课程设计报告--复合材料汽车传动轴的产品生产设计.docx

课程设计报告复合材料汽车传动轴的产品生产设计复合材料汽车传动轴的产品生产设计1 .前言-3-1概述-3-1.2复合材料汽车传动轴-3-1.2.1 复合材料传动轴具有以下优点-3-1.2.2 汽车复合材料传动轴发展历程-4-1.2.3 国内外研究现状-5-2 .复合材料传动轴的设计-6-2.1 .尺寸设计-7-2.2 2性能要求-8-2.3 成型方法-8-2.4 法兰连接-9-3. 1增强材料-9-4. 2树脂体系-10-5. 3树脂体系固化制度的制定（DSC法）-11-4.芯模-12-4. 1性能要求-12-4. 2材料选择-13-6. 3尺寸、视图、加工要求-13-5.铺层设计-14-5. 1铺层角度-14-5. 2铺层厚度-15-7. 3铺层顺序-16-6 .成型-18-1. 1成型方法一一缠绕成型-18-6. 2设备选择-18-7. 3.工艺控制-20-7 .法兰连接-20-7. 1法兰连接方式-20-8. 2胶黏剂选择-21-8.性能测试-22-8. 1最大扭力测试-22-8. 2临界速度测试-23-8. 3固有频率测试-23-8. 4疲劳性能测试-24-9. 5动平衡测试-24-9.经济核算-25-9. 1原材料成本-25-9. 2设备成本-25-10. 3碳纤维汽车传动轴的生产成本-26-10 .展望-26-11 .参考文献-27-1.前言1.l概述汽车传动轴安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,是汽车传动系中传递动力的重要部件,主体部分为传动轴管,两端连接有法兰。随着汽车轻量化的发展趋势，在提高汽车性能的同时，如何减轻汽车的重量成为了人们研究的主要对象。轻量化包括了材料轻量化和结构轻量化，从材料方面去考虑，传统的汽车传动轴的材料通常是金属材料，虽然金属材料的韧性好、屈服强度高，但也具有局限性，例如质量重、资源不可再生、易受腐蚀等。因此，材料领域中的后起之秀一一复合材料，因具有加工能耗低、轻质高强,、可设计性强,、耐锈蚀、成型工艺性好等优点，成为了汽车轻量化制备传动轴的新宠儿。汽车用材料在经历了通用塑料、工程塑料时代之后，20世纪九十年代进入了复合材料时期。本文设计的复合材料汽车传动轴为碳纤维增强树脂复合材料汽车传动轴。2复合材料汽车传动轴1.2.1复合材料传动轴具有以下优点(1)明显地减轻了传动轴的重量。复合材料的重量相较于金属材料明显地减轻，最多可达约70乐其中还包括复合管端部相连的金属部件。(2)可设计性强。工程师可以根据产品的需要改变复合材料的基团和增强体以及其他组份参数，不仅保证了产品的性能，同时也能很好地估算出成本，因此在实际的生产中具有极大的意义。(3)临界速度高。汽车高速时,使用金属驱动轴会产生谐振动,从而限制了引擎的转速,而通过设计的复合材料传动轴轴可以消除驱动轴的转速限制。(4)抗阻尼性好。传动轴在施加扭矩后都会产生一定程度的扭曲，而复合材料传动轴的扭曲率只有金属材料的一半左右。低扭曲率可以降低动力传动系统振动、减少作用于动力传输系统其他部件的力，以及增加牵引。(5)破损安全性能好。碳纤维复合材料是各向异性的力学材料，因此可以通过合理的设计，使复合材料中的增强体成分承担大部分的载荷。如果少量增强纤维发生断裂，载荷可以分布到其它纤维上，保证零件不会短时间发生破坏，并且断裂的纤维在检修时容易被发现。此外,复合材料还有耐久性好,所需保护少,零部件可以整合,耐腐蚀性强,无损耗，不导电等优点。1.2.2汽车复合材料传动轴发展历程最早生产碳纤维复合材料的公司是美国摩里逊公(MorriSOnMoldedFiberGlass)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，每根传动轴消耗碳纤维0.68Kgo1984年，福特公司将玻璃纤维复合材料传动轴应用到汽车领域。玻璃纤维复合材料的抗扭曲强度是金属材料的两倍以上，扭矩力测试结果为17793N远超出了安全设计值10OOON,但作为受力材料玻璃纤维还要逊色于碳纤维复合材料。由于碳纤维成本高，出于成本考虑，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RenaUItEspaceQuadra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ToyotaMarkH使用的碳纤维传动轴减重大50%,性能上大大改善了NVILAudi80/90QUattro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AUdiA4A8Quattro,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RX8,2011款奔驰SLSAMG欧翼。1.2.3国内外研究现状M.A.Badie等人对复合材料传动轴的铺设角、扭转刚度、失效机制进行了研究。他们研究的材料为环氧树脂基碳/玻璃纤维复合材料。研究结果表明复合材料传动轴的固有频率随着纤维铺设角度的减小而增加；当纤维铺设角为45°时，传动轴具有较高的承载能力和扭转刚度。当铺设角度为45°时，传动轴经受突变失效；当铺设角度为90°或0°时，传动轴经受缓慢失效。SAMutasher和BBSahari等研究了纤维缠绕角度对复合材料传动。当纤维缠绕角度为45°时静态和动态的最大扭矩比其他缠绕角度要高；静态扭矩与动态扭矩之间的百分比大约是7%15%。HakSungKim和DaiGilLee'对复合材料传动轴与万向节的连接方式做了新的尝试，他们设计了一个钢圈，钢圈内侧带有很多小齿，这个钢圈一端连接传动轴，另一端连接万向节，从而增加可靠性和降低制造成本。Ratnam.Ch等研究了复合材料混合传动轴在满足扭转刚度和扭转强度的要求下优化一阶固有频率的方法。试验结果表明在传动轴的运转过程中，轴的横向稳定性问题没有被发现是导致传动轴发生横向摆动的原因。他应用有限元分析法比较四种常用的复合材料，并进行优化设计，使四种复合材料传动轴的一阶固有频率平均提高约28%,石墨环氧树脂基复合材料传动轴一阶固有频率提高最多，并且它的重量最轻。Jebakani.D和Robert.T.Paul研究了基于可靠性的复合材料混合传动轴的优化遗传算法。在设计中，材料和几何属性的不确定性造成的影响被量化成故障概率，而遗传算法可以确定关键的设计参数。对于各种设计的可靠性，则采用蒙特卡罗程序来确定最佳的堆叠顺序，以满足目标可靠性估计。AbuTalib,A.R和Ali,Aidy应用有限元分析来设计复合材料传动轴，将碳纤维和玻璃纤维用环氧树脂基体连接起来。传动轴包括一层碳纤维和三层以0°、45。、90°布置的玻璃纤维涂层。四层铺层结构和材料分别为第一层+45°玻璃纤维，第二层-45°玻璃纤维，第三层0°碳纤维，第四层90°玻璃纤维。结果表明，改变碳纤维缠绕角从0°到90°,轴的固有频率的损失为44.5%,同时，从最好到最坏的堆叠顺序移动，传动轴的屈曲强度损失46.07%o袁铁军和周来水等总结了复合材料传动轴的材料、纤维角度、铺层及接头连接等关键问题；他们还总结了纤维复合材料传动轴、纤维金属混杂复合材料传动轴的制造关键技术，最后对复合材料传动轴的设计和制造技术的研究方向进行了展望。如何连接复合材料传动轴曾是困扰复合材料轴应用的关键问题，通常万向节或法兰是金属零件，复合传动轴却有多个材料铺层，要让它们平稳的传递扭矩，以及拉压载荷并非易事，这是阻碍复合材料混合传动轴在汽车领域推广的主要原因之一。目前，常见的连接方法有胶连接、机械连接。YasunoriNonogaki等设计了齿纹式连接；HelmutFedermann等设计了销钉式连接；郑劲东等针对缠绕成型工艺的复合材料传动轴设计了螺栓连接；洪厚全等设计了可靠，但不能拆卸的钾钉型连接，钉型连接比网纹连接强度提高了40.1%o近几年国内外关于复合材料混合传动轴的研究发展迅速，国外对复合材料传动轴的优化和疲劳强度研究有了很大进展；国内对复合材料传动轴的制造工艺以及纯碳纤维轴的制造也有深入的研究。Palm写的机械振动一书则对传动轴的振动研究提供了理论依据。2.复合材料传动轴的设计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。本文设计的是最常见的碳纤维复合材料汽车传动轴。复合材料传动轴共分为三部分,包括复合材料传动轴管体，及两侧的金属轴头（如图1所示）。复合材料传动轴与金属材料传动轴在结构上有很大的不同（如图1所示）。图1复合材料传动轴基本构成STEEL：3JointsWeightcomparison图2金属传动轴与CFRP传动轴对比示意图2.1. 尺寸设计表一设计传动轴管轴参数名称长度内径外径尺寸1.5m70mm76.8mm图3设计的传动轴管轴CAD示意图图4汽车传动轴的金属法兰2.2性能要求扭矩：2800Nm;动平衡：传动轴剩余不平衡度小于20g；临界转速：大于3500rmin;扭转角度：小于2。疲劳性能：经30万次循环，不允许出现损坏现象。采用非对称轴循环的正弦扭矩最大扭矩IlOoNnb最小扭矩330N.2. 3成型方法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。本文选用的方法为缠绕成型。纤维缠绕成型的优点G能够按产品的受力状况设计缠绕规律,使纤维的强度能充分发挥；比强度高：一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体积、同承受压力的钢质容器相比，重量可减轻4060%;可靠性高:纤维缠绕制品易实现机械化和自动化生产，工艺条件确定后，缠出来的产品质量稳定，精确；生产效率高：采用机械化或自动化生产，需要操作工人少，缠绕速度快，故劳动生产率高；成本低：在同一产品上，可合理配选若干种材料（包括树脂、纤维和内衬），使其再复合，达到最佳的技术经济效果。缠绕成型的缺点缠绕成型适应性小，不能缠绕任意结构形式的制品,特别是表面有凹形结构的制品，因为缠绕时，纤维不能紧贴芯模表面而架空；缠绕成型需要有缠绕机，芯模，固化加热炉，脱模机及熟练的技术工人，需要的投资大、技术要求高，因此，只有大批量生产时才能降低成本，才能获得较佳的的技术经济效益。2 .4法兰连接汽车复合材料传动轴分为整体型和装配型两种结构。整体型传动轴将轴和万向节或法兰制造何为一体；装配型传动轴是通过轴和万向节的组装而成。一般装配型传动轴的使用相较于整体型广泛，因为它的制造装配简单，万向节仍可以用传统的金属材料制成。本文设计的法兰连接方式为胶接。胶连接不破坏纤维,避免应力集中;结构重量轻、连接效率高;可以用于连接薄壁、异形、复杂的零件;表面光滑、工艺简便、成本低。胶接工件耐腐烛性能好,永久变形小。3 .原材料选择3.1 增强材料G.Sanjay等人研究了玻璃纤维、高强度碳纤维及高模量碳纤维增强复合材料传动轴的力学承载性能，计算结果表明，与原金属传动轴相比，分别减重48.4%,86.9%,86.9%；高模量碳纤维增强复合材料传动轴固有频率最高，玻璃纤维增强复合材料传动轴固有频率最低。复合材料传动轴要求结构具有较大的刚度和强度,按照比强度、比刚度、延伸率、热稳定性、性价比等指标,故本次设计选用碳纤维作为复合材料的增强相，并且选择了T300和T700进行了些性能的比较。虽然到目前为止T300碳纤维已累计生产超过了15000t,约占世界碳纤维份额的30%,广泛应用于航空、航天工业，以及各种体育娱乐用品等,但从发展看T30叫各逐步被T700S所取代，T700S有较高的抗拉强度和较好的分散性,加工性能也较好,性价比也很高,和T300相比T700S的抗拉强度比T30()增加约40%而价格只增加不到10%,所以我们选川东丽公司的12K的T700S作为复合材料增强相。T700S的各项参数见表2。表二日本东丽T700S参数拉伸强度：4900Mpa拉伸模量：230Gpa伸长率：2.1%密度：1.80g/cm3直径：7m丝束：6K12K24K上浆剂：50C1.0%捻状：无捻市场报价：T300一级品是200元/KG二级品是150元/KGT700价格是400元/KG3. 2树脂体系树脂环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物，它以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征,环氧基团可以位于分子链的末端，中间或成环状结构，由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可与多种类型的固化剂发生交联反应而形成不溶,不熔的具有三向网状结构的高聚物。在用于制造纤维增强复合材料的热固性树脂中，环氧树脂仍占主体,这是因为环氧树脂具有良好的性能,具体表现为在化学结构方面,除了活性环氧基存在,还有极性轻基和酸键的存在,使其对各种物质具有很高的粘附力；在固化成型方面,1$1化收缩小,无副产物出现,因而固化收缩低；在力学性能方面,具有较强的强度、模量和延伸率,赋于复合材料优异性能；在工艺方面,各种树脂，固化剂,改性剂体系几乎可以适应各种应用对形式提出的要求,其范围可以从极低的粘度到高熔点固体,稳定性高,工艺性能好。基体决定复合材料的一些性能,如横向力学性质、剪切性能等。从工艺性、化学稳定性、使用温度以及价格等方面考虑,选用环氧树脂作为复合材料基体，因为环氧树脂与碳纤维之间粘结性能好，固化收缩低,制得的复合材料强度高。固化剂固化剂又名硬化剂、熟化剂或变定剂，是一类增进或控制固化反应的物质或混合物。树脂固化是经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应，使热固性树脂发生不可逆的变化过程，固化是通过添加固化（交联）剂来完成的。固化剂是必不可少的添加物，无论是作粘接剂、涂料、浇注料都需添加固化剂，否则环氧树脂不能固化。固化剂的品种对固化物的力学性能、耐热性、耐水性、耐腐蚀性等都有很大影响。本次设计选用深圳市吉田画工有限公司的T-31#AB环氧固化剂。每公斤20元。该树脂是一种改性胺类环氧树脂固化剂，与环氧树脂，增韧剂等配合固化后，具有毒性低，室温快速固化，粘接强度高、硬度高之特点，其绝缘、耐水、耐油、耐酸、耐碱、耐磨与耐化学改性良好，广泛用于机械、化工、船舶、建筑、粘接、防腐涂料、浇注等方面。建议用料配比：（E44为例）环氧树脂为A组份，T-31为B组份夏季A：B=100:20-35冬季A：B=100:25-35增韧剂增韧剂，是指能增加胶黏剂膜层柔韧性的物质。某些热固性树脂胶黏剂，如环氧树脂、酚醛树脂和不饱和聚酯树脂胶黏剂固化后伸长率低，脆性较大，当粘接部位承受外力时很容易产生裂纹，并迅速扩展，导致胶层开裂，不耐疲劳，不能作为结构粘接之用。因此，必须设法降低脆性，增大韧性，提高承载强度。凡能减低脆性，增加韧性，而又不影响胶黏剂其他主要性能的物质即为增韧剂。可分为橡胶类增韧剂和热塑性弹性体类增韧剂。增韧剂牌号:石家庄润百化工科技有限公司的聚乙二醇缩水甘油酸3.3树脂体系固化制度的制定（DSC法）环氧树脂在固化时不论是亲核试剂还是亲电子试剂作固化剂其交联反应都发生放热现象，因此采用热分析仪将试样与惰性参比物在加热升温条件进行比较，就可以得到两者之间的差别，从该差别中可以分析出试样树脂在加热条件下交联反应的进程和反应动力学信息，由此制定出该树脂配方热交联固化时加热升温的基本程序。这个加热升温程序常被称为树脂的热固化制度。不同固化制度下的树脂固化度不同。具体操作：先升温至90,并保持3小时，之后继续加温到140,保持三个小时后再升温至170,再保持2小时，之后升温到200C并保温4小时。表三环氧树脂体系树脂配方表名称E44P31#AB活性剂促进剂增韧剂用量10085200.50.5图5固化过程的DSC图4.芯模4.1性能要求芯模为成型中空制品的内模。一般情况下,缠绕制品固化后,芯模要从制品内脱出。在设计芯模时需要考虑以下几个方面：（1）要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型加工过程中施加于芯模的各种载荷，如自重、制品重，缠绕张固，化应力，二次加工时的切削力等；（2）能满足制品形状和尺寸精度要求，如形状尺寸，同心度、椭圆度、锥度（脱模），表面光洁度和平整度等；（3）保证产品固化后，能顺利从制品中脱出；（4）制造简单，造价便宜，取材方便。4. 2材料选择芯模的主要是钢材、木材、塑料、铝、石膏、水泥等。石膏芯模虽然价格低廉、工艺设备简单、易脱模，但它的强度低、耐热性差，在高温下强度下降明显且放出水分。故本文设计选用钢材做芯模，这对于大批量的模具生产，既能够反复使用，又能够保证尺寸的精度。由于钢材本身易生锈，故在其表面镀上一层铭，这样不仅可以防止生锈，又可以降低摩擦系数，增加模具的表面光洁度，减少加工受力，同时也提高了表面硬度，延长模具寿命。4.3尺寸、视图、加工要求尺寸：长度：1.5m直径：70mm锥度：l%o视图:图6缠绕成型芯模CAD示意图加工要求：一般情况下，当产品的内径在50Omm一下时，可以选用外径比复合材料管的内径略大的无缝钢管作为芯模的毛坯，经过热处理后，机加工制成合适的芯模。未经加工处理的芯模表面粗糙，因此需要对其表面进行表面处理，需要经过磨床来处理表面，提高表面光洁度，然后再在表面镀上格。芯模的长度要大于所制备管件的长度，芯模两端连接上金属法兰，连接方式为胶黏剂连接。5.铺层设计复合材料的铺层角以及铺层顺序,对传动轴的主要失效模式,即扭转破坏和扭转屈曲失效影响非常大。虽然从铺层取向按承载选取原则推断应该在铺层角都为±45°时获得最大的剪切强度,但研究结果表明：因为屈曲等因素，增加了非土45°层后能获得更好的极限强度。为此，将依据层合板设计原则,设计不同铺层,进行比较优化并选取性能最佳的铺层设计5.1铺层角度因为选用的是缠绕成型的成型工艺,所以铺层规则主要为反对称铺层；传动轴主要是受扭转剪切应力，从理论上来说,铺层取向按承载选取原则，铺层纤维方向按+45°、45°成对铺设,但是考虑到成型工艺中缠绕张力要求,开孔区铺层要求，及传动轴对轴向刚度、临界转速的要求，我们采用以±45°铺层为主，士15°(±25°)、90°铺层为辅的铺层方式,为提高轴向的刚度，为提高纤维强度的利用率，采用±15°。小角度铺层,采用90”铺层是因为在薄壁轴中,在许多情况下轴的失效模式不是材料破坏而是屈曲，所以需要提高轴的周向刚度。依据复合材料层合板的设计原则和碳纤维复合材料结构件的特点，故设计如下的铺层单元进行讨论：A：(90/+45/-45/+15/-15/90/+45/-45)；B：(90/+45/-45/+15/-15/90/+45/-45/+15/-15);C:90/+45/-45/+25/-25/90/+45/-45/+25/-25;D：(90/+45/-45/+15/-15/90/+45/-45/+15/-15/90/+45/-45/+15/-15/+45/-45/+15/-15/90)单.元层合板厚度：tA=1×f=8×0.165=.32mmtli=n2×t=10×0.165=1.65wwc=n3×/=10×0.165=1.65w/wt=ZX力=20x0.165=33mm铺层设计是基于A为基础,其他层与之相比较的目的。为了研究小角度铺层在层合板中的影响,在B中相对于A增加了±15。铺层；为了比较小角度大小在铺层中的贡献,在C中用±25°取代了±15°；而使用D铺层是为了研究藕合效应对层合板性能的影响，因为当层合板的层数足够大时,耦合系数B会趋于0,这样就可以看作准均匀层合板。5. 2铺层厚度碳纤维管中,主要承受扭矩的是角度为±45°的铺层,90。铺足的作用主要是抑制圆周方向裂纹扩展，同时调节泊松比,减小泊松比的影响。在此只选取±45°角度铺层,研究铺层厚度与扭转强度及扭转刚度的影响的关系。取n层±45°铺层进行碳纤维管模型分析,n取值从PlO变化,得到不同厚度碳纤维管承受的最大扭矩,如图7所示。由图可知,碳纤维管承受的扭矩与铺层厚度基本成线性关系，即扭矩随着铺层厚度的增加而增大。由分析知当铺层数n=3时,碳纤维管承受的最大扭矩为590Nm,将此扭矩分别施加在n取值310时的碳纤维管进行分析,得到铺层厚度与单位长度扭转角的关系如图8所示，由图可知,单位长度扭转角与铺层厚度为非线性关系,随着铺层数的增大,单位长度扭转角的变化先快后慢。当铺层厚度达到一定值以后,增加铺层厚度不能有效地降低单位长度扭转角。(EN)聚田2000铺层数图7铺层厚度与承扭性能的关(W、。)氏添用型卑之<铺层数图8铺层厚度与单位长度扭转角的关系5. 3铺层顺序假定一下四种铺层方案进行讨论：f-±45/90/±45/±45/±45/±45/±45/±45/90/±45g-±45/÷45/90/±45/±45/÷45/÷45/90/÷45/±45h-±45÷45/÷45/90/±45/+45/90/+45/±45/±45i-±45÷45÷45/±45/90/90/÷45/±45/±45/±45分别对四种铺层顺序进行分析，结果显示四种铺层方案的临界破坏扭矩分别为:1590Nn1,1516.81Nm,1564.89Nm,1538.83Nm0各种铺层顺序的承扭性能基本一致且都与1500Nm相差很小。为了确定最佳方案,对各种铺层角度的扭转刚度进行分析。四种铺层方案的扭转角度分别为：0.027675rad、0.027693rad、0.027677rad0.027674rad在本方案的设计中铺层顺序对碳纤维管的扭转刚度有一定的影响,不过影响很小。从扭转强度和扭转刚度的分析来看,本文所给出的铺层方案的承扭性能与铺层顺序的关系不大,这与45。所占的比例有关,说明铺层比例与铺层顺序之间也相互有影响。方案f的扭转强度最大,扭转角仅次于i方案,并且相差很小,角度最小，因此选择f方案作为本文的最终铺层顺序。一单位长度茸角缠绕角度(°)图9缠绕角度对单位长度转角的影响如图9所示，当缠绕角度增加时,抗扭截面模量先增加,在45°缠绕角附近达到了抗扭截面系数最大值,然后开始下降。所以,在接近45°单向缠绕的传动轴抗扭截面模量最大。由图9可知，当缠绕角度增加时,单位长度转角先减小,在45°缠绕角附近达到了单位长度转角最小值,然后开始增加。所以,在接近45°单向缠绕的单位长度转角最小。这是因为传动轴扭转时,在纯剪状态下,45。斜截面上产生的拉应力最大。所以,在CFRP传动轴设计时增加45。附近铺层有利于提高传动轴的扭转性能。铺层厚度：铺层数定为10,单层纤维厚度约为0.4mm,传动轴筒的厚度约为4mm左右。6. 成型6.1 成型方法一一缠绕成型缠绕成型分为湿法缠绕、干法缠绕和半干法缠绕。其中湿法缠绕应用最广，故本次设计选用湿法缠绕。湿法缠绕湿法缠绕是将纤维集束（纱式带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。湿法缠绕的优点为：成本比干法缠绕低40%；产品气密性好，因为缠绕张力使多余的树脂胶液将气泡挤出，并填满空隙；纤维排列平行度好；湿法缠绕时，纤维上的树脂胶液，可减少纤维磨损；生产效率高。湿法缠绕的缺点为：树脂浪费大，操作环境差；含胶量及成品质量不易控制；可供湿法缠绕的树脂品种较少。6 .2设备选择缠绕机连云港唯德复合材料设备有限公司的三维X轴卧式高精度缠绕机（如图10）图IO三维X轴卧式高精度缠绕机该缠绕机主要组成部分是：缠绕机卧式轨道、驱动床头、尾架、缠绕小车、胶槽、导丝嘴翻转或伸臂进给及纱架。主要参数及特点：1、制品直径：100mm-OlOOOmm2、制品长度:不大于1200Omm3、缠绕角：245°W89°（模具两端有挂针的情况下缠绕机可以满足20°8904、抽纱速度:100mmin5、主轴转速：75rpm06、小车速度：60mmino7、控制方式：三轴联动伺服+研华工控（台湾产品）+PMAC2LITEPCI（美国控制板）8、缠绕软件：（半）球体、锥体、圆柱体、（半）椭球体组合体任意组合9、胶槽：具有加热功能可以满足环氧树脂产品的缠绕10、纱架：用户可以根据不同的产品要求任选从以下三个种类中任选简易张力纱架机械张力纱架电子张力纱架11、设备总功率:20KW±5KW2、设备布放面积：宽8000mm,长1760Onim（制品长度为1200OnIm时）。固化炉上海联嵩自动化设备有限公司的固化炉川-600（如图11）该类设备适用于电子电器、家电厂家、汽车零部件、摩托车、食品医药烟草、邮政、机场、物流分拨配送中心等众多生产行业。价格：5万图11上海联嵩自动化设备有限公司JM-600固化炉脱模机苏州瑞来福机械设备有限公司的脱模机（脱模力为3721.15kg）价格：13万63.工艺控制为了保证产品的性能，防止在缠绕过程中因为缠绕速度过快对增强纤维造成损伤，故将缠绕机缠绕速度设置为80rmin0张力控制：张力过小，制品强度偏低，容器充压时变形大，疲劳性能差；张力过大纤维磨损大，使纤维强度损失制品强度下降。张力大小应适中、均匀。胶含量控制：25%左右，且均匀分布。胶液粘度：0.35-1.0Pa.So孔隙率控制：在芯模周围安装合适的加热装置可以有效地控制孔隙率。7 .法兰连接1 .1法兰连接方式复合材料连接方式主要分为三类:胶连接、机械连接（包括螺栓连接和抑接）与混合连接(包含胶连接机械连接)。从连接效率来看,复合材料结构应尽量采用共固化或二次胶接,少用机械连接，以免钻孔切断纤维。但胶接也有缺点，例如强度分散性大、剥离强度低。本文设计的连接方式为胶接的方式。7 .2胶黏剂选择胶粘剂需要具备的性能侬：(1)与被连接件的相容性好,即粘接强度要高,不致在胶接件界面发生破坏；(2)在尽量低的温度下固化；(3)与被连接件的热膨胀系数要接近；(4)湿度影响应尽可能小；(5)有较好的力学性能；(6)工艺性能好,使用方便；(7)胶接耐久性应高于结构所预期的寿命。胶黏剂的选择：胶粘剂的使用温度应与构件的使用温度相近,热膨胀系数也要接近,胶粘剂的固化温度要低，以改善工艺。本次设计选用北京航通胶粘剂有限公司的E5284热固化单组分环氧树脂胶，它适用于高性能复合材料的成型。由于采用了多官团能环氧树脂，所以固化后具有很高的耐热性，可在240下使用。用本产品其制造的复合材料具有极好的力学性能和极高的粘接强度。本产品可长期贮存(贮存期不小于半年)。本产品适用电子器件的粘接，也适用于湿法制造预浸料及复合材料的缠绕成型。表四E5284产品性能粘度（25°C）,CP80000颜色黑色或白色密度g/cm31.25固化条件：180°C120分储存期25°C12个月7. 3粘结面积计算胶层剪切强度：15MPa外载扭矩：2800Nm外载对胶接面产生的剪切力：2800Nm/(O.035m)=80000N胶接面积：80000N15MPa=5333mm2胶接长度：5333mm7(3.14×70mm)=24.26mm设计胶接长度：5X24.26mm=12.13cm8.性能测试8.1 最大扭力测试性能要求：扭转强度达到2800Nm测试设备：四川德祥科创仪器有限公司的电子式扭转试验机(如图11)图12电子式扭转试验机8. 2临界速度测试性能要求：转动临界转速大于3500rmin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=(CL2)(E/n1/A)05上式中，NC为汽车传动轴的临界转速，C为常数，1.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/n模量系数，对复合材料而言有高强，高模,弯曲模量可高达100Gpa0简化的临界转速的计算公式：+ Qco+ EcoIco9. 3固有频率测试对于复合材料传动轴固有频率的预测，研究人员给出了简化计算公式。S.S.Rao在忽略横向剪切变形影响条件下，基于Bemoulli-Euler梁理论，给出了传动轴固有频率计算公式：(p=l,2, ,n)(1)式中：L为轴长，EX为轴向模量，Ix为惯性矩，m为轴质量。J.W.Lim等则基于Timoshenko梁理论，给出了考虑横向剪切变形影响因素时传动轴固有频率计算公式：式中：KS为横向固有频率的剪切系数，r为传动轴内径。由式（1）及式（2）可以看到，增加轴向弹性模量、轴内径、选择轻质材料均可提高传动轴固有频率。8. 4疲劳性能测试扭转疲劳破坏是传动轴失效的主要原因之一。传动轴的失效大部分都属于疲劳破坏,疲劳破坏没有明显的变形,所以很难在破坏之前发现。传动轴的扭转疲劳极限是一个很重要的性能指标。预期实验结果为碳纤维复合材料传动轴满足传动轴的扭转疲劳要求,并且性能有较大提高。性能要求：经30万次循环，不允许出现损坏现象。采用非对称轴循环的正弦扭矩最大扭矩IloONnb最小扭矩330Nm.测试设备：四川德祥科创仪器有限公司DGP9000系列高频疲劳试验机9. 5动平衡测试性能要求：传动轴剩余不平衡度小于20g测试设备：图13上海申曼传动轴平衡机表五三摆架传动轴平衡机的参数工件质量范围kg10"100Kg工件最大长度260Onm（标配）根据用户需求加长摆架结构硬支撑摆架平衡转速r/min1600/3200/2400/4800变频调速最小剩余不平衡量5g.cm/kg不平衡量减少率与>95%电机功率2/2.4kw调速方式变频调速传动方式万向节（三摆架）联轴器端面至右支承座中心最大距离1500mm10. 济核算10.1 材料成本名称型号生产厂家价格碳纤维日本东丽碳纤维T700上海久扶碳纤维材料有限公司450/千克树脂环氯树脂E44（6101）西陇化工股份有限公司20万元/吨固化剂T-3I#AB环氧固化剂深圳市吉田画工有限公司8万元/吨增韧剂聚乙二醇缩水甘油酸石家庄润百化工科技有限公司1.4万元/吨促进剂DMCZ(CBS)石家庄润百化工科技有限公司1.5万元/吨脱模剂55-NC脱模剂深圳市智研通科技有限公司10万元/吨胶黏剂E5284热固化单组分环氧树脂胶北京航通胶粘剂有限公司13万元/吨9.2设备成本名称型号生产厂家价格缠绕机三维X轴卧式高精度缠绕机连云港唯德复合材料设备有限公司60万元张力控制仪TC9000-NA科帝电气有限公司8万元固化炉JM-600上海联嵩自动化设备有限公司5万元脱模机DN8OO苏州瑞来福机械设备有限公司13万元DSCDSC700上海热仪科学仪器有限公司10万元动平衡机三摆架传动轴平衡机上海申曼有限公司10万元扭力测试机电子扭力测试机四川德祥科创仪器有限公司10万元疲劳试验机DGP9OOO系列高频疲劳试验机四川德祥科创仪器有限公司12万元总计128万元9.3碳纤维汽车传动轴的生产成本单根管轴成本估算项目费用/元碳纤维360环氧树脂218.6法兰（2个）580其他（促进剂、脱模剂、胶黏剂等）200共计：1358.2元设备成本名称单价/万元数量/台总价/万元缠绕机606360张力控制仪8648固化炉5IO50脱模机13IO130共计：588万元设备使用10年，平均每年58.8万元厂房预计建成3500平方米，则每年租地费用为70万元。工人工资为每月3500元，雇佣6名工人，则每年工人工资为25.2万元。再加上电费水费等，假设每天的产量为100根，每年（300天）的总成本二1358.2X1OoX300+588000+700000+252000+200000=4248.6万元传动轴的出厂价格定为成本的1.3倍，约为1800元/根。10.展望随着中国汽车销量的逐年增加，汽车传动轴的需求已经突破1200万根，产值达到了55亿元,在汽车材料应用领域复合材料传动轴具有很大的潜在应用市场。目前国内传动轴市场被GKNDriveline等大型外资所控制。GKNDriveline凭借自身技术优势在中国轿车市场占有50%汽车传动轴市场份额，其年产量可达500万根。2008年10月又在上海投资新工厂，2009年在中国武汉在开设新的传动轴工厂，这将是GKN继上海、重庆、吉林之后，在中国开设的第五家传动轴工厂，全国布局还在继续。中国碳纤维传动轴的研究和生产迫切需要提高。碳纤维传动轴的大规模的产业化受碳纤维成本高的影响，美国对汽车工业用碳纤维作了研究分析,结论是碳纤维价格降至16.5美元以下时,碳纤维与钢材相比就有竞争性了。但其优良的性能及减轻车重的作用对制造商来说具有巨大的魅力。U.参考文献1皮云哈.汽车碳纤维复合材料混合传动轴设计D.武汉工程大学,2014.2吴海峰.碳纤维复合材料传动轴的制备D.东华大学,2007.3种海锋,何钦象,祖磊.基于ANSYS的纤维缠绕复合材料传动轴的优化J.玻璃钢/复合材料,2015,03:20-25.4姜云鹏.复合材料传动轴的研制J.硅谷,2013,13:42-43+14.5杨睿.碳纤维复合材料传动轴的动力学特性研究D.武汉理工大学,2013.李丽，顾力强.碳纤维复合材料传动轴临界转速分析J.汽车工程,2005,02:239-240.7王