汽車碳纖維復(fù)合材料混合傳動(dòng)軸設(shè)計(jì).pdf

1、碳纖維復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、各向異性等特點(diǎn)。在汽車行業(yè)，碳纖維材料常常被用來制造車身表面覆蓋件，用來取代傳統(tǒng)的金屬鈑金件；或者被用來制造形狀復(fù)雜的空氣動(dòng)力組件，改善汽車的動(dòng)力性、操控性等。隨著汽車輕量化的發(fā)展趨勢，如何在提高汽車性能的同時(shí)降低汽車重量，已經(jīng)成為各大汽車廠商最關(guān)心的問題。傳統(tǒng)后驅(qū)乘用車或四驅(qū)乘用車，其主傳動(dòng)軸材料通常是鋼鐵。由于鋼的材料屬性限制，較長鋼制傳動(dòng)軸的彎曲固有頻率一般小于150Hz，不能滿足車輛高速行駛時(shí)的

2、要求，所以必須采用兩段式傳動(dòng)軸，兩段軸之間用萬向節(jié)連接并用支架固定在車身上。這使得傳統(tǒng)的鋼制傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)復(fù)雜自重大，使用較長時(shí)間后，萬向節(jié)也會磨損，發(fā)出異響和振動(dòng)。為了解決這些問題，工程師們一直在嘗試各種方法。輕質(zhì)鋁合金材料和碳纖維復(fù)合材料的結(jié)合使用，可以制造符合使用要求的一段式輕質(zhì)汽車傳動(dòng)軸，為解決上述問題提供了一種新的途徑。
　　本文設(shè)計(jì)了一種碳纖維復(fù)合材料混合傳動(dòng)軸。軸的外層為鋁合金T6061-T6，主要用來承擔(dān)傳遞扭矩的功能

3、并且可以保護(hù)內(nèi)部的碳纖維材料；內(nèi)層為碳纖維材料URN300，主要用來提高混合軸的固有頻率；在鋁合金和碳纖維層之間使用玻璃纖維材料 GEP215，可以有效減小鋁軸和碳纖維層之間的殘余熱應(yīng)力，保護(hù)碳纖維鋪層不易損壞。
　　本文主要研究碳纖維復(fù)合材料混合傳動(dòng)軸的靜力學(xué)性能和固有頻率特性，設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸與萬向節(jié)的連接方式。在分析混合軸的靜力學(xué)性能時(shí)，首先根據(jù)性能要求確定軸的具體尺寸，然后利用ANSYS Workbench和ACP模塊分析混合傳

4、動(dòng)軸的最大切應(yīng)力、最大切應(yīng)變等參數(shù)，同時(shí)分析同尺寸純鋁軸的這些參數(shù)作為對比分析的參照物。利用彎扭組合實(shí)驗(yàn)臺和應(yīng)變儀做實(shí)驗(yàn)，測量純鋁軸的最大切應(yīng)變，對比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果，可以判定混合傳動(dòng)軸力學(xué)性能是否滿足要求。第二部分內(nèi)容是分析軸的固有頻率特性，用有限元仿真分析混合軸和同尺寸純鋁軸的固有頻率特性和前幾階模態(tài)的振型，得出兩種軸的固有頻率關(guān)系。第三部分內(nèi)容是設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸與萬向節(jié)的連接方式。為了避免在軸上打孔，降低裝配難度選擇齒紋式連接。在

5、設(shè)計(jì)時(shí)先根據(jù)理論和性能要求確定齒紋的尺寸和數(shù)量，再用仿真分析齒紋式連接的最大正應(yīng)力和最大切應(yīng)力，校核連接的強(qiáng)度。
　　研究結(jié)果表明：靜力學(xué)分析的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)基本一致，證實(shí)了外層鋁軸承擔(dān)了大部分扭矩的設(shè)想，復(fù)合材料混合軸的靜力學(xué)性能滿足使用要求?；旌陷S模態(tài)分析結(jié)果顯示：當(dāng)碳纖維鋪層的鋪設(shè)角度為0°時(shí)，相對于純鋁軸，混合軸的固有頻率提高了44％，達(dá)到328Hz；而鋪設(shè)多層碳纖維不能明顯提高軸的固有頻率。齒紋式連接分析結(jié)果表明：當(dāng)