碳纤维复合材料传动轴设计与制造技术研究

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1、碳纤维复合材料传动轴设计与制造技术研究肖文刚，何志华，董青海(北京玻钢院复合材料有限公司，北京102101)摘要:本文介绍了一种工业领域用高性能碳纤维复合材料传动轴的研制过程。采用ANSYS有限元分析软件对传动轴的临界转速、抗扭转性能、连接强度等进行结构分析与优化设计，采用纤维缠绕工艺和模压成型工艺制作碳纤维复合材料传动轴直筒和法兰，制造的产品通过相关性能试验考核，达到工作转速1500rpm，扭矩1200N·m的要求。关键词:碳纤维;复合材料;传动轴中图分类号:TB332文献标识码:A先进复合材料具有比强度高、比模量高、耐腐蚀性好、抗疲劳和减振性能

2、好等许多优点，已在工业领域获得了广泛的成功应用。采用碳纤维复合材料制造传动轴可减轻整体结构重量，降低使用维护费用，减少振动噪声，提高传动轴的临界转速。碳纤维增强复合材料传动轴已在航空、航天、船舶、汽车、工业等领域得到了成功应用。美国RAH-66“科曼奇”直升机，所用复合材料占整个直升机结构重量的51%，其传动系统使用了复合材料传动轴和主减速器箱。为减轻结构重量，美国海军用复合材料轴来替换Sacramento级补给舰的重20t，长10m、直径0.68m的钢轴，减重效果可达80%，制造成本降低达50%。挪威也在其Skjold和Rauma2000级快速巡

3、逻艇上装配复合材料推进轴。在汽车领域，美国摩里逊公司(MorrisonMoldedFiberGlass)在1985年就率先开展了碳纤维复合材料汽车传动轴的工作，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0.68kg。德国CENTA公司从1970年开展研究复合材料传动轴，自90年代开始制作碳纤维复合材料传动轴。该公司生产的船舶推进系统用碳纤

4、维传动轴产品最大长度达到20m，最大扭矩2200kN·m，转速3000rpm，功率23000kW。此外，美国TBWOOD’S公司、美国莱克斯诺等公司也一直致力于碳纤维复合材料传动轴的研究和应用工作。各种规格复合材料传动轴在工程机械、汽车、发电机组、冷却塔及船舶等领域发挥着作用。本文着重阐述了工业领域用某型号碳纤维复合材料传动轴的研究过程，介绍了复合材料传动轴临界转速、抗扭转强度设计，及碳纤维复合材料直筒、连接法兰等的成型工艺技术，并进行了相关性能试验考核。1碳纤维复合材料传动轴结构设计碳纤维复合材料传动轴的结构设计需根据使用条件和性能要求，通过调整

5、缠绕角度、铺层顺序、产品几何尺寸和材料选择等来满足强度、临界转速(固有频率)和抗扭转屈曲性能等的要求。1.1传动轴结构形式碳纤维复合材料传动轴由碳纤维直筒、复合材料法兰、膜片、轮毂、紧固件等部件组成。传动轴结构型式见图1。碳纤维直筒部分采用碳纤维/环氧复合材料经缠绕工艺成型;复合材料法兰采用玻璃纤维复合材料经模压成型工艺制作，两部分采用粘接加销钉的连接方式。该结构形式具有重量轻、强度高、可靠性高的特点。收稿日期:2012-10-10作者简介:肖文刚(1978-)，硕士，高级工程师，复合材料结构设计与成型工艺。232玻璃钢/复合材料增刊2012年

6、(2)通过有限元方法对存在一定失衡量的传动轴进行临界转速分析，进而指导成型工艺过程的参数控制。有限元分析过程包括模型建立(见图2和图3)，载荷及约束施加，过程分析和结果输出(见图4、图5和图6)等。图1传动轴结构型式某型号工业领域用传动轴主要技术指标:传动轴长度4000mm，工作转速1500r/min，临界转速3000r/min，工作扭矩1200N·m。工作温度范围－55℃～+90℃。1.2材料选择复合材料传动轴直筒段采用碳纤维/环氧树脂复合材料。两端法兰采

7、用玻璃纤维布/环氧树脂体系。直筒段复合材料层结构采用±45°、±7°和90°交替铺层结构，其中±45°层提高筒体承受扭转载荷的作用;±7°层提高轴向刚度作用;90°层满足环向刚度和强度要求。碳纤维复合材料采用T700碳纤维/环氧树脂体系，其力学性能见表1。表1碳纤维复合材料力学性能性能T700/环氧E11/GPaE22/GPaG12/GPav12σ0/MPaσ90/MPaρ/kg·m－3)Vf1358．44．50．324509016000．61.3临界转速分析临界转速是传动轴设计的关键参数之一。传动轴在长度一定时，复合材料的铺层角度、铺层方式、材料

8、弹性模量等对传动轴的强度和刚度影响较大，决定了传动轴的固有频率和临界转速。传动轴临界转速常用的设计计算方法有经验公式法、传