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Shang Hai / 2022.10 摘要：通过材料的性能评价及产品CAE分析，采用缠绕法成型工艺完成碳纤维复合材料轴管的成型，铆粘连接技术实现轴管与金属万向节的可靠连接，开发的碳纤维复合材料传动轴将原有的两段串联合并为一段，取消了一对金属万向节，质量降低超过40%。台架试验结果显示，产品静扭强度、扭转疲劳寿命、临界转速等各项性能指标均满足国家汽车行业标准QC/T 29082—2019《汽车传动轴总成技术条件及台架试验方法》的要求。碳纤维（CF）是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）是以碳纤维为增强材料、以树脂为基体的复合材料。CFRP的应用可使汽车车身和底盘质量降低40%～60%，相当于钢结构质量的1/3～/1/6[1]。利用CFRP的高比强度和高比模量可有效增加传动轴的长度，减少多余的万向节，减轻质量、降低噪音、提高抗振性能。国外自20世纪70年代就开始了对碳纤维复合材料传动轴的研究，在碳纤维复合材料传动轴的结构设计、成型工艺以及连接等方面做了不少工作。国内的学者对复合材料传动轴的轴体结构设计、静力学特性，动力学特性等方面做了研究，并得到一系列的结论。如单向铺层方向接近0°、45°及90°，结构件的抗扭强度较高，且抗扭强度随着结构件壁厚的增加而增大；增加40～70°的铺层可以提高构件的扭转刚度；对称铺层比与非对称铺层更有利于零件承受扭矩；复合材料传动轴比钢、铝合金传动轴运动稳定性好，且主共振的振幅小等[2]。本文介绍了以管径为Φ89 mm的钢制传动轴为目标零件，开发相应碳纤维复合材料产品并对其可靠性和轻量化效果进行验证。 2.1 管体材料选型传动轴是传递发动机动力的关键零部件，为保证所需的性能和轻量化目标，选择12KT700炭纤维加环氧树脂为传动轴管材料。按照GB/T 1458—2008《纤维缠绕增强塑料环形试样力学性能试验方法》[3]，完成材料的基本性能测试。用湿法缠绕中的的圆筒切割方法制作NOL环，碳纤维经树脂浸润后用圆筒芯模在缠绕机上缠成圆筒，再经固化、外表面加工、脱模、切割即制得环形试样。拉伸试验样条采用内径为150 mm，厚度为1.5 mm，宽度为6 mm的环形试样。层间剪切试验样条从厚度为3 mm的相同NOL环上裁切，长度为18～21 mm。然后采用电子式万能试验机测试NOL环拉伸模量、拉伸强度及层间剪切强度。实验室温度为23℃±2℃，测试速率为1 mm/min，测试结果参见表1。表1 碳纤维-环氧树脂材料NOL环试样性能 
将测试数据与结构钢数据的比较可见，单向环氧基碳纤维复合材料比强度约为钢的5倍，比模量约为钢的3倍，只是材料的层间剪切强度明显低于材料的拉伸强度，各向异性显著。2.2 复合材料传动轴结构设计汽车传动轴是一种旋转运动部件，如果复合材料传动轴扭转刚度及模量不足，会导致轴体端部产生过大的变形，引起机械系统激烈振动，导致机械系统无法正常运行。因此，复合材料传动轴扭转性能的合理设计显得十分关键。随着计算机技术的发展和复合材料理论的逐步完善，目前已经有很多CAE软件支持对复合材料的性能分析和零件设计。例如ANSYS，ABAQUS、LS-DYNA等。先进的计算机辅助技术减少了劳动力，帮助工程师完成产品的设计、分析和制造准备[4]。CFRP具有各向异性、非均质和层间剪切力低的特点，其设计一般可采用经典复合材料层合板理论[5]。对于碳纤维复合材料传动轴，影响其扭转性能的因素主要有轴管外径、缠绕角度和缠绕厚度[6]。碳纤维复合材料具有质轻、高强度及高模量的特点，可有效提升传动轴的临界转速，因此开发的复合材料汽车传动轴拟将现有两段串联的金属传动轴（图1）合二为一，取消了金属传动轴两段之间的一对多余的万向节和中间轴支撑。参照金属传动轴技术条件，初步确定复合材料传动轴基本技术参数如下。a.传动轴总长度为1 950～2 070 mm，CFRP轴管长度为1520 mm；b.CFRP轴管外径≤120 mm，内径105 mm；c.耳孔直径为39 mm，额定扭矩为3 400 N·m，该扭矩下传动轴扭转角度≤10°，安全系数n＞2；d.工作转速为1 400～2 100 r/min，最高转速为3 440 r/min，临界转速≥3 750 r/min；e.传动轴水平放置时，万向节夹角为0°，其它需满足国家汽车行业标准QC/T 29082—2019汽车传动轴总成技术条件及台架试验方法[7]的规定。依据材料性能及传动轴基本技术参数，对复合材料汽车传动轴设计方案进行计算机仿真分析。该传动轴由金属连接件和碳纤维轴管部分组成，其中金属连接件由花键、凸缘叉、十字轴等组成，金属接头材料为40Cr钢，与管体连接区壁厚4.2 mm，机加制造并调质处理，调质后屈服强度σb≥900 MPa，数模如图2所示。CFRP轴管铺层设计，角度分别为0°、±45°、90°分别铺层，如图3所示，材料为T700炭纤维加环氧树脂基体。设置边界约束条件后，考虑扭矩作用，通过轴管直径、铺层数及角度的调整，利用有限元的方法来校核传动轴的强度，测算结果复合材料轴管的屈曲系数为6.7，6 800 N·m扭矩扭转变形云图如图4所示，复合材料管端部需要局部加强，其他部位安全系数均满足要求。由于合金中组元的饱和蒸汽压分析的前提是将组分金属以纯物质态考虑，因此具有一定局限性。对于实际的二元或多元合金而言，不同合金组分将对各金属组元的实际蒸汽压造成影响，进而影响真空蒸馏分离合金的实际分离效果。考虑到此因素，可利用分离系数β来判定合金中组元的分离可能性。分离系数计算见式(2)。自由模态下固有频率约为77 Hz（图5），预测临界转速可达4 600 r/min，满足设计要求。连接设计方式如图6所示，金属接头与CFRP管体采用机械加环氧树脂粘接连接形式。金属接头与管体通过缠绕紧间隙配合，管体两端均采用铆钉锚固，连接宽度约70 mm，铆钉直径3.5 mm，每一端设置3排。铆钉长度与管体两端缠绕过度铺层厚度适应，表面不要外漏。目前轴类零件比较典型的成型工艺是湿法缠绕工艺，如图7所示。湿法缠绕是将纤维集束浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。湿法缠绕的优点为成本低、产品致密，纤维排列平行度好、纤维上的树脂胶液，可减少纤维磨损、生产效率高；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。3.1 工艺过程成型设备包括缠绕机（CRJ-12型数控缠绕机）、纤维浸胶、导出、张力控制设备、烘干设备等。湿法缠绕工艺流程为树脂糊配制、纤维材料前处理、导开、浸润、牵引、调整张力、四轴自动化缠绕机技术参数输入及设备准备、芯轴及两端金属零件安装、定中、开机芯轴缓慢旋转、导丝头沿平行方向移动、缠绕完毕、抽芯（也可不抽）、零件送入烘箱固化。3.2 碳纤维复合材料传动轴试制件碳纤维复合材料传动轴试制零件基本数据与钢质传动轴对比，结果如表2所示。表2 CFRP传动轴试制件与钢制传动轴基本数据对比通过表2数据对比可知，采用碳纤维复合材料轴管可将2段长度约1 m的传动轴集成为1段长度为2 m的传动轴，由于取消了一对金属万向节，质量降低达到41.5%。不过为了满足所需的静扭强度和临界转速要求，轴管的直径增大了28%，当受空间条件制约时，其设计参数还应做进一步的优化。4.1 试验依据和项目依据QC/T 29082—2019[7]，确定CFRP传动轴试验项目、试验方法及技术指标。主要试验项目为临界转速、静扭转强度、扭转疲劳及固有频率；主要试验设备如下。4.2 试验结果与讨论a.通过台架测试，开发的碳纤复合材料传动轴产品，静扭强度、扭转疲劳寿命、临界转速等各项性能指标均满足国家汽车行业标准QC/T 29082—2019[7]的要求，说明采用的设计及工艺技术方案可行；c.静扭转强度、扭转疲劳寿命试验均终止于金属零件破坏，表明碳纤复合材料轴管本体和连接部分的强度和寿命优于传动轴两端金属零件。通过上述工作可知，两端配置钢制万向节的碳纤复合材料传动轴可达到质量降低40%以上的轻量化效果，分析如果两端采用铝合金万向节，则轻量化效果可进一步提升到60%左右，因此碳纤复合材料传动轴仍有着巨大的应用潜力。随着设计仿真、连接技术及制造技术等方面技术的进一步成熟，CFRP传动轴的的商品化应用来日可期。经测算研制的碳纤复合材料传动轴成本约为钢制金属传动轴的4倍（约为全铝合金传动轴的1.8倍）。总成本中，碳纤维占比为40%、树脂占比为18%、金属零件占比为4.2%、工艺及其它成本占比为38%，复合材料总成本占比接近60%，其次是工艺成本。碳纤维复合材料目前的市场价格比较高，成本是制约碳纤复合材料传动轴应用的主要因素之一。利用碳纤/玻纤不同混合比例铺层技术，预计可降低成本10%～30%左右，性能还有待进一步的试验验证，随着低成本碳纤复合材料的开发以及快速成型技术的不断完善，碳纤复合材料传动轴应用瓶颈将得以突破。缠绕法成型的碳纤复合材料轴管通过粘铆连接技术实现了轴管与金属万向节的可靠连接，开发的传动轴在大幅降低结构质量的同时，将原有的两件金属传动轴合二为一，实现零件集成，提高了抗振性能。由于取消了一对金属万向节，降低质量超过20 kg。产品的静扭强度、扭转疲劳寿命、临界转速等各项性能指标均达到或超过国家汽车行业标准QC/T 29082—2019[7]的要求。现阶段材料及工艺成本是制约碳纤复合材料传动轴广泛应用的主要因素之一。相关低成本材料工艺技术开发正成为研究热点。作者：张运东 杨丹 陶骏（东风商用车技术中心工艺研究所，十堰 442001） |
