复合材料传动轴的研制

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2013年第13期总第133期SIlL-C0N VALLEY面质量如网 2，3所示。

2.1.4 层设计传动轴的工艺方法由于是纤维缠绕成型 ，故铺层设计与以往的预浸料单向带铺层有-定的不同 ，定义纤维浸胶后 ，围绕芯模按铺层角度均匀缠绕-层 ，作为复合材料传动轴的-个铺层 ，单层厚度为0.15mm。

铺层比例-般由构件所受载荷决定 ，传动轴所受的载荷以面内剪力为主 ，纤维方向为0o，±45。，90。的铺层比例暂定为60%：30%：10%，但由于受到缠绕T艺方法的影响 ，缠绕机每次缠绕变换的角度不宜过大 ，否则会影响纤维缠绕质量 ，所以减少 ±45。的铺层比例 ，增加部分 ±25。及 ±75。铺层 ，以满足下艺上的要求。最终的铺层比例如下表 l所示。

表 1碳纤维管铺层比例铺层角度 铺层数 铺层比例 15 25%- 25 6 7.5%25 6 7 5%- - - 45 22 27 5% 铺层总数根据上述的铺层比例和T艺约束条件 ，在保证其他的-般铺层原则 (如 ：铺层对称 ，均衡等 )下 ，最终确定整个铺层顺序如表2。

表 2复合材料传动轴铺层表蓑磊 铺层 铺层 铺层 铺层 铺层 角度 代码 角度 代码 角度厂1 45 28 -45 55 -452 -45 29 45 56 453 0 3 -45 57 -454 0 31 25 58 452.2复合材料传动轴连接设计复材传动轴与金属万向接头连接方式包括胶接和机械连接两种方式。其中 ，胶接方式由于胶接过程无法施加压力 ，无法保证基本的胶接强度 ，经过试验 ，胶接连接强度无法满足使用载荷要求。最终连接方式定义为机械连接。

2.2 1胶结连接方案胶结连接方案为传动轴管体与金属接头间采用结构胶进行胶接。从理论上进行分析 ，胶接连接方案是可行的。下面为胶接连接方案强度的估算 ：胶接面积 ：A1T·d·L：Ⅱ×120 X 15056548mm胶层剪切强度 ：rb20 MPa胶结许用剪切力 ：P ：A·Th56548×201 130973 N外载 ：扭矩 M1.5 x 25000N·m；N.5×100000N外载时胶结面产生的剪力 ：PMM，r1.5×25000/(0.12/2)625000 NP N1.5×100000l50000 NP：(PM PN ) 642748 N南上述计算可以看出 ，P >P，即许用剪切力大于外力。

请注意 ，此处分析所采用的胶层剪切强度取值比较保守 ，而在这样保守的情况下 ，仍能够得到胶接连接强度满足使用要求的结论 ，因此 ，理论上如果胶层完好 ，胶接质量可控 ，那么胶接连接强度是完全可以满足使用要求的。

然而 ，由于实际结构的限制 ，传动轴管体与金属轴头的胶接在工艺实施上存在几乎无法克服的困难 ，具体表现为 ：无法施加胶接压力 ；无法控制胶层厚度 ；易于出现弱胶接 ，从工艺角度m发 ，胶接连接方案不能够作为-个稳定的设计方案而被选择。

2，2 2机械连接方案机械连接是目前较成熟的T艺连接方案 ，但南于传动轴是- 个闭腔结构 ，与金属轴头连接-侧可用沉头钢螺栓连接 ，另- 侧则需要航空上较常用的单面连接螺栓进行连接 ，该种螺栓价格较高 ，为了降低成本 ，考虑采用-般金属传动轴连接上较常用的沉头销来代替单面连接螺栓 ，所以本次机械连接的方案共有两种。

方案- ：传动轴管体与接头-侧采用销子之间使用沉头长螺栓加螺母进行防脱。另-侧采用埋头钢螺栓进行连接。复材管体与金属接头采用过盈配合 ，以提高疲劳强度。

方案二 ：传动轴管体与接头-侧采用的单面连接螺栓。另-侧采用埋头钢螺栓进行连接。复材管体与金属接头采用过盈配合 ，以提高疲劳强度 。

3试验结果复合材料传动轴最终共完成8根实验件，其中方案-为2根 ，方案二为 6根传动轴 ，在试验台完成了所有试验件的静扭试验及 l5万次疲劳试验如图4。

图4静扭台架试验方案-的两根传动轴均在静扭试验扭矩加载未到规定的载荷时发生破坏。

破坏的主要原因是沉头销与管体的连接面为竖直面 ，与沉头销所受的挤压力存在-定角度 ，引起沿径向方向的分力 ，最终将加长螺栓拉断导致试验失败。

根传动轴进行了静扭试验 ，其中-根达到了规定载荷屙终止试验 ，终止原L六J为金属轴头发生破坏被迫试验中止 ，3根传动轴管体均未发生任何破坏 ，满足客户提 的静力试验要求 ，静 力试验通过。

另外i根传动轴进行了疲劳试验 ，每根都完成 r 15万次的扭转疲劳测试 ，测试完成后接头及传动轴管体均未现局部破坏或裂纹 ，满足客户要求 ，疲劳试验通过。

4结论复合材料传动轴连接方案二最终通过了静力及疲劳台架试验测试 ，满足客户提出的所有技术要求 ，在保证与金属传动轴互换性的基础上 ，重量减轻效果明显 ，证明复合材料在汽车领j(下转第14页)l1T 高新技术产业发展 ECHNOLo6Y DEVELOPMENT研发与之相匹配的自动化技术进行制造 ，才能有效地提高企业的经济效益。针对我国机械自动化发展的现状 ，还处于相对比较落后的状态 ，因此 ，在研发过程中要实事求是 ，理论结合实际，深入到lT作中 ，不能只走形式 ，要把发展机械自动化技术的任务给落实 ，使机械自动化产品为国家创造出更多的经济价值。

4.3实现机械 自动化技术智能化实现机械自动化技术智能化是本世纪机械自动化发展的主要方向 ，机械自动化技术智能化是利用现有的先进科学技术赋予机器设备自动化智能和思维 ，使其成为和人类-样具有思维逻辑能力和主观判断力 ，模拟人类生产 ，降低人类的劳动强度 ，服务于人类社会。

4.4将机械 自动化生产绿色化1-业的快速发展给人类带来物质财富的同时 ，也给人类赖以生存的自然环境来了严重损害 ，使得非可再生资源大量减少 ，生态环境遭到不同程度的污染 ，因此为了保护我们赖以生存的自然环境 ，发展机械自动化产品绿色化 ，是当今我国科研人员对机械自动化技术研究的新方向。

(上接第43页)"域使用的可行性。为未来汽车减重提供了-条新的途径。本项目的研究对象为重型卡车 ，其传动轴的受载情况要比其他汽车严重很多 ，可以推论对于其他大型客车或货车来说 ，如果结构形式及载荷公况都相似 ，该方案也有-定的可行性。