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摘 要 本文主要介绍了重型卡车复合材料传动轴的研制，包括材料选择，铺层设计，工艺方法，部件连接，强度计算，台架实验等几个方面内容，根据传动轴零件本身的受力特点及疲劳要求，采用碳纤维复合材料，纤维缠绕技术固化成型，最终通过台架实验来证明复合材料构件作为主受力构件在汽车上应用的可行性及减重效果。
关键词 复合材料；有限元分析方法；缠绕成型；机械连接
中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）13-0042-02
1 概述
国内外技术发展情况：
在国外，最早生产碳纤维复合材料传动轴的公司是美国摩里逊公司（Morrison Molded fiber）。其生产的供通用汽车公司载重汽车使用。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9 kg。该传动轴采用工业级48 k丝束碳纤维，年产量为60万根传动轴，每根传动轴消耗碳纤维0.68 kg。福特公司1984年将玻璃纤维复合材料传动轴应用到汽车领域。考虑到碳纤维的使用成本，早期传动轴主要采用的是玻璃纤维增强树脂或者玻璃纤维和碳纤维混合使用，其中碳纤维作为结构加强层。GKN 公司在1988年开始着手于碳纤维复合材料汽车传动轴的研究，传动轴在Renault Espace Quadra上的使用开创了碳纤维复合材料汽车传动轴的先驱。1992年推出的Renault Safrane Quadra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Toyota Mark II 使用的碳纤维传动轴减重50%，性能上大大的改善了。Audi 80/90 Quattro 首次使用碳纤维传动轴是在1989年，并且使用汽车型号一直延续到了1998年的Audi A4/A8 Quattro，此种型号传动轴年产已达30000套。
2 结构设计方案制定
2.1 复合材料传动轴管体设计
2.1.1 管体初步尺寸定义
2.1.2 材料选择
复合材料一般包括碳纤维复合材料，玻璃纤维复合材料，短切纤维复合材料，长切纤维复合材料等，比较这几种材料，对于传动轴这种主受力构件，一般需要采用碳纤维复合材料，或碳纤维与玻璃纤维混杂的复合材料，考虑到成本问题，一般早期传动轴制品主要采用的是玻璃纤维增强树脂或者玻璃纤维和碳纤维混合使用，其中碳纤维作为结构加强层，但随着我国复合材料产业的发展，碳纤维的生产水平及产量逐渐提高，价格也逐渐降低，碳纤维的复合材料的成本已经渐渐可以接受，且由于本次设计的传动轴被用于重型卡车，所受载荷很大，与以往的传动轴还是有很大的区别，所以本次传动轴设计不会把管体分成几部分，分别采用不同的材料，再固化加压成型。而是只选用碳纤维一种材料，预压实后一次固化成型。这样不但提高了零件的生产效率，零件的性能也会有很大的提高，且避免了零件二次进罐造成局部缺陷。所以本次设计选用性价比较高的碳纤维T700-E230及BA9913增韧树脂。
2.1.3 工艺选择
2.2 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
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，从工艺角度出发，胶接连接方案不能够作为一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工艺连接方案，但由于传动轴是一个闭腔结构，与金属轴头连接一侧可用沉头钢螺栓连接，另一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，考虑采用一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。
方案一：
传动轴管体与接头一侧采用销子之间使用沉头长螺栓加螺母进行防脱。另一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：
传动轴管体与接头一侧采用的单面连接螺栓。另一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
方案一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。
破环点为金属接头与复材管体的连接处。
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一定角度，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。
方案二的共进行了6根传动轴的静扭及疲劳试验。
三根传动轴进行了静扭试验，其中一根达到了规定载荷后终止试验，终止原因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，满足客户提出的静力试验要求，静力试验通过。
另外三根传动轴进行了疲劳试验，每根都完成了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出现局部破坏或裂纹，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域使用的可行性。为未来汽车减重提供了一条新的途径。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，该方案也有一定的可行性。
参考文献
[1]陈绍杰.先进复合材料在汽车领域上的应用[M].高科技纤维与应用，2011.
[2]沈壁霞，等.复合材料板簧与传动轴的研制[M].1992.
[3]飞机设计手册第9分册[M].航空工业出版社，2001.
关键词 复合材料；有限元分析方法；缠绕成型；机械连接
中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）13-0042-02
1 概述
国内外技术发展情况：
在国外，最早生产碳纤维复合材料传动轴的公司是美国摩里逊公司（Morrison Molded fiber）。其生产的供通用汽车公司载重汽车使用。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9 kg。该传动轴采用工业级48 k丝束碳纤维，年产量为60万根传动轴，每根传动轴消耗碳纤维0.68 kg。福特公司1984年将玻璃纤维复合材料传动轴应用到汽车领域。考虑到碳纤维的使用成本，早期传动轴主要采用的是玻璃纤维增强树脂或者玻璃纤维和碳纤维混合使用，其中碳纤维作为结构加强层。GKN 公司在1988年开始着手于碳纤维复合材料汽车传动轴的研究，传动轴在Renault Espace Quadra上的使用开创了碳纤维复合材料汽车传动轴的先驱。1992年推出的Renault Safrane Quadra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Toyota Mark II 使用的碳纤维传动轴减重50%，性能上大大的改善了。Audi 80/90 Quattro 首次使用碳纤维传动轴是在1989年，并且使用汽车型号一直延续到了1998年的Audi A4/A8 Quattro，此种型号传动轴年产已达30000套。
2 结构设计方案制定
2.1 复合材料传动轴管体设计
2.1.1 管体初步尺寸定义
2.1.2 材料选择
复合材料一般包括碳纤维复合材料，玻璃纤维复合材料，短切纤维复合材料，长切纤维复合材料等，比较这几种材料，对于传动轴这种主受力构件，一般需要采用碳纤维复合材料，或碳纤维与玻璃纤维混杂的复合材料，考虑到成本问题，一般早期传动轴制品主要采用的是玻璃纤维增强树脂或者玻璃纤维和碳纤维混合使用，其中碳纤维作为结构加强层，但随着我国复合材料产业的发展，碳纤维的生产水平及产量逐渐提高，价格也逐渐降低，碳纤维的复合材料的成本已经渐渐可以接受，且由于本次设计的传动轴被用于重型卡车，所受载荷很大，与以往的传动轴还是有很大的区别，所以本次传动轴设计不会把管体分成几部分，分别采用不同的材料，再固化加压成型。而是只选用碳纤维一种材料，预压实后一次固化成型。这样不但提高了零件的生产效率，零件的性能也会有很大的提高，且避免了零件二次进罐造成局部缺陷。所以本次设计选用性价比较高的碳纤维T700-E230及BA9913增韧树脂。
2.1.3 工艺选择
2.2 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
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，从工艺角度出发，胶接连接方案不能够作为一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工艺连接方案，但由于传动轴是一个闭腔结构，与金属轴头连接一侧可用沉头钢螺栓连接，另一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，考虑采用一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。
方案一：
传动轴管体与接头一侧采用销子之间使用沉头长螺栓加螺母进行防脱。另一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：
传动轴管体与接头一侧采用的单面连接螺栓。另一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
方案一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。
破环点为金属接头与复材管体的连接处。
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一定角度，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。
方案二的共进行了6根传动轴的静扭及疲劳试验。
三根传动轴进行了静扭试验，其中一根达到了规定载荷后终止试验，终止原因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，满足客户提出的静力试验要求，静力试验通过。
另外三根传动轴进行了疲劳试验，每根都完成了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出现局部破坏或裂纹，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域使用的可行性。为未来汽车减重提供了一条新的途径。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，该方案也有一定的可行性。
参考文献
[1]陈绍杰.先进复合材料在汽车领域上的应用[M].高科技纤维与应用，2011.
[2]沈壁霞，等.复合材料板簧与传动轴的研制[M].1992.
[3]飞机设计手册第9分册[M].航空工业出版社，2001.