碳纤维机床传动轴的弯扭性能研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文1．1．2国内碳纤维轴的发展碳纤维复合材料的优越性能，使其越来越受人们的关注。碳纤维复合材料轴有效地降低了噪音和振动。国内的学者们对碳纤维传动轴的设计研究，是从对碳纤维圆管的研究开始的。早在1990年国内的学者就开始用实验法测量不同铺层参数下碳纤维圆管的抗扭应力．应变曲线，弯曲应力．应变曲线。钟天麟等运用理论计算与实验测量的方法，扭转实验和GBl456三点外伸弯曲实验测出不同铺层角度的圆管的扭转强度和弯曲强度，总结出0度，45度，90度对圆管弯扭性能的影响t41。0度铺层能提高轴类的承弯性能，而45度能提高轴类的抗扭性能。虽然此时，对于碳纤维轴类的研

2、究还处在十分初期的阶段，不过已经形成了较为成熟的碳纤维圆管类零件弯扭性能的研究方法，铺层各个参数对弯扭强度、刚度的影响，还没有体系的研究。到2l世纪初，随着碳纤维层合板研究的不断深入，以及碳纤维轴类在航天航空领域的广泛应用，学者们开始系统地研究碳纤维轴类零件的各项特性，并设计制造出一系列具有不同铺层参数的碳纤维轴，应用大量试验修正理论研究。赵娟等运用Ansys仿真分析得出各铺层参数对碳纤维传动轴抗扭性能的影响规律【5】。研究发现铺层角度对扭转性能的影响十分显著，单向纤维方向接近00、450及900时有利于零件承扭，同时在00和900间铺设450层能提高圆管的抗扭强度，且随着

3、圆管壁厚的增加而增大。纤维角在400-700之间扭转刚度显著增高，对称铺层比反对称铺层能提供更优的承扭性能。此研究为后人设计制造承扭的碳纤维轴类零件，提供了一套较为完整的准则。但比较不足的是，此研究主要运用有限元仿真分析，并没有使用实验，验证其理论研究的正确性。而李丽等弥补了这个不足，他们运用实验法，研究0度，45度，90度不同铺层角度的碳纤维圆管的扭转性能【6】。同时他们制造的合金钢碳纤维复合材料传动轴，圆满通过台架试验与装机。与此同时，国内学者对碳纤维圆管抗弯性能也做了一定的研究。学者们分别运用数值分析法，实验法等对不同铺层角度下碳纤维圆管的失效载荷和最大承受弯矩等进行

4、了分析。徐健等主要运用数值分析法计算出碳纤维圆管的强度和刚度矩阵，以及其在弯曲载荷下，00、450及900时，圆管能承受的最大弯曲力【J71。计算表明，00时圆管的弯曲强度最大，900时圆管的弯曲强度最小。易洪雷等运用实验法研究了武汉理工大学硕士学位论文0度和45度，管芯加塞和不加塞的复合材料圆管的弯曲强度【8j，发现0度的弯曲强度是45度的2到3倍，加塞的弯曲强度也明显好于不加塞的弯曲强度。冯鹏等研究了【0,90]。的CFRP增强铝合金组合杆件的受力性能与设计方法，对CFRP增强铝合金圆管构件的受力性能进行了系统的试验研究，得出其在实测中的抗拉应力应变曲线和弯曲载荷变形曲

5、线【9J。基于试验进行了理论分析，提出了组合管局部屈曲承载力计算公式和抗弯刚度的计算方法。目前国内碳纤维轴类零件在军用和民用方面，都已经得到一定的应用。应用较多的有风电领域，例如风机的传动轴；以及土木工程，制成碳纤维补强梁；还有些应用于医疗领域，制成碳纤维根管桩【10】；或者用于模型玩具中，例如先豪直升机模型的旋翼主轴。近年来在机床领域的应用也十分广泛，下图1．1所示为南京白港生产的碳纤维复合材料传动轴用于国内某高速铣床，其弯扭强度均与金属轴无异，而且长轴阻尼高、抗震强，有效提高了机床的传动精度。综上所述，我国对碳纤维轴类零件在不同铺层参数下抗弯、抗扭强度、刚度的变化趋势，

6、除了铺层顺序对弯曲性能的影响研究的不够充分外，其他方面从理论到实验，都进行了较为完善的研究，并得到了多项应用。图1．1南京白港碳纤维复合材料机床传动轴武汉理工大学硕士学位论文1．1．3国外碳纤维轴的发展早在20世纪70年代，国外就开始了对碳纤维复合材料轴类零件的研究。特别是在结构设计、成型工艺等方面做了不少工作。其中做得十分突出的GKNDriveline公司在1992年推出的RenaultSafraneQuadra的传动轴，开导了碳纤维汽车传动轴的先驱，此后世界各大汽车厂商开始使用质轻性能优的碳纤维传动轴，如图1．2所示为美国PST公司生产的碳纤维传动轴应用于丰田86轿车上

7、。图1．2丰田86的PST碳纤维传动轴70，80年代，学者们对碳纤维制品的研究主要还集中在层合板方面，此时对轴类的研究主要采用仿真的方式。主要运用Ansys、Abaqus等软件对轴类承扭、抗弯的性能进行仿真。Helmutfedermann等【11】应用层合板经典力学理论，推导出环氧树脂基碳／玻璃纤维复合材料传动轴的抗弯强度、刚度矩阵，用matlab计算得出其从0度到90度的变化曲线。同时运用ansys仿真预N[0，90】4和[45，．45]4铺层的碳纤维圆管、玻璃纤维圆管的失效载荷和扭转失效因子。结果发现纤维方向角