CN104179788B - 一种内嵌法兰的热塑性复合材料传动轴 - Google Patents

Abstract

一种内嵌法兰的热塑性复合材料传动轴，它包括传动轴轴体和两端的法兰，法兰带螺栓孔，根据传动轴承受载荷大小设计加工完成，法兰采用预埋的方式作为传动轴的一部分与传动轴轴体成为一个整体，实现轴系扭转、拉、压载荷的可靠、平稳传递；当轴系传递载荷较小或安装精度要求不高时，无须预埋法兰，法兰与传动轴轴体采用相同材料一体注塑成型，得到法兰与传动轴轴体一体化的热塑性复合材料传动轴。该热塑性复合材料传动轴两端法兰与轴体之间连接可靠，制造成本低和加工效率高，能推动复合材料传动轴更广泛的应用。

Description

一种内嵌法兰的热塑性复合材料传动轴

技术领域

本发明提供一种内嵌法兰的热塑性复合材料传动轴，它具体涉及一种法兰预埋在传动轴内，作为传动轴的一部分与传动轴轴体成一整体的热塑性复合材料传动轴结构，属于机械动力传输装置技术领域。

技术背景

传动轴作为动力传输装置，广泛应用于汽车、工程机械、风力发电和船舶推动等技术领域。热固性碳纤维复合材料传动轴，如采用编织、缠绕和模压工艺制造的，相比金属传动轴具有质量轻、耐腐蚀、振动衰减大和不导磁等优点，得到一定范围的应用。热固性碳纤维复合材料传动轴与两端金属法兰的连接主要有机械连接、胶接和混合连接三种类型，连接结构的不可靠是传动轴失效的一大原因。由于连接方式的复杂性、制造成本较高以及生产效率较低等因素，使得热固性碳纤维复合材料传动轴目前还没有广泛应用。热塑性复合材料，如长玻纤增强复合材料和碳纤维增强复合材料，力学性能较热固性复合材料低，但其结构可设计性好，通过加强筋、结构镂空等强化设计手段一定程度能克服其弹性模量较低、结构刚度不足等缺点，且其具有成本较低、成型加工性能优良、生产节拍快和绿色环保等优点，采用热塑性复合材料制造承载件具有广阔的应用前景。

签于此，本发明设计一种两端法兰预埋在传动轴内，作为传动轴的一部分与传动轴轴体成一整体的热塑性复合材料传动轴，一次注塑成型，无须二次加工，能实现轴系扭转、拉、压载荷的可靠、平稳传递，具有法兰与传动轴轴体之间连接可靠，质量轻，振动衰减大，制造成本低，和适合大批量生产等优点。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种两端法兰预埋在传动轴内，作为传动轴的一部分与传动轴轴体成一整体的内嵌法兰的热塑性复合材料传动轴，它能实现轴系扭转、拉、压载荷的可靠、平稳传递。该热塑性复合材料传动轴两端法兰与轴体之间连接可靠，制造成本低和加工效率高，能推动复合材料传动轴更广泛的应用。

2、技术方案：

本发明一种内嵌法兰的热塑性复合材料传动轴，包括传动轴轴体和两端的法兰。法兰带螺栓孔，根据传动轴承受载荷大小设计加工完成，法兰采用预埋的方式作为传动轴的一部分与传动轴轴体成为一个整体，实现轴系扭转、拉、压载荷的可靠、平稳传递。当轴系传递载荷较小或安装精度要求不高时，无须预埋法兰，法兰与传动轴轴体采用相同材料一体注塑成型，得到法兰与传动轴轴体一体化的热塑性复合材料传动轴。

其中，所述热塑性复合材料传动轴，是长玻纤增强复合材料和碳纤维增强复合材料中的一种，所述法兰材料是铝合金、镁铝合金、钢、铜合金、长玻纤增强复合材料和碳纤维增强复合材料中的一种。

其中，根据法兰相对于传动轴轴体的相对位置，可分为三种类型：①法兰完全内嵌在复合材料传动轴内，如图1，复合材料传动轴轴体11包裹住法兰12，得到结构强化的法兰。为实现扭矩的可靠传递，如图2(a)、图2(b)和图2(c)，可在法兰的圆周方向上设计豁口23，注塑后豁口内填充有复合材料。该类型热塑性复合材料传动轴适合对法兰安装平面的精度要求不高的传动轴。②法兰的一部分内嵌在复合材料传动轴内，如图3，安装面是法兰32的端面，容易控制安装面的精度。为实现扭转、拉、压载荷的可靠平稳传递，如图4(a)、图4(b)和图4(c)，将法兰设计成“夹层结构”，包含夹层结构外夹板41和夹层结构内夹板42，注塑后两层夹板之间填充有复合材料，为保证复合材料结构上的连续性，法兰上设计有开槽43。该类型热塑性复合材料传动轴适用于传递载荷较大，安装面精度要求高的的传动轴。③无须预埋法兰，法兰和传动轴轴体采用相同材料，二者一体注塑成型。该类型热塑性复合材料传动轴适用于小载荷、安装面精度不高、螺栓孔处受力不严重的传动轴。

其中，法兰可设计带短轴的结构，如图2(a)、图2(b)和图2(c)，法兰短轴24伸入传动轴轴体内，如图1，改善了传动轴根部受力恶劣的情况。对第二种类型传动轴采用了类似的设计，如图3、图4(a)、图4(b)和图4(c)。

3、优点及功效：本发明的优点在于：

1)法兰采用预埋方式作为传动轴的一部分与传动轴轴体成一整体，对法兰结构有针对性的设计保证其能可靠传递扭矩、拉、压载荷，从根本上解决了热固性复合材料传动轴与两端法兰之间复杂的连接问题；

2)内嵌法兰的热塑性复合材料传动轴，成本较低，工艺简单，一次注塑成型，无须二次加工，适合大批量生产与广泛的应用；

3)针对传动轴的实际使用情况，可方便选择本发明所述的三种类型的热塑性复合材料传动轴，保证满足使用要求的前提下降低成本最大经济化，实现热塑性复合材料传动轴更广泛的应用；

4)内嵌法兰的热塑性复合材料传动轴可在法兰上设计短轴，短轴深入轴体内部，改善传动轴根部受力恶劣的情况。

附图说明

图1说明了法兰完全内嵌在复合材料传动轴内，作为传动轴的一部分与轴体成一整体的结构示意图。

图2(a)、图2(b)和图2(c)分别为图1中法兰的正视图、俯视图和轴视图，控制参数t₁、t₂、d和θ能改变传递扭转、拉和压载荷的大小，控制参数L能改变传动轴根部应力集中的大小。

图3说明了法兰部分内嵌在复合材料传动轴内，作为传动轴的一部分与轴体成一整体的结构示意图。

图4(a)、图4(b)和图4(c)分别为图3中法兰的正视图、俯视图和轴视图，法兰为夹层结构，控制参数t₁、t₂、t₃、t₄、d和θ能改变传动轴传递扭转、拉和压载荷的大小，控制参数L能改变传动轴根部应力集中的大小。

图5说明了无须预埋法兰，法兰与传动轴轴体采用相同材料，二者一体注塑成型为一个整体的结构示意图。

图中序号、符号和代号说明如下：

图1中11为传动轴轴体，12为法兰。

图2中21为法兰圆盘，22为螺栓孔凸台，23为豁口，24为法兰短轴；t₁为法兰圆盘的厚度，t₂为法兰短轴的壁厚，L为法兰短轴的长度，θ为豁口的角度，d为豁口到短轴外圆的距离。

图3中31为传动轴轴体，32为法兰。

图4中41为夹层结构外夹板，42为夹层结构内夹板，43为螺栓孔凸台，44为开槽，45为法兰短轴；t₁为夹层结构的厚度，t₂为夹层结构内夹板的厚度，t₃为夹层结构外夹板的厚度，t₄为法兰短轴的壁厚，L为法兰短轴的长度，θ为开槽的角度，d为开槽到短轴外圆的距离。

图5中51为轴体和法兰一体化的传动轴。

具体实施方式

在以下的描述中，将根据示例性实施例详细地描述本发明。

本发明一种内嵌法兰的热塑性复合材料传动轴，包括传动轴轴体和两端的法兰。法兰根据传动轴承受载荷大小设计加工完成，采用预埋的方式作为传动轴的一部分与传动轴轴体成为一个整体，一次注塑成型，无须二次加工，能实现轴系扭转、拉、压载荷的可靠、平稳传递。见图5，当轴系传递载荷较小或安装精度要求不高时，无须预埋法兰，法兰与传动轴轴体采用相同材料一体注塑成型，得到法兰与传动轴轴体一体化的热塑性复合材料传动轴51。

本发明一种内嵌法兰的热塑性复合材料传动轴，所述热塑性复合材料可以是长玻纤增强复合材料和碳纤维增强复合材料中的一种，本示例选择碳纤维增强复合材料；所述法兰材料可以是铝合金、镁铝合金、钢、铜合金、长玻纤增强复合材料和碳纤维增强复合材料中的一种，本示例选择铝合金材料；法兰带螺栓孔，孔的数目可以是2～18，本示例法兰孔的数目为4。

本发明一种内嵌法兰的热塑性复合材料传动轴，根据法兰相对于传动轴轴体的相对位置，可分为三种类型：①法兰完全内嵌在复合材料传动轴内，如图1，复合材料轴体11包裹住法兰12，得到结构强化的法兰。为实现扭矩的可靠传递，如图2(a)、图2(b)和图2(c)，在法兰设计有圆周方向均布的4个豁口23，注塑后豁口23内填充有复合材料。法兰的结构强度主要有参数t₁、t₂、d和θ等控制，可根据轴系传递载荷大小合理设计这些参数。该类型热塑性复合材料传动轴适合对法兰安装平面的精度要求不高的传动轴。②法兰的一部分内嵌在复合材料传动轴内，如图3，安装面是法兰32的端面，容易控制安装面的精度。为实现扭转、拉、压载荷的可靠平稳传递，如图4(a)、图4(b)和图4(c)，将法兰设计成“夹层结构”，包含夹层结构外夹板41和夹层结构内夹板42，注塑后两层夹板之间填充有复合材料，为保证复合材料结构上的连续性，法兰上设计有4个开槽43。法兰的结构强度主要有参数t₁、t₂、t₃、t₄、d和θ等控制，可根轴系传递载荷大小合理设计这些参数。该类型热塑性复合材料传动轴适用于传递载荷较大，安装面精度要求高的的传动轴。③无须预埋法兰，法兰和传动轴轴体采用相同材料，二者一体注塑成型。该类型热塑性复合材料传动轴适用于小载荷、安装面精度不高、螺栓孔处受力不严重的传动轴。

本发明一种内嵌法兰的热塑性复合材料传动轴，法兰可设计带短轴的，长度为L，如图2(a)、图(b)和图2(c)，伸入传动轴轴体内，如图1，能改善传动轴根部受力恶劣的情况。

虽然参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明并不限于所述示例性实施例或结构。相反，本发明旨在包含不同的修改和等效的配置。另外，虽然示例性实施例的各种元件以示例性的不同组合与配置来显示，但是包括更多、更少或单一元件的其它组合和配置同样是在本发明的精神和范围内的。

Claims (1)

1.一种内嵌法兰的热塑性复合材料传动轴，其特征在于：它包括传动轴轴体和两端的法兰，法兰带螺栓孔，根据传动轴承受载荷大小设计加工完成，法兰采用预埋的方式作为传动轴的一部分与传动轴轴体成为一个整体，实现轴系扭转、拉、压载荷的可靠、平稳传递；当轴系传递载荷较小或安装精度要求不高时，无须预埋法兰，法兰与传动轴轴体采用相同材料一体注塑成型，得到法兰与传动轴轴体一体化的热塑性复合材料传动轴；

其中，所述热塑性复合材料传动轴，是长玻纤增强复合材料和碳纤维增强复合材料中的一种；所述法兰材料是铝合金、镁铝合金、钢、铜合金、长玻纤增强复合材料和碳纤维增强复合材料中的一种；

其中，根据法兰相对于传动轴轴体的相对位置，分为三种类型的热塑性复合材料传动轴：

第一种热塑性复合材料传动轴法兰完全内嵌在复合材料传动轴内，复合材料传动轴轴体(11)包裹住法兰(12)，得到结构强化的法兰；为实现扭矩的可靠传递，在法兰的圆周方向上设计豁口(23)，注塑后豁口内填充有复合材料，第一种热塑性复合材料传动轴适合对法兰安装平面的精度要求不高的传动轴；

第二种热塑性复合材料传动轴法兰的一部分内嵌在复合材料传动轴内，安装面是法兰(32)的端面，容易控制安装面的精度，为实现扭转、拉、压载荷的可靠平稳传递，将法兰设计成“夹层结构”，包含夹层结构外夹板(41)和夹层结构内夹板(42)，注塑后两层夹板之间填充有复合材料，保证复合材料结构上的连续性，法兰上设计有开槽(43)，第二种热塑性复合材料传动轴适用于传递载荷较大，安装面精度要求高的的传动轴；

第三种热塑性复合材料传动轴无须预埋法兰，法兰和传动轴轴体采用相同材料，二者一体注塑成型，第三种热塑性复合材料传动轴适用于小载荷、安装面精度不高、螺栓孔处受力不严重的传动轴；

其中，法兰设计带短轴的结构，法兰短轴(24)伸入传动轴轴体内，改善了传动轴根部受力恶劣的情况。