环氧树脂对汽车传动轴增韧效果影响研究

白小燕

摘要：汽车传动轴是汽车传动结构中传递动力最重要的轴构件，分别由轴管、伸缩套和万向节组成，分段式结构必须增加中间支承来巩固结构。传动轴在运行中受力情况复杂，容易受到外力挤压产生裂纹直至结构收到摧毁。传动轴构件若是受损失效后会造成严重的后果。因此本文重点在于寻找汽车传动轴如何增韧的方法。研究发现环氧树脂在机械、电子电器和交通运输等领域发挥着十分重要的作用，运用广泛。环氧树脂是一种性能优良的基体材料，然而，由于其具有高度交联的网状结构使其韧性差、脆性大，限制了其进一步推广应用，通过对环氧树脂的改性转化可降低脆性，增加任性，文章将对环氧树脂的改性方法进行探究，汽车传动轴结构进行分析，综合传动轴的运行需求结合环氧树脂改性增韧特点进行环氧树脂对汽车传动增韧效果的影响研究。

关键词：汽车传动轴;环氧树脂;增韧;改性

中图分类号：TQ323.5 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）12-0016-04

汽车传动轴在运行过程中，要面对启动，制动及运行中带来的强烈冲击力，因此，优良的强度和韧性对汽车传动轴是及其重要的。因此使用优化的传动轴材料，设计出合理高性能传动轴对于汽车生产是十分重要的。环氧基和固化剂之间进行相互反应形成的三维交联网状高聚物[1]就是环氧树脂，它是一种贮存稳定、电气性能、耐腐蚀性极好的基体材料。在很多电子机械领域使用度高。然而，原始的环氧树脂固化后形成的化学结构呈三维网状，此结构注定了它的产品表现出韧性，耐腐蚀性差的特性，在很多领域都受限，无法扩宽。基于上述原因，环氧树脂的增韧改性成了研究的重点。将改性后的环氧树脂运用到传动轴设计中将会带来不一样的新体验。

1 转动轴

1.1转动轴组成结构

传动轴总成装在变速器和后桥之间，将变速器传来的扭矩与旋转运动传递给后桥的主减速器。传动轴是由轴管、伸缩套和万向节组成，分段式须加中间支承。在万向传动装置中，一般会将传动轴制成实心轴，但是为了得到较高的强度和刚度，做成空心轴是一个不错的选择。转动轴系统如图1、图2所示。

1.2轴管设计要求

1）强度要求：现实生活中汽车的工作情况是十分复杂的，在工作中在承受汽车内部交变引起的负荷，又要承受运行中因起动、制动及道路环境所引起的冲击载荷，所以对强度和可塑性要求较高。

2）精度要求：在高速旋转运动状态下传递扭矩的传动轴，只有达到了一定精度的几何形状和质量，才能使传动轴的质量中心与回转中心无限接近，所以综上要求轴管质量一定均匀分布。从而可以减少由于离心力带来的系统震动，保证车辆运行稳定性。

3）工艺性要求：为保证传动轴总的质量，转动轴钢管制造过程必须保证压扁，扩口，静扭等工艺性能检测过关，保证轴管质量。

2 传动轴承受强度计算及轴管制造材料

2.1传动轴承受强度计算

1）临界转速：当传动轴工作时的转速达到一定数额，出现共振现象时，由于振幅急剧增加而引起传动轴折断时的转速。传动轴的临界转速nk（r/min）为2）轴管的扭转切应力应满足：

2.2轴管制造材料

1）壁厚为4.Omm～5.Omin的轴管选择082热轧带钢;

2）壁厚在2.smm以下的轴管最好选择冷轧带钢;

3）08Ti、10Ti、15Ti钢均属含钦的低合金钢。钢中加入Ti后，使品粒细化，提高了钢的屈服强度、拉伸强度和屈强比。

3 环氧树脂增韧方法及改性方法分析

3.1环氧树脂增韧方法

通过对汽车传动轴结构，材料，制造要求分析，汽车转动轴在承受的强度和韧度上要求比较高，综合实际情况，强度比较容易达到，韧性上面可运用改良材料，环氧树脂作为一种性能优良的基体材料，然而，由于其具有高度交联的网状结构使其韧性差、脆性大，限制了其进一步推广应用，通过改性可达到高度运用。

目前环氧树脂增韧的基本途径有以下几种：

1）运用热塑性塑料，刚性颗粒第二相或橡胶进行增韧改性;

2）用热塑性塑料连续贯穿于故热性树脂网络结构中形成互穿网络模式进行改性;

3）改变树脂自身交联式网络化学结构。

3.2环氧树脂改性方法简介

3.2.1热塑性树脂（TP）

为提高热塑性树脂的韧性，20世纪80年代国内外研究者开始采用TP对环氧树脂进行改性的研究。描述TP增韧环氧树脂的机理可以从颗粒撕裂吸收能量理论和孔剪切屈服等理论进行。由于TP具有极好的韧性、强度及耐热性等优点，在对环氧樹脂进行改性过程中，在能显著提高材料体系的韧性以及抗疲劳特性的同时，环氧树脂固化物的数量和耐热性会保持不变。由于材料体系中的连续相互反应是材料力学性能和热电学性能的主要影响因素，直接影响TP的增韧效果取决于TP是否可以在聚合反应诱导相分离的过程中发生反向转进而形成连续性结构。

3.2.2橡胶弹性体

采用橡胶弹性体对环氧树脂进行增韧的方法是研究的比较早的一个方向。人们对这种橡胶微粒分散在脆性连续性相体系的力学行为进行了系统的研究。图3是设想的几种机理示意图。

20世纪60年代末期，McGarry等[1]首次打破常规尝试添加端羧基丁腈橡胶对环氧树脂进行增韧改性，结果意想不到的好。橡胶弹性体在环氧树脂固化过程中会形成“海岛结构”，结构如下图4所示。此固化过程会使得环氧树脂的韧性大大增强，它的抗冲击力强度随之提高。然而，橡胶弹性体在增韧环氧树脂的同时，固化反应过程中环氧树脂分离不充分，同时，玻璃化转变温度和弹性模量急剧下降，下降的热稳定性是一个导致它无法推广其在高温场合的应用的重要因素。限制了它的使用。影响橡胶弹性体增韧效果好坏有2个方面：①橡胶弹性体在液态环氧树脂之中分布是否均匀，也就是说它与液态环氧树脂之间是否具有良好的相容;②它与环氧树脂液体橡胶相互反应的活性基团在固化过程中能否顺利进行，并且是否能保证能均匀分散到环氧树脂中去。

3.2.3互穿聚合物网络（IPNs）

两种以上在组成和结构上存在一定差异的共聚物或均聚物持续不间断进行物质间互相串联捆绑、交互交联而形成的一种特殊混合体系，我们把它叫做IPNs。其网络聚合物体系如图5所示。理论上的IPNs是可以显现出均聚物的动态力学性能，IPNs理想中是可以和环氧树脂共融的。在固化反应中，不能参加反应的IPNs被分离踢出成为新的分散相，这些被淘汰出来的IPNs是环氧树脂增韧的关键。在反应中银纹遇到IPNs的分散相颗粒，银纹的发展扩充过程就会发生突然的转向、分支等，与此同时在受到外来的破坏应力下，分散颗粒还可以阻止初始裂纹发展成为破坏性裂纹，起到保护作用;由于IPNs增韧的环氧树脂体系是一种用材料以完全物理贯穿的方式与另一种材料混合获得的，它是一种运用物理方式结合的，两者并不是通过化学反应形成化学键获得的，从而使得IPNs改性增韧的环氧树脂相比于普通共混聚合物增韧效果更佳好。IPNs增韧改性方法可以提高环氧树脂体系的韧性和抗冲击能力，还不会降低其热稳定性和拉伸强度，甚至还稍有提高。可以说是一种性价比较高的增韧方法。

3.2.4超支化聚合物（HBP）

HBP顾名思义，我们可以推测出超支化聚合物必定是由小分子反应形成的体积较大的聚合物[2]。HBP改善环氧树脂韧性的优点如下：①HBP的活性基团可以和环氧树脂基体进行固化反应，从而形成网状结构，此结构大大提高了固化效率;②HBP独特的粒子大小和球状结构恰如其分地保护防止有害粒子的形成侵入进而避免过滤效应的发生，可从内部进行增韧;③HBP的球状结构设计很棒，球状的结构可以和环氧树脂基体大面积融合，材料体系的收缩率大大降低。HBP合成与白组装研究如图6所示。此外，相比其他的形态的聚合物，在同样的相对分子质量下，HBP的溶解度是高出其他同类物质的，且它的化学反应活性以及更低的黏度。因此，由于HBP增韧方法是具有TP的高耐热性、橡胶的低黏度等优点，在增韧领域中，越来越多的人会选择它。简而言之，HBP增韧环氧树脂是一种十分具有研究价值的增韧方法，增韧空间比较大。

3.2.5核/壳结构聚合物（CSLP）

CSLP是经由两种或两种以上单体通过乳液聚合而形成的一种聚合物复合粒子。CSLP粒子结构中的壳和核功能各不相同[3]，这主要取决于它内外聚集的聚合物，呈现出的结构十分别致，多为双层或者多层结构。CSLP粒子增韧环氧树脂的主要机制是空穴化一塑性形变。CSLP粒子应力十分集中，很少有分散较大的情况，它在消耗剪切带和银纹的能量的同时，还能够阻碍银纹进一步恶化;另外一种通过CSLP粒子来提高材料粘接强度和韧性的方法是从环氧树脂界面脱离，环氧树脂将会产生弹性形变，从而产生弹性势，在过程中弹性势能将因此被消耗掉。采用CSLP对环氧树脂进行增韧的优点如下：①CSLP增韧的成效高于液体橡胶的增韧，具体表现在Tg持久性强，没有明显下滑，具有良好的热稳定性;②利用CSLP来增韧可以人为控制粒子的大小、形状，按照需求设计出适合的结构，它的可控性较好，包覆粒子可以均匀分散在环氧树脂基体中，提高增韧效果。

4 结语

中国作为世界上汽车第一大消费和生产大国，随着汽车工业的飞速增长，伴随而来很多问题，例如资源消耗，汽车使用安全性及汽车節能减排等问题。文章主要探究环氧树脂对汽车传动轴的增韧影响，环氧树脂的改性运用能大大提高汽车传动轴韧性，达到使用安全要求，减少材料使用。首先介绍了汽车传动轴的结构，生产使用达标要求及对材料达标要求，随后介绍环氧树脂的性能及多种增韧方法列举，可见环氧树脂的改性增韧相对成熟的，可扩宽环氧树脂的使用领域，相信在汽车的传动轴增韧运用上是，环氧树脂一定能发挥它独有的作用，为我国汽车制造添砖加瓦。

参考文献

[1]宋盛菊，杨法杰，褚庭亮，等.环氧树脂增韧方法及增韧剂的研究进展[J].中国印刷与包装研究，2013，5（5）：9-24.

[2]张博，王汝敏，江浩，等.超支化聚合物增韧改性环氧树脂的研究[J].工程塑料应用，2014，42（11）：6-10.

[3]汪源，王源升.不同结构聚合物核壳粒子对环氧树脂的增韧改性[J].高分子材料科学与工程，2012，28（2）：23-27.