465.6；U463.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.08.081

当前，随着人们生活水平的不断提高，汽车已经越来越普及，同时，人们对汽车的性能、质量、稳定性和耐用性等也提出了更高的要求。因此，只有质优价廉的汽车才能受到更多消费者的喜爱。传动轴对汽车的性能和价格等具有很大的影响。基于科技的发展，采用碳纤维复合材料制造汽车的混合传动轴，对汽车的各项性能、轻量化等都有着十分重要的作用。可见，本文对汽车碳纤维复合材料混合传动轴设计的研究具有一定的现实意义。

1 传动轴的制造

汽车新型复合材料传动轴主要是以复合材料为内层，以金属材料为外层。其中，外层材料主要选用铝镁合金、铝合金等轻质金属材料，内层的复合材料则主要为碳纤维。通过逐层粘贴的方式，将复合材料固定于金属轴的内表面，从而保护复合材料免受油水杂质、外部冲击等损坏。在当前的后驱和四驱车辆设计中，主传动轴的长度在不断增加。传动轴的长度会对其固有频率产生影响——长度越长，弯曲固有频率越小。随着碳纤维层铺设角度的减小，碳纤维复合材料混合轴的固有频率逐渐增加。因此，利用碳纤维复合材料以0°的角铺设，能够将汽车传动轴的固有频率提升45%左右。

汽车复合材料传动轴应当具有良好的扭转刚度、扭转强度和承载能力，其弯曲固有频率至少要达到229 Hz以上。同时，自身质量应尽量减轻。因此，可以选用碳纤维材料、玻璃纤维材料、铝合金材料分别作为混合传动轴的内层、中层和外层。在实际制造当中，首先按照一定的角度和顺序，在金属芯模上缠绕玻璃纤维和碳纤维，然后放入铝合金轴中。此时，在芯轴旋转压力的作用下，复合材料层会贴在铝合金轴内壁。接着将真空袋插入混合轴，再用带有“O”形密封环和真空管路的端盖密封；将轴向预紧力施加于混合轴上，并消除复合材料层和铝轴之间的残余热应力；将混合轴抽成真空送入高压釜，经过3 h 125 ℃加热即可。

2 传动轴的力学性能

在传动轴的设计过程中，必须要考虑到其刚度和强度等参数，从而确保零件的安全和可靠。汽车的传动轴主要是传递扭矩，只承受由自身质量产生的弯矩，而这种弯矩是可以忽略的。因此，在设计传动轴强度的过程中，必须在许用剪应力[t]下对圆轴横截面最大剪应力tmax进行限制。在校核传动轴刚度时，要考察相对扭转角。

汽车碳纤维复合材料混合传动轴的静态扭矩传递能力至少要达到2 700 N·m。利用相关公式可以计算出传动轴的尺寸。一般情况下，后驱车辆传动轴的外径为60～120 mm，长度为1 200～1 500 mm。多层碳纤维的铺设并没有明显提升传动轴的固有频率，因此，可以采用单层碳纤维混合轴。

3 传动轴与万向节的连接

混合传动轴和金属万向节可采用机械、胶接等方式连接。其中，机械连接主要包括法兰连接、螺栓连接、网纹连接、齿纹连接、销钉连接等；胶接主要是利用结构胶连接两者。在实际应用中，往往难以有效控制胶接质量；而在机械连接中，螺栓连接和销钉连接都需要在传动轴上打孔，对传动轴的强度较为不利。因此，通常采用齿纹连接方式。齿纹连接与矩形花键连接相似，齿根较浅、应力集中、承载能力高。在装配过程中，应确保传动轴与万向节间的过盈配合。

在传递扭矩的过程中，每个齿的受力表达式为：

F=T/（N·r）. （1）

式（1）中：N为齿数；r为连接处等效半径。

在设计中，根据连接的半径、径向长度等参数能够确定优化设计矢量X=（N，ws，h）。同时，要合理选择齿纹的深度、宽度等。以2 700 N·m的扭矩为例，根据计算能够得出需要的齿数为5，齿长为60 mm、宽为25 mm、深为1 mm。最后根据实际情况修改齿纹参数，最终确定齿数为20，齿宽为6.4 mm，其他参数保持不变，传动轴性能满足实际应用要求。

4 结论

传动轴是汽车中十分重要的零部件，对汽车的质量、强度、性能都有着很大的影响。因此，为了提升汽车整体性能，可以采用碳纤维复合材料制造汽车混合传动轴。与以往的钢铁材料传动轴相比，碳纤维复合材料能在更大程度上提升汽车传动轴的性能。

参考文献

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[2]袁铁军，周来水，谭昌柏，等.复合材料传动轴设计及制造关键技术的研究[J].制造技术与机床，2012（10）：159-163.

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〔编辑：刘晓芳〕