CN105398335A - 复合材料汽车传动轴总成及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了复合材料汽车传动轴总成及其制造方法，所述传动轴总成由传动轴和所述传动轴两端上连接的万向节构成；所述传动轴包括铝合金管，所述铝合金管外依次为玻璃纤维层和碳纤维层；该种复合材料汽车传动轴总成的制造方法，用于制造复合材料汽车传动轴总成；本发明复合材料汽车传动轴总成，比传统金属传动轴重量减轻了约63％，采用了一段式结构，固有频率高，扭矩传递损耗销，能够提高燃油经济性；扭转强度高于传动金属安全值的至少50％以上，扭转疲劳达到30万次以上，安全性好。
Description
技术领域
本发明涉及汽车传动轴技术，具体涉及复合材料汽车传动轴总成及其制造方法。
背景技术
传动轴是汽车传动系中传递动力的重要部件，它的作用是与变速箱、驱动桥一起将发动机的动力传递给车轮，使汽车产生驱动力。传动轴由传动轴管和两端法兰连接组成，传统上如飞机、轮船、汽车、水泵和冷却塔等传动轴多为金属材料，金属传动轴有很多优点，如韧性好，屈服强度高等；但也有很多缺点，如质量重、拆装不方便、耐腐蚀差等，而且金属为不可再生资源。
目前一些后轮驱动的乘用车的主传动轴分为两段，中间需要用万向节连接，并用支架固定在车身上，这种设计能够避免单段的固有频率的，但其结构复杂，自重大，中间的万向节在传递扭矩时损耗大，不利于提高燃油的经济性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供重量轻，固有频率高，安全性好，能够提高燃油经济性的复合材料汽车传动轴总成及其制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
该种复合材料汽车传动轴总成，由传动轴及和所述传动轴两端连接的万向节构成；所述传动轴包括铝合金管，所述铝合金管外依次为玻璃纤维层和碳纤维层。
所述玻璃纤维层厚度为0.15mm。
所述传动轴和万向节通过齿纹连接，所述传动轴的铝合金管两端内壁均匀分布有齿形凹槽和万向节外壁均匀分布的齿形块配合。
该种复合材料汽车传动轴总成的制造方法，具体步骤为：
(1)选取铝合金管，在铝合金管外壁依次铺上经树脂浸润的玻璃纤维层和经树脂浸润的碳纤维层；
(2)将缠绕有玻璃纤维层和碳纤维层的铝合金管置于涂有脱模剂的芯模内，固定住铝合金管；
(3)旋转芯模，芯模旋转产生压力将碳纤维层和玻璃纤维层贴在铝合金管外壁上；
(4)脱出芯模，将贴有碳纤维层和玻璃纤维层的铝合金管放入抽真空的真空袋中；
(5)待常温固化后，得到固化成型的复合材料铝合金管，打开真空袋，对固化成型的复合材料铝合金管施加轴向预紧力，消除铝合金管和碳纤维层及玻璃纤维层之间的残余热应力；
(6)关上真空袋，真空袋内抽真空，将经步骤(5)处理后的复合材料铝合金管和抽真空的真空袋放入高压釜中保温，得到碳纤维复合材料的传动轴；
(7)将步骤(6)得到的碳纤维复合材料的传动轴和万向节连接，得到复合材料汽车传动轴总成。
所述步骤(6)中高压釜中温度为120-130℃，保温时间为2.5-3.5小时。
所述步骤(1)中经树脂浸润的玻璃纤维层为单层结构，经树脂浸润的碳纤维层为多层结构。
单层结构玻璃纤维层由经树脂浸润的玻璃纤维按照和铝合金管轴线夹角为90°的铺层方式缠绕在铝合金管外壁构成。
多层结构碳纤维层由经树脂浸润的单层碳纤维按照和铝合金管轴线夹角为10°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、90°、90°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°和10°依次缠绕后叠加构成。
所述玻璃纤维层厚度为0.15mm。
所述单层碳纤维厚度为0.25mm。
本发明的优点在于：本发明中的复合材料汽车传动轴总成，比传统金属传动轴7重量减轻了约63％，采用了一段式结构，固有频率高，扭矩传递损耗销，能够提高燃油经济性；扭转强度高于传动金属安全值的至少50％以上，扭转疲劳达到30万次以上；在金属轴与碳纤维复合材料中间增加了单层约0.15mm厚的玻璃纤维，减少了金属主轴与碳纤维之间发生的电偶腐蚀，极大的提高了产品的寿命及安全性；与金属万向节的连接采用齿纹式，具有承载能力高，齿根较浅，应力集中较小的，装配简单的特点。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明复合材料汽车传动轴总成的传动轴的侧视图。
图2为图1复合材料汽车传动轴总成的传动轴的A-A截面图。
图3为本发明复合材料汽车传动轴总成的万向节的结构示意图。
图4为本发明复合材料汽车传动轴总成的结构示意图。
图5为本发明复合材料汽车传动轴总成的传动轴的玻璃纤维层和碳纤维层的铺层示意图。
上述图中的标记均为：
1、碳纤维层，2、玻璃纤维层，3、铝合金管，4、齿形凹槽，5、万向节，6、齿形块，7、传动轴。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1-图4所示，该种复合材料汽车传动轴总成，由传动轴7和传动轴7两端上连接的万向节5构成；传动轴7包括铝合金管3，铝合金管3外依次为玻璃纤维层2和碳纤维层1；本发明使用玻璃纤维层2和碳纤维层1组成的碳纤维复合材料制作碳纤维传动轴，采用一段式传动轴结构，完全替代了金属传动轴的功能，更轻质、传递力大、抗腐蚀、安全性更高。
玻璃纤维层2厚度为0.15mm；玻璃纤维层2能够减少铝合金管3与碳纤维之间发生的电偶腐蚀，极大的提高了产品的寿命及安全性。
玻璃纤维层2及碳纤维层1和铝合金管3固化成型，结构可靠性好，扭转强度高于传动金属安全值的至少50％以上，扭转疲劳达到30万次以上。
传动轴7和万向节5通过齿纹连接，传动轴7的铝合金管3两端内壁均匀分布有齿形凹槽4和万向节5外壁均匀分布的齿形块6配合；铝合金管3内壁设有和万向节5通过齿纹配合的方式连接，具有承载能力高，齿根较浅，应力集中较小的，装配简单的特点，解决了铝合金管3与万向节5接头胶结在制造工艺实施中存在的许多不可控因数，如无法施加胶接压力、无法控制胶接厚度、易出现弱胶接等等，出现胶层应力集中的情况，导致胶接破损失效的问题。
该种复合材料汽车传动轴总成的制造方法，具体步骤为：
(1)选取铝合金管3，在铝合金管3外壁依次铺上经树脂浸润的玻璃纤维层2和经树脂浸润的碳纤维层1；树脂为环氧树脂；
(2)将缠绕有玻璃纤维层2和碳纤维层1的铝合金管3置于涂有脱模剂的芯模内，固定住铝合金管3；
(3)旋转芯模，芯模旋转产生压力将碳纤维层1和玻璃纤维层2贴在铝合金管3外壁上；
(4)脱出芯模，将贴有碳纤维层1和玻璃纤维层2的铝合金管3放入抽真空的真空袋中；
(5)待常温固化后，得到固化成型的复合材料铝合金管3，打开真空袋，对固化成型的复合材料铝合金管3施加轴向预紧力，即对固化成型的复合材料铝合金管3两端施加扭力，消除铝合金管3和碳纤维层1及玻璃纤维层2之间的残余热应力；
(6)关上真空袋，在一个大气压下，真空袋内抽真空，将经步骤(5)处理后的复合材料铝合金管3和抽真空的真空袋放入高压釜中保温，得到碳纤维复合材料的传动轴7；
(7)将步骤(6)得到的碳纤维复合材料的传动轴7和万向节5连接，得到复合材料汽车传动轴总成。
真空袋上设有能够打开和关闭的密封口，方便复合材料的铝合金管3放入和拿出；真空袋上设有真空管路，真空管路和带有0型密封环的端盖密封连接；打开端盖，将真空管路和真空泵连接，即可抽真空；抽真空完毕将端盖和真空管路密封连接即可，操作方便快捷。
步骤(6)中高压釜中温度为120-130℃，保温时间为2.5-3.5小时；通过保温温度和保温时间的控制，碳纤维层1及玻璃纤维层2和铝合金管3可靠固化成一体式结构，得到可靠的碳纤维复合材料的传动轴7，使传动轴7具有良好的扭转强度和抗疲劳强度。
步骤(1)中经树脂浸润的玻璃纤维层2为单层结构，经树脂浸润的碳纤维层1为多层结构。
单层结构玻璃纤维层2由经树脂浸润的玻璃纤维按照和铝合金管3轴线夹角为90°的铺层方式缠绕在铝合金管3外壁构成；即经树脂浸润的玻璃纤维以垂直于铝合金管3的铺层方式均匀缠绕在铝合金管3上，形成可靠的玻璃纤维层2结构。
多层结构碳纤维层1由经树脂浸润的单层碳纤维按照和铝合金管3轴线夹角为10°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、90°、90°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°和10°依次缠绕后叠加构成；经树脂浸润的单层碳纤维共二十层，第一层单层碳纤维按照和铝合金管3轴线夹角为10°的铺层方式均匀缠绕在玻璃纤维层2上；第二层单层碳纤维按照和铝合金管3轴线夹角为45°的铺层方式均匀缠绕在第一层单层碳纤维上；第三层单层碳纤维按照和铝合金管3轴线夹角为-45°的铺层方式均匀缠绕在第二层单层碳纤维上；依次类推，直至第二十层单层碳纤维按照和铝合金管3轴线夹角为10°的铺层方式均匀缠绕在第十九层单层碳纤维上，构成多层结构碳纤维层1。单层碳纤维厚度为0.25mm。多层结构碳纤维层1结构可靠，能够大大提高复合材料汽车传动轴7的抗扭转强度和抗疲劳强度。
参照图5，单层结构玻璃纤维层2和多层结构碳纤维层1的铺层参数如下表：
| 层数 | 厚度(mm) | 铺层角度(°) |
| 21(碳纤维) | 0.25 | 10 |
| 20(碳纤维) | 0.25 | 45 |
| 19(碳纤维) | 0.25 | -45 |
| 18(碳纤维) | 0.25 | 45 |
| 17(碳纤维) | 0.25 | -45 |
| 16(碳纤维) | 0.25 | 45 |
| 15(碳纤维) | 0.25 | -45 |
| 14(碳纤维) | 0.25 | 45 |
| 13(碳纤维) | 0.25 | -45 |
| 12(碳纤维) | 0.25 | 90 |
| 11(碳纤维) | 0.25 | 90 |
| 10(碳纤维) | 0.25 | -45 |
| 9(碳纤维) | 0.25 | 45 |
| 8(碳纤维) | 0.25 | -45 |
| 7(碳纤维) | 0.25 | 45 |
| 6(碳纤维) | 0.25 | -45 |
| 5(碳纤维) | 0.25 | 45 |
| 4(碳纤维) | 0.25 | -45 |
| 3(碳纤维) | 0.25 | 45 |
| 2(碳纤维) | 0.25 | 10 |
| 1(玻璃纤维) | 0.15 | 90 |
玻璃纤维层2厚度为0.15mm；玻璃纤维层2能够减少铝合金管3与碳纤维之间发生的电偶腐蚀，极大的提高了产品的寿命及安全性。
步骤(7)中，碳纤维复合材料的传动轴7和万向节5通过齿纹连接，传动轴7的铝合金管3两端内壁均匀分布有齿形凹槽4和万向节5外壁均匀分布的齿形块6配合；这种连接方式具有承载能力高，齿根较浅，应力集中较小的，装配简单的特点，解决了铝合金管3与万向节5接头胶结在制造工艺实施中存在的许多不可控因数，如无法施加胶接压力、无法控制胶接厚度、易出现弱胶接等等，出现胶层应力集中的情况，导致胶接破损失效的问题。
本发明制造的复合材料汽车传动轴总成，比传统金属传动轴7重量减轻了约63％，采用了一段式结构，固有频率高，扭矩传递损耗销，能够提高燃油经济性；扭转强度高于传动金属安全值的至少50％以上，扭转疲劳达到30万次以上；在金属轴与碳纤维复合材料中间增加了单层约0.15mm厚的玻璃纤维，减少了金属主轴与碳纤维之间发生的电偶腐蚀，极大的提高了产品的寿命及安全性；与金属万向节5的连接采用齿纹式，具有承载能力高，齿根较浅，应力集中较小的，装配简单的特点。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.复合材料汽车传动轴总成，其特征在于：由传动轴及和所述传动轴两端连接的万向节构成；所述传动轴包括铝合金管，所述铝合金管外依次为玻璃纤维层和碳纤维层。
2.如权利要求1所述的复合材料汽车传动轴总成，其特征在于：所述玻璃纤维层厚度为0.15mm。
3.如权利要求1所述的复合材料汽车传动轴总成，其特征在于：所述传动轴和万向节通过齿纹连接，所述传动轴的铝合金管两端内壁均匀分布有齿形凹槽和万向节外壁均匀分布的齿形块配合。
4.权利要求1所述的复合材料汽车传动轴总成的制造方法，其特征在于：具体步骤为：
(1)选取铝合金管，在铝合金管外壁依次铺上经树脂浸润的玻璃纤维层和经树脂浸润的碳纤维层；
(2)将缠绕有玻璃纤维层和碳纤维层的铝合金管置于涂有脱模剂的芯模内，固定住铝合金管；
(3)旋转芯模，芯模旋转产生压力将碳纤维层和玻璃纤维层贴在铝合金管外壁上；
(4)脱出芯模，将贴有碳纤维层和玻璃纤维层的铝合金管放入抽真空的真空袋中；
(5)待常温固化后，得到固化成型的复合材料铝合金管，打开真空袋，对固化成型的复合材料铝合金管施加轴向预紧力，消除铝合金管和碳纤维层及玻璃纤维层之间的残余热应力；
(6)关上真空袋，真空袋内抽真空，将经步骤(5)处理后的复合材料铝合金管和抽真空的真空袋放入高压釜中保温，得到碳纤维复合材料的传动轴；
(7)将步骤(6)得到的碳纤维复合材料的传动轴和万向节连接，得到复合材料汽车传动轴总成。
5.如权利要求4所述的复合材料汽车传动轴总成的制造方法，其特征在于：所述步骤(6)中高压釜中温度为120-130℃，保温时间为2.5-3.5小时。
6.如权利要求4所述的复合材料汽车传动轴总成的制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中经树脂浸润的玻璃纤维层为单层结构，经树脂浸润的碳纤维层为多层结构。
7.如权利要求6所述的复合材料汽车传动轴总成的制造方法，其特征在于：单层结构玻璃纤维层由经树脂浸润的玻璃纤维按照和铝合金管轴线夹角为90°的铺层方式缠绕在铝合金管外壁构成。
8.如权利要求6所述的复合材料汽车传动轴总成的制造方法，其特征在于：多层结构碳纤维层由经树脂浸润的单层碳纤维按照和铝合金管轴线夹角为10°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、90°、90°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°、-45°、45°和10°依次缠绕后叠加构成。
9.如权利要求4-8任一项所述的复合材料汽车传动轴总成的制造方法，其特征在于：所述玻璃纤维层厚度为0.15mm。
10.如权利要求8所述的复合材料汽车传动轴总成的制造方法，其特征在于：所述单层碳纤维厚度为0.25mm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| PB01 | Publication | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
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