傳動(dòng)軸發(fā)展.doc

1、傳動(dòng)軸發(fā)展一 背景汽車是最普通的代步、運(yùn)輸工具，許多國(guó)家均將汽車工業(yè)作為其重要的支柱產(chǎn)業(yè)。面對(duì)資源和環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，推進(jìn)汽車輕量化以降低油耗，一直是汽車工業(yè)發(fā)展的主題。復(fù)合材料因具有加工能耗低, 輕質(zhì)高強(qiáng), 可設(shè)計(jì)性強(qiáng), 耐銹蝕, 成型工藝性好等優(yōu)點(diǎn), 成為汽車工業(yè)以塑代鋼的理想材料。汽車用材料在經(jīng)歷了通用塑料、工程塑料時(shí)代之后, 20世紀(jì)九十年代進(jìn)人復(fù)合材料時(shí)期。通用汽車公司1953年生產(chǎn)的世界上第一輛復(fù)合材料汽車車身汽車chevrolet corvette，敲開了復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，自推出此款車型以來通用汽車公司目前已銷售130余萬輛，此款車型采用的是玻璃纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料。汽車復(fù)

2、合材料的應(yīng)用主要經(jīng)歷了兩個(gè)時(shí)期：在20世紀(jì)70年代開始，由于smc材料的成功開發(fā)和機(jī)械化模壓技術(shù)以及模內(nèi)涂層技術(shù)的應(yīng)用，促使玻璃鋼/復(fù)合材料在汽車應(yīng)用的年增長(zhǎng)速度達(dá)到25，形成汽車玻璃鋼制品發(fā)展的第一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期；到20年代90年代初，隨著環(huán)保和輕量化、節(jié)能等呼聲越來越高，以gmt（玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料）、lft（長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料）為代表的復(fù)合材料得到了迅猛發(fā)展，主要用于汽車結(jié)構(gòu)部件的制造，年增長(zhǎng)速度達(dá)到1015，掀起第二個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。作為新材料前沿的復(fù)合材料逐步替代汽車零部件中的金屬產(chǎn)品和其它傳統(tǒng)材料，并取得更加經(jīng)濟(jì)和安全的效果。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車用復(fù)合材料已占全球復(fù)合材料總量

3、的23%以上，并且成逐步上升的趨勢(shì)。美國(guó)、日本、歐洲的德國(guó)，意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家是車用復(fù)合材料的主要國(guó)家，全球汽車用增強(qiáng)塑料制品的市場(chǎng)規(guī)模為每年454萬噸 ，其中美國(guó)達(dá)到172 萬噸，歐洲達(dá)到136萬噸。目前，德國(guó)每輛汽車平均使用的纖維增強(qiáng)塑料制品近300kg，占汽車總消費(fèi)材料的22%左右，日本每輛汽車平均使用的纖維增強(qiáng)塑料制品達(dá)100kg，約占汽車材料消費(fèi)總量的7.5%。其汽車用復(fù)合材料部件制造的整體技術(shù)水平高，大量采用smc/bmc材料，采用流水線作業(yè)方式，機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，產(chǎn)品質(zhì)量好，經(jīng)濟(jì)效益高。涉及到轎車、客車、火車、拖拉機(jī)、摩托車以及運(yùn)動(dòng)車、農(nóng)用車等所有車種，個(gè)別車型的單車平均用量已

4、超過200kg。采用復(fù)合材料制造的汽車零部件種類繁多，主要包括以下幾類圖1.：纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于橋車、客車、卡車等的各種覆蓋件和結(jié)構(gòu)件上。主要包括以下應(yīng)用，車身及車身部件：車身殼體、地板、車門、前端板、阻流板等；懸掛部件：前后保險(xiǎn)杠、儀表板等；動(dòng)力部件：傳動(dòng)軸、導(dǎo)流罩、發(fā)動(dòng)機(jī)外殼等；車內(nèi)裝飾：門內(nèi)飾板、車門把手、儀表盤等。圖1. 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用圖2.復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料,具有高強(qiáng)度、高剛性, 有良好的耐蠕變和耐腐蝕性, 與其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比較更具有前途成為汽車輕量化材料。用碳纖維取代鋼材制造車身和底盤構(gòu)件, 可減輕質(zhì)量, 從而節(jié)約汽油消耗。碳

5、纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用, 美國(guó)開展的最好, 美國(guó)福特公司早已采用制造汽車傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、上下懸架臂等零部件，主要應(yīng)用在結(jié)構(gòu)件和受力件上。2003年，碳纖維的smc復(fù)合材料首先成功批量應(yīng)用于2003款的dodge viper車型和mercedes maybach車型的系列化生產(chǎn)中。二 汽車傳動(dòng)軸發(fā)展歷程汽車傳動(dòng)軸作為汽車的一個(gè)重要的運(yùn)動(dòng)部件，傳動(dòng)軸在不同軸心的兩軸間甚至在工作過程中相對(duì)位置不斷變化的兩軸間傳遞動(dòng)力，工作環(huán)境都比較惡劣。對(duì)傳動(dòng)軸材料性能有著較高的要求，傳統(tǒng)的汽車傳動(dòng)軸是金屬件。包括傳動(dòng)軸體（一根或者多根）、萬向節(jié)（兩個(gè)或者多個(gè)）、滑動(dòng)花鍵副、中間支承結(jié)構(gòu)。對(duì)于金屬傳動(dòng)軸而言，

6、當(dāng)兩個(gè)萬向節(jié)的中心距離不大于1.5m時(shí)，一般采用單根傳動(dòng)軸管。當(dāng)距離較遠(yuǎn)傳動(dòng)軸長(zhǎng)度超過1.5m時(shí)，通常就要采用兩根或者兩根以上傳動(dòng)軸管、由三個(gè)或者三個(gè)以上的萬向節(jié)連接而成，并且要增設(shè)中間結(jié)構(gòu)件。金屬傳動(dòng)軸在使用過程中要定期給其注入潤(rùn)滑油，以保養(yǎng)傳動(dòng)軸，而且注潤(rùn)滑油又臟又累，給駕駛?cè)藛T增加負(fù)擔(dān)還浪費(fèi)時(shí)間。并且金屬傳動(dòng)軸在使用過程中容易磨損，引起傳動(dòng)軸噪音和發(fā)動(dòng)機(jī)能量損失、縮短使用壽命。為了解決磨損、潤(rùn)滑等缺點(diǎn)，美國(guó)最先進(jìn)行了傳動(dòng)軸涂覆層的研發(fā)。1966年成功申請(qǐng)專利。此種工藝將尼龍11、尼龍12、尼龍1010粉末結(jié)合粘結(jié)劑涂覆在金屬傳動(dòng)軸的表面。此種方法對(duì)傳動(dòng)軸的性能及其應(yīng)用有一定的改進(jìn)，但在部

7、件簡(jiǎn)化及性能強(qiáng)度上的改善不大。纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料傳動(dòng)軸的問世及發(fā)展正在逐漸解決傳統(tǒng)金屬傳動(dòng)軸的缺點(diǎn)和完善其性能。國(guó)內(nèi)傳動(dòng)軸涂敷尼龍的研究已很成熟了，河南許昌傳動(dòng)軸總廠年產(chǎn)尼龍涂敷汽車傳動(dòng)軸總成90萬套，其中:輕型汽車傳動(dòng)軸28萬套,中型汽車傳動(dòng)軸34萬套，重型汽車傳動(dòng)軸28萬套。最早生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的公司是美國(guó)摩里遜公司（morrison molded fiber glass）生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸。其生產(chǎn)的傳動(dòng)軸供通用汽車公司載重汽車應(yīng)用。采用的碳纖維復(fù)合材料可以使原來的兩件合并為一件，與鋼材相比較質(zhì)量可以減輕60%，每個(gè)傳動(dòng)軸減輕9kg。該傳動(dòng)軸采用卓爾泰克公司（zoltke）

8、公司的工業(yè)級(jí)48k碳纖維，年生產(chǎn)量為60萬根傳動(dòng)軸，每根傳動(dòng)軸消耗碳纖維0.68kg。福特公司1984年將玻璃纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸應(yīng)用到汽車領(lǐng)域。此種材料的抗扭曲強(qiáng)度是傳統(tǒng)金屬材料的兩倍以上，扭矩力測(cè)試結(jié)果為17 793n遠(yuǎn)大于安全設(shè)計(jì)值10 000n，作為受力材料玻璃纖維還要遜色于碳纖維復(fù)合材料?？紤]到碳纖維使用的成本，早期傳動(dòng)軸主要采用的時(shí)玻璃纖維纖維增強(qiáng)樹脂或者是玻璃纖維和碳纖維混合的使用，其中碳纖維作為結(jié)構(gòu)層。gkn公司在1988年開始著手于碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的研究，傳動(dòng)軸在renault espace quadra 上的使用開導(dǎo)了碳纖維復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸的先驅(qū)。1992年推出的ren

9、ault safrane quadra的傳動(dòng)軸由原始的金屬三段式發(fā)展到了金屬和復(fù)合材料相連的兩節(jié)式，減重高達(dá)40%，此種傳動(dòng)軸銷量較小，僅年產(chǎn)500套。在toyota mark ii使用的碳纖維傳動(dòng)軸減重大50%，性能上大大改善了nvh。audi 80/90 quattro 首次使用碳纖維傳動(dòng)軸是在1989年，并且使用汽車汽車型號(hào)一直延續(xù)到了1998年的audi a4/a8 quattro，此種型號(hào)傳動(dòng)軸年產(chǎn)已達(dá)30 000套。此外碳纖維汽車傳動(dòng)軸在以下車型上均有使用：阿斯頓馬丁db9，阿斯頓馬丁v8 vantage coupe，阿斯頓馬丁v12 vantage，馬自達(dá)rx-8。即將上市的20

10、11款奔馳sls amg歐翼，碳纖維傳動(dòng)軸的使用也將成為此款車型的標(biāo)配。圖2.碳纖維傳動(dòng)軸使用進(jìn)展汽車傳動(dòng)軸的諸多性能參數(shù)但中，臨界轉(zhuǎn)速是其很重要的一個(gè)參數(shù)，當(dāng)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速與它的彎曲振動(dòng)的固有頻率相同時(shí)，傳動(dòng)軸就會(huì)發(fā)生共振使傳動(dòng)軸有折斷的危險(xiǎn)。常用的計(jì)算汽車傳動(dòng)軸臨界轉(zhuǎn)速的公式如下：nc = (c / l2) (e/ i/a)0.5上式中，nc為汽車傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速，c為常數(shù)，l為傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度，i為軸管連接部位力矩，a為萬向十字節(jié)的連接面積。對(duì)這些限制因素進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)軸長(zhǎng)度及連接萬向節(jié)確定的情況下，要提高傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速只能提高e/ 模量系數(shù)，對(duì)復(fù)合材料而言有高強(qiáng)，高模，彎曲模量可高

11、達(dá)100gpa。簡(jiǎn)化的臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式：上式中：l為傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度，eal、eco為鋁和碳纖維/環(huán)氧樹脂的彈性模量；qal，qco為鋁管和碳纖維鋪層的單位長(zhǎng)度質(zhì)量。與金屬材料相比較，碳纖維復(fù)合材料有著高彈性模量，并且有較小的單位長(zhǎng)度質(zhì)量。碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸具有優(yōu)異力學(xué)性能并且具有位移補(bǔ)償能力，單根軸體管就能達(dá)到使用上的要求。研究表明：軸體直徑一致的情況下，汽車傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速為8000 rev/min時(shí)傳統(tǒng)金屬傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度為1250mm，而碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料傳動(dòng)軸的長(zhǎng)度可以達(dá)到1650mm。碳纖維復(fù)合材料有望實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸的一體化。圖3.傳動(dòng)軸長(zhǎng)度與臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系碳纖維復(fù)合材料具有很高的比強(qiáng)

12、度、比模量，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的同時(shí)可以達(dá)到節(jié)能省油的目的。資料表明：碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸與傳統(tǒng)金屬傳動(dòng)軸相比較可以至少減輕40%的質(zhì)量如示意圖4，其中包括傳動(dòng)軸兩段的金屬鏈接部件。汽車普通部件質(zhì)量每減輕1%，可節(jié)油1%，類似傳動(dòng)軸等運(yùn)動(dòng)部件則可以節(jié)油2%。纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料傳動(dòng)軸已經(jīng)廣泛應(yīng)用到汽車領(lǐng)域，并且成功的改善了傳統(tǒng)金屬汽車傳動(dòng)軸的nvh（noise, vibration, and harshness）性能，為汽車駕駛者提供了安靜怡人的環(huán)境。圖4.金屬傳動(dòng)軸和cfrp傳動(dòng)軸對(duì)比示意圖 三 成型工藝?yán)w維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸成型技術(shù)已趨于成熟，常見的成型工藝有拉擠成型，纏繞成型，空心管

13、軋碾成型，壓模注塑成型等成型工藝。3.1纏繞成型圖5.纏繞工藝示意圖纏繞成型是生產(chǎn)復(fù)合材料傳動(dòng)軸最常用的成型工藝。纏繞成型可以精度的控制纖維的方向和軸體直徑，此成型工藝具有高度的自動(dòng)化生產(chǎn)能力。gkn公司所提供的復(fù)合材料傳動(dòng)軸均由纏繞工藝制備而成。纏繞成型過程中主要控制的參數(shù)有纏繞線型和纏繞角度對(duì)傳動(dòng)軸性能的影響，復(fù)合材料傳動(dòng)軸軸體與金屬連接部件連接的方式。針對(duì)具體的的纏繞成型工藝選舉典型的幾個(gè)實(shí)例予以說明。3.1.1纏繞線型對(duì)傳動(dòng)軸體的影響：早期的復(fù)合材料傳動(dòng)軸考慮增強(qiáng)纖維的加工成本，增強(qiáng)纖維主要采用玻璃纖維（彈性模量552-827gpa，e-glass、s-glass），基體采用雙酚a型環(huán)

14、氧樹脂：epi-rez508，epi-rez 510（celanese coatings），epon 828（shell），固化劑采用酸酐類固化劑（鄰苯二甲酸酸酐，）或者胺類固化劑（間本二胺，n,n-二甲基苯胺）。其中纖維體積含量為55-70%（60%）。傳動(dòng)軸長(zhǎng)度69.5 英寸（176.53cm，1 英寸=2.54 cm），內(nèi)徑：4英寸（10.16cm），由四個(gè)纏繞層組成如圖6所示，考慮纏繞角度及每層的厚度對(duì)傳動(dòng)軸的影響，us 4171626專利考察了輕微改變每纏繞層的厚度和纏繞角，采用了四種方案進(jìn)行纏繞，并對(duì)比了傳動(dòng)軸的基本性能指標(biāo)。圖5 軸體示意圖方案一：layer no.thickne

15、ss/ inch(cm)fiber reinforcementfiber angle10.02 (0.051)e-glass fiber4520.074 (0.188)e-glass fiber030.014 (0.036)carbon fiber（2206gpa）040.012 (0.030)e-glass fiber90方案二：layer no.thickness/ inch(cm)fiber reinforcementfiber angle10.020 (0.051)e-glass fiber4520.070 (0.178)e-glass fiber1030.017 (0.043)car

16、bon fiber（2206gpa）1040.012 (0.030)e-glass fiber80方案三：layer no.thickness/ inch(cm)fiber reinforcementfiber angle10.02 (0.051)e-glass fiber4520.082 (0.208)e-glass fiber030.008 (0.020)carbon fiber（3792gpa）040.010 (0.025)e-glass fiber90方案四：layer no.thickness/ inch(cm)fiber reinforcementfiber angle10.020

17、 (0.051)e-glass fiber4520.080 (0.203)e-glass fiber1030.010 (0.025)carbon fiber（3792gpa）1040.010 (0.025)e-glass fiber80四種方案?jìng)鲃?dòng)軸參數(shù)：序號(hào)總厚度（cm）總重量（kg）經(jīng)向模量(mpa)臨界轉(zhuǎn)速（rpm）方案一0.3053.35654900(81.68hz)方案二0.3023.31644880(81.35hz)方案三0.3053.39664895(81.59hz)方案四0.3053.38654889(81.49hz) 小角度纖維纏繞層主要為傳動(dòng)軸提供靜態(tài)彎曲強(qiáng)度，大角度纖維纏

18、繞層為了保障靜傳動(dòng)軸態(tài)扭曲強(qiáng)度。為了避免小角度纏繞時(shí)的纖維脫落、打滑在纏繞時(shí)采用輔助部件銷釘如示意圖中的31所示。由專利文獻(xiàn)小角度纏繞角一般在10-45之間，大角度纏繞角度一般為75-90。 3.1.2復(fù)合材料傳動(dòng)軸軸體與金屬連接部件的連接形式 齒紋式連接 連接工序分兩種情況，一種是現(xiàn)將碳纖維傳動(dòng)軸軸體成型加工好之后再將其與金屬連接部件粘和連接。另外一種則是在纏繞成型過程中將金屬連接部件固定在纏繞芯模上，在纏繞過程中即可完成粘和連接。不管是兩者中的任何一種連接方式，金屬連接部件的外表面都經(jīng)過齒紋狀處理以增加連接強(qiáng)度的作用。（us 2003/0157988 a1）專利傳動(dòng)軸軸體部位采用纏繞成型的

19、工藝，復(fù)合材料軸體連接部位和連接部件連接部位采用齒紋連接的方式。圖7傳動(dòng)軸示意圖圖8.傳動(dòng)軸連接部位連接示意圖如上圖所示13為傳動(dòng)軸金屬連接部件，14為金屬連接部件上的齒紋帶。齒紋帶齒紋的頂角角度為45-75（推薦使用60）。金屬連接部件齒紋帶14的外徑為70mm-75mm，齒紋頂尖厚度為0.05mm，相鄰齒紋頂尖寬度為0.9-1.8mm，齒紋高度為1.25mm，齒紋根部寬度為1.5mm,齒紋數(shù)量在145個(gè)左右。united states patent 5309620本專利中傳動(dòng)軸的連接示意圖如下圖所示，3為金屬連接部件，5為金屬連接部件與復(fù)合材料軸體的連接層，6為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料傳動(dòng)軸軸體。

20、fig1-3為金屬連接部件上連接部位齒紋示意圖。齒紋尺寸高為：0.15-1mm，齒紋頂角角度為90。圖9.傳動(dòng)軸連接部位的連接示意圖纏繞所用軸芯的外直徑為70.0mm，長(zhǎng)度為1500mm（on winding position芯模兩端各有50mm長(zhǎng)度被高強(qiáng)的薄膜（厚度35微米）包裹），增強(qiáng)纖維為碳纖維，樹脂基體為雙酚a型環(huán)氧樹脂，固化劑為胺類固化劑（tonox 60/40），采用此體系纏繞成型軸體部分，厚度為2.85mm，纏繞角度為16。增強(qiáng)纖維的體積分?jǐn)?shù)為602%。玻璃纖維復(fù)合材料作為加強(qiáng)層纏繞在連接層部位，厚度為3mm，纏繞角度為85。將芯模放置固化爐中固化，將芯模脫模，切割兩端多余部分，

21、最終得到長(zhǎng)度為1100mm，內(nèi)徑為70.1mm的傳動(dòng)軸。此專利中著重研究了連接部位薄膜的加入對(duì)連接強(qiáng)度的影響，并且討論了連接部位的長(zhǎng)度與連接強(qiáng)度的關(guān)系。如下表所示，專利中數(shù)據(jù)表明薄膜的加入增強(qiáng)了扭矩?cái)嗔褟?qiáng)度，并且隨著薄膜連接長(zhǎng)度的增加斷裂強(qiáng)度增加。當(dāng)長(zhǎng)度為45mm時(shí)，傳動(dòng)軸軸體比連接部位先斷裂，復(fù)合材料傳動(dòng)軸軸體與金屬連接部件的連接強(qiáng)度已非?？捎^。傳動(dòng)軸連接部位性能參數(shù)：example nofilm trade namethickness（um）joint length（mm）breaking torque（n.m）break portion1cf-t8-3535101800joint are

22、a2cf-t8-3535254100joint area3cf-t8-3535305100joint area4cf-t8-3535455500frp pipe portion銷釘式連接us4380443中采用的銷釘連接的方式，如圖9所示：1為傳動(dòng)軸示意圖，2為連接部位銷釘連接示意圖，3為連接部位橫切面示意圖。圖10.傳動(dòng)軸連接示意圖碳纖維傳動(dòng)軸在沖擊強(qiáng)度上有一定的不足、在傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中在最外表面加上增強(qiáng)層，一般為玻璃纖維復(fù)合材料?？稍诶p繞成型過程中完成，也可采用噴射工藝將短纖維復(fù)合材料噴射在軸體表面固化成型加強(qiáng)層。3.2 空心管軋碾真空袋成型（tube-rolling）圖11。 傳動(dòng)

23、軸成型工藝過程專利us2005159229a1采用真空袋成型工藝，如上圖所示：a 將4層碳纖維復(fù)合材料布和1層玻璃纖維復(fù)合材料布整理疊層卷繞在芯模上。b將芯模插入到鋁制空心管中。（復(fù)合材料布的長(zhǎng)度與略大于芯模與鋁制空心管的內(nèi)孔周長(zhǎng)一致）；c 旋轉(zhuǎn)芯模將復(fù)合材料布堆坨在鋁制空心管的內(nèi)表面；d 將鋁制空心管放置在真空袋中；e抽真空固化成型。此種工藝更有利于成型高爾夫球桿、釣魚桿等小直徑的管材。復(fù)合材料軸體固化成型后經(jīng)加工與金屬連接部件采用齒紋式相粘和連接如下圖所示：圖12。連接裝備示意圖國(guó)內(nèi)對(duì)復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸有一定的研究。許昌汽車傳動(dòng)軸總廠生產(chǎn)的尼龍涂敷汽車傳動(dòng)軸的生產(chǎn)工藝為：金屬零件經(jīng)過除油、除銹處理后采用馬日夫鹽、硝酸鹽對(duì)其進(jìn)行磷化處理，敷粘結(jié)劑后浸敷尼龍，流均勻冷卻定型，最后精加工可得成品。此工序過程在美國(guó)專利基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，改善了采用磨砂處理金屬零件不均勻的缺點(diǎn)，并且粘結(jié)劑的使用在結(jié)合