复合材料半轴的轻量化设计

复合材料半轴的轻量化设计

EcoCAR竞赛是一项针对大学生的汽车设计竞赛，第3届EcoCAR竞赛的设计目标是改善2016款雪佛兰科迈罗的燃油经济性，从而减少其对环境的影响。科罗拉多州立大学的参赛队为该车设计了一个并行的变速器，该变速器可实现发动机和电机输出的并行传输，从而使传输到汽车半轴上的转矩增大，进而改善汽车的功率输出。由于汽车半轴上的转矩增大，因而需要对传统的半轴进行重新设计。增大半轴的直径，可使半轴满足这种转矩增大的需求，但这将使整车质量增加，使汽车的燃油经济性下降。对此，科罗拉多州立大学的参赛队设计了一种轻量化半轴。

由于复合材料（如碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料）具有较高的耐冲击性、耐腐蚀性和较轻的质量，因而采用复合材料进行了新型轻量化半轴的设计。由于制造工艺和制造成本的限制，因而传统金属半轴采用实心轴结构。而复合材料为层状结构，在应用过程中可采用不同复合材料层的叠加铺设实现，可制造空心半轴。半轴设计过程中考虑的主要因素是，所设计的复合材料半轴必须具有足够的强度和刚度，以满足疲劳寿命的要求。复合材料层的铺设角度直接影响半轴的强度和刚度，考虑到半轴主要承受扭转载荷，因而制造时将复合材料层进行±45°的交错铺设。最后，根据载荷要求和几何约束可确定半轴的内外径。

通过试验对给出的复合材料半轴设计方法的有效性进行验证。试验选用的复合材料为碳纤维增强复合材料。采用美国英斯特朗生产的MT2扭矩测试仪进行了力学性能测量。测试结果表明，所制造的复合材料半轴能够满足汽车的载荷要求，但其成本对碳纤维价格波动较为敏感。

Eric Jambor et al.SAE 2016-01-1254.

编译：张振伟