课程设计报告--复合材料汽车传动轴的产品生产设计.docx

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1、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.

2、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

3、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，

4、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。

5、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(MorriSOnM

6、oldedFiberGlass)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

7、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AU

8、diA4A8Quattro,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。

9、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

10、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。、9

11、0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

12、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

13、。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

14、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

15、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