碳纖維復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能評(píng)價(jià).pdf

1、本論文主要是在汽車輕量化的背景下，針對(duì)量產(chǎn)車型，采用碳纖維復(fù)合材料研制其主要結(jié)構(gòu)件傳動(dòng)軸并對(duì)復(fù)合材料傳動(dòng)軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能評(píng)價(jià)。重點(diǎn)采用 DSC（差示掃描量熱法）、流變測(cè)試、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以及TG（熱失重分析儀）開(kāi)展了快速成型纏繞樹(shù)脂表征和選擇；利用經(jīng)典層合板理論開(kāi)展有限元分析，研究了不同纖維鋪層角度、直徑對(duì)碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的模態(tài)的影響，并與有限元相結(jié)合開(kāi)展了相關(guān)工藝研究，進(jìn)行復(fù)合材料傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；利用SEM（掃描電子顯微鏡）、靜

2、態(tài)扭轉(zhuǎn)、固有頻率測(cè)試、臨界轉(zhuǎn)速測(cè)試以及金相顯微鏡方法表征了碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的微觀及力學(xué)性能。
　　原材料性能評(píng)價(jià)。通過(guò)恒溫和升溫 DSC測(cè)試分析確定雙組份X4201A/B環(huán)氧樹(shù)脂和單組份BAC177環(huán)氧樹(shù)脂的固化工藝條件分別為50℃/200min+86℃/70min+127℃/40min和77℃/130min+103℃/50min+146℃/30min，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別為126℃和155℃；通過(guò)流變測(cè)試確定X4201A/B與

3、BAC177的加工溫度控制在40℃和60℃；通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂澆筑體力學(xué)性能測(cè)試得到X4201A/B與BAC177環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別為69MPa、2.98GPa、125MPa、15.84KJ/m2和71MPa、2.92GPa、120MPa、14.44 KJ/m2；通過(guò)TG測(cè)試得到X4201A/B與BAC177的分解溫度分別為255℃與350℃；通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試以 BAC177環(huán)氧樹(shù)脂為基體的碳纖維復(fù)合材料樣

4、條的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量以及層間剪切強(qiáng)度分別為123GPa、1.6GPa和55MPa；根據(jù)質(zhì)量法測(cè)試得到碳纖維復(fù)合材料NOL環(huán)纖維體積含量為56％；通過(guò)SEM觀察拉伸斷面，發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂與纖維的界面結(jié)合性能較好，滿足纏繞成型技術(shù)要求。BAC177的耐熱性與可操作性由于X4201A/B樹(shù)脂，因此選用BAC177。
　　傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用三維制圖軟件 CATIA建立鋼制汽車傳動(dòng)軸的三維數(shù)學(xué)模型以及復(fù)合材料傳動(dòng)軸用的內(nèi)徑分別為50mm、7

5、0mm和80mm的金屬凸緣叉結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入有限元軟件 ANSYS Workbench中建立傳動(dòng)軸有限元分析模型，對(duì)傳動(dòng)軸的模態(tài)進(jìn)行分析，得到鋼制傳動(dòng)軸的前六階模態(tài)頻率以及振型。以內(nèi)徑為80mm的復(fù)合材料傳動(dòng)軸為模型，設(shè)計(jì)五種鋪層方式，結(jié)果表明碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的固有頻率隨著碳纖維纏繞角度的增加而減?。粚?duì)三種不同內(nèi)徑的復(fù)合材料傳動(dòng)軸按照相同的鋪層方式鋪層，得到碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的固有頻率隨著內(nèi)徑的變大而增加，且內(nèi)徑為70mm和80mm的碳

6、纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的固有頻率大于鋼制傳動(dòng)軸，可以達(dá)到傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速性能要求。
　　傳動(dòng)軸成型及其性能評(píng)價(jià)。采用纖維纏繞成型工藝成型不同內(nèi)徑的碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸，并且對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)固有頻率測(cè)試得到50mm、70mm和80mm的碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的固有頻率分別為64.38Hz、76.25 Hz和80.00 Hz，其仿真頻率與實(shí)測(cè)頻率的比值分別為2.4、2.1和2.1，結(jié)果較為趨于穩(wěn)定，可以通過(guò)仿真計(jì)算初步指導(dǎo)復(fù)合材料傳動(dòng)

7、軸的工藝制定；通過(guò)臨界轉(zhuǎn)速測(cè)試得到內(nèi)徑為50mm、70mm和80mm的傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速分別為3500r/min、4300r/min好和4400r/min，臨界轉(zhuǎn)速測(cè)試與理論臨界轉(zhuǎn)速的比值分別為90.6、93.9和91.7，其結(jié)果大約為理論臨界轉(zhuǎn)速的90%，屬于正常的誤差范圍之內(nèi)；靜態(tài)扭轉(zhuǎn)測(cè)試得出50mm和80mm傳動(dòng)軸的扭矩分別為2525NM和6062NM；通過(guò)動(dòng)態(tài)平衡校準(zhǔn)將傳動(dòng)軸的左右動(dòng)不平衡量控制在260gmm，滿足性能要求；金相顯