CN114593133B - 与金属接头连接的复合材料轴管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种与金属接头连接的复合材料轴管，包括轴管本体和金属接头，轴管本体包括位于中部的非配合区和一体成型于非配合区轴向两端的配合区，配合区外表面围绕周向均匀设有若干个凸点或凸台，在每个配合区的凸点或凸台数量不少于3个，若设计为凸点，沿着轴向分布至少1列，凸点或凸台的数量n满足

其中，r为轴管本体非配合区的外半径；L为凸台在轴向上的长度或者为沿轴向分布的一列凸点在轴向上的总长度；α为铺层角度中除90°以外的最大角度；金属接头设有与凸台或凸点相配合的凹陷，金属接头与配合区间隙配合，且配合区的外周面预先设有胶膜。本发明复合材料轴管能传递足够的扭矩(至少1800N.m)。

Description

与金属接头连接的复合材料轴管

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种与金属接头连接的复合材料轴管。

背景技术

传动轴广泛应用于工程机械、风力发电、机车、船舶推进装置和航空航天等各个领域。随着时代的发展，各行业对传动轴提出越来越高的要求，例如降低重量、提高耐腐蚀性、免维护和降低噪音等。复合材料因其具有高比强度、高比刚度、耐腐蚀性好等一系列优点，逐渐在传动轴上得到应用。

目前复合材料传动轴主要包含复合材料轴管和设置在该轴管两端的金属接头连接而成。典型的连接方式包含胶接、机械连接、混合的方式。其中胶接因不破坏复合材料轴管而得到广泛应用。然而，在这种轴管的形式下，连接强度主要靠胶粘剂与复合材料轴管和金属接头之间的粘接强度保证，复合材料传动轴承担的扭矩得到限制。

为了提高复合材料传动轴的扭矩，复合材料轴管与金属接头的连接设计至关重要。通过检索国内外相关的文献发现，目前主要连接方式为缠绕方法、螺纹连接方法和镶嵌方法。1)缠绕方法：张乾仁等人(发明专利：复合材料传动轴及该复合材料传动轴的成型工艺)提出了在金属法兰与硬质泡沫的外周壁上缠绕浸胶纤维并加热固化成型。这种方案下复合材料轴管靠泡沫管和金属法兰外形保证，存在如下问题：该方案适用于纤维缠绕成型的复合材料，无法采用其他工艺方案成型复合材料；工艺复杂，引入的泡沫管与复合材料热膨胀系数不匹配，容易导致变形，外形控制不精准。2)螺纹连接方法：崔昌瑞等人(发明专利：一种碳纤维复合材料管制造工艺及碳纤维复合材料管)通过设计内外螺纹的方式提高复合材料轴管的连接强度。该方法存在以下问题：内外螺纹仅适用于湿法缠绕，并具有难以脱模的风险；内衬层与结构层的连接和热膨胀系数问题影响复合材料轴管的外形精度。3)镶嵌连接方法：赵瑜昭(实用新型专利：一种金属法兰叉和复合材料轴管的连接结构)提出一种内表面带齿纹的复合材料轴管，并通过过盈连接方式与金属法兰叉进行连接。该方法中的复合材料轴管齿纹通过机械加工得到，损伤了纤维的连续性，导致复合材料轴管本身强度下降。曹安港(发明专利：一种带金属法兰的纤维增强树脂基复合材料传动轴)和郑劲东(发明专利：一种缠绕成型复合材料传动轴与金属法兰的连接方法)等人设计的复合材料轴管与金属法兰通过镶嵌的形式增强连接强度。但是这两种方式，都需要对复合材料轴管本身进行加工，这两个方法均损伤了复合材料轴管的纤维连续性，导致复合材料轴管本身强度下降。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的不足之处，针对复合材料轴管与金属接头镶嵌方法存在的技术难点，提出一种复合材料轴管结构及其制造方法，使之能够与金属接头进行连接。该连接结构在性能上，既能保证能够传递足够的扭矩；在制造工艺上，具有良好的工艺通用性。

为了实现本发明目的，所采用的技术方案为：一种与金属接头连接的复合材料轴管，包括轴管本体和分别连接设置在轴管本体的两端的金属接头，轴管本体包括位于中部的非配合区和一体成型于非配合区轴向两端的配合区，单一端头的配合区的长度不得长于1/2的非配合区长度，非配合区的外表面为光滑表面，配合区外表面围绕周向均匀设有若干个凸点或凸台(内表面可以对应设计若干凹点或凹槽，也可以为光滑表面)，在每个配合区的凸点或凸台数量不少于3个，若设计为凸点，沿着轴向分布至少1列(沿轴向上相邻两个凸点允许有交叉)，凸点或凸台的数量n满足以下条件：

其中，r为轴管本体非配合区的外半径；L为凸台在轴向上的长度或者为沿轴向分布的一列凸点在轴向上的总长度；α为铺层角度中除90°以外的最大角度；

金属接头设有与凸台或凸点相配合的凹陷，金属接头与配合区间隙配合，且配合区的外周面预先设有胶膜。

进一步的，轴管本体的制备方法中包括复合材料铺叠步骤，铺叠方法为：当铺叠角度(本发明中的铺叠角度是指铺层的复合材料中纤维与轴管本体轴向之间的夹角)为0°时，复合材料从轴管本体的中间向轴向两侧延展，当延展到凸点或凸台时，沿着纤维方向分开复合材料，并铺向凸点或凸台受压的位置，分开后形成铺缝，再在铺缝中控制铺叠角度为0°的方向进行预浸料铺叠(也即将所述复合材料进行适当裁剪，然后铺放在铺缝中)；当0°＜铺叠角度＜90°或-90°＜铺叠角度＜0°时，延展至凸点或凸台处的复合材料沿着纤维方向分开预浸料，并形成不多于三处的铺缝，在铺缝位置补偿剪裁为三角型的复合材料拼块，三角型复合材料中纤维方向与铺层角度保持一致；相邻两层铺叠时，铺缝位置不能在轴管本体的同一个径向方向，并保持周向3mm以上的距离。

进一步的，配合区的内表面为开敞结构，即轴管本体的内径从配合区靠近非配合区到端头逐渐变大或保持不变。

进一步的，凸点或凸台的曲率半径不小于轴管本体的厚度，凸点或凸台高度不大于20倍的轴管本体厚度。

进一步的，凸点或凸台的形状可以设计为圆角长方体型、圆柱体型、椭圆体型等结构，凸点或凸台的至少周向两个侧面与轴管本体的外表面圆滑过渡。

进一步的，金属接头外表面为开敞结构，即从与复合材料轴管连接侧到金属接头装配侧，外表面截面面积逐渐变大或保持不变。

进一步的，配合区与金属接头之间的间隙为1～3层胶膜的厚度，胶膜的树脂基体与复合材料基体保持一致，复合材料为纤维增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料。

上述与金属接头连接的复合材料轴管的制备步骤如下：

1)阳模工装准备，在阳模上刷涂脱模剂或放置脱模布；

2)复合材料铺叠，轴管本体由所述复合材料铺叠固化而成的一体件，铺叠形式可以采用预浸料铺叠，复合材料丝束缠绕等形式，所述的复合材料可以为纤维增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料等，以轴管本体的轴向为0°方向(即铺层角度为0°)，复合材料周向为90°方向(即铺层角度为90°)，当铺层角度为90°时，在有凸点或凸台的位置进行单独铺放；当铺层角度为0°时，从轴管本体中间向两侧延展，当延展到两端的凸点或凸台时，因轮廓变大，沿着纤维方向分开复合材料，并铺向轴管本体受压的位置，在铺缝中沿着0°方向进行铺叠；当铺叠角度非0°及90°时，沿着纤维方向分开预浸料，设计不多于三处的铺缝，在铺缝位置补偿三角型复合材料拼块，方向与铺层方向保持一致，相邻两层铺叠时，铺缝位置不能在轴管本体的同一个径向方向，并保持周向3mm以上的距离；

3)热风压，进行热压实，所处环境的温度范围为40℃～(Tg-20)℃，Tg为材料固化前的玻璃化转变温度，所处环境的压力范围为(1～80)bar；

4)取出阳模；

5)填补凹点或凹坑，用短切纤维混合树脂基体填充配合区内表面凹点或凹槽处，直至平整，所述的短切纤维和树脂基体与轴管本体选材一致；

6)金属接头预处理，在金属接头待胶接的表面进行打磨粗化，随后粘接一层胶膜，胶膜对接间隙小于等于0.5mm，可选择对胶膜进行热风压，在40℃～120℃的范围下，通过(1～80)bar的压力进行热压实；

7)轴管外表面组装，将轴管本体通过金属接头上的凹陷进行配合，在轴管本体与金属接头配合周围，用胶膜进行不少于一圈的裹覆，在轴管本体外表面放置上下对合的阴模；

8)轴管内表面组装，沿着金属接头的通孔，向内依次放置隔离膜，软模、透气毡、真空袋，所述的软模由橡胶和纤维织物构成，在凸点或凸台区域划开；

9)组合，在整个工装及轴管本体上铺放隔离膜、透气毡、真空袋，抽真空固化，固化参数与复合材料厂家提供的参数保持一致；

10)精加工，对金属接头两端进行精加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的复合材料轴管在性能上，既能保证能够传递足够的扭矩(至少1800N.m)；在制造工艺上，具有良好的工艺通用性。

附图说明

图1是本发明复合材料轴管的结构示意图，其中省略了一侧的金属接头，右侧图为左侧图的左视图；

图2是本发明复合材料轴管的轴管本体的轴管本体的配合区的结构示意图；

图3是金属接头的结构示意图，中间为后视图，最右侧图为右视图；

图4为本发明实施例中的轴管本体铺层角度为0°时的铺层示意图(铺缝位于凸台宽度方向的侧面)；

图5为本发明实施例中轴管本体铺层角度为45°时的铺层示意图(铺缝位于凸台长度方向的两端的顶部)。

图中：1-轴管本体；2-非配合区；3-配合区；4-凸台；5-金属接头；6-凹陷；7-通孔；8-铺缝。

具体实施方式

本发明不局限于下列具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种具体实施方式实施本发明的，或者凡是采用本发明的设计结构和思路，做简单变化或更改的，都落入本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明下面结合实施例作进一步详述：

见图1至图5，本实施例的与金属接头5连接的复合材料轴管，包括轴管本体1和分别连接设置在轴管本体1的两端的金属接头5(本实施例金属接头5材料采用TC4)，轴管本体1包括位于中部的非配合区2和一体成型于非配合区2轴向两端的配合区3，单一端头的配合区3的长度不得长于1/2的非配合区2长度，非配合区2的外表面为光滑表面，配合区3的外表面围绕周向均匀设有若干个凸点或凸台4(内表面可以对应设计若干凹点或凹槽，也可以为光滑表面)，在每个配合区3的凸点或凸台4数量不少于3个，若设计为凸点，沿着轴向分布至少1列(沿轴向上相邻两个凸点允许有交叉)，凸点或凸台4的数量n满足以下条件：

其中，r为轴管本体1非配合区2的外半径；L为凸台4在轴向上的长度或者为沿轴向分布的一列凸点在轴向上的总长度；α为铺层角度中除90°以外的最大角度；

金属接头5设有与凸台4或凸点相配合的凹陷6，金属接头5与配合区间隙配合，且配合区3的外周面预先设有胶膜。

本发明的另一个实施例中，进一步给出了轴管本体1的制备方法包括复合材料铺叠步骤，铺叠方法为：当铺叠角度(本发明中的铺叠角度是指铺层的复合材料中纤维与轴管本体1轴向之间的夹角)为0°时，复合材料从轴管本体1的中间向轴向两侧延展，当延展到凸点或凸台4时，沿着纤维方向分开复合材料，并铺向凸点或凸台4受压的位置，分开后形成铺缝8，再在铺缝8中控制铺叠角度为0°的方向进行预浸料铺叠(也即将所述复合材料进行适当裁剪，然后铺放在铺缝8中)；当0°＜铺叠角度＜90°或-90°＜铺叠角度＜0°时，延展至凸点或凸台4处的复合材料沿着纤维方向分开预浸料，并形成不多于三处的铺缝8，在铺缝8位置补偿剪裁为三角型的复合材料拼块，三角型复合材料中纤维方向与铺层角度保持一致；相邻两层铺叠时，铺缝8位置不能在轴管本体1的同一个径向方向(即相邻两层的铺缝8相互错开)，并保持周向3mm以上的距离。

本发明的另一个实施例中，进一步给出了配合区的内表面为开敞结构，即轴管本体1的内径从配合区靠近非配合区2到端头逐渐变大或保持不变。

本发明的另一个实施例中，进一步给出了凸点或凸台4的曲率半径不小于轴管本体1的厚度，凸点或凸台4高度不大于20倍的轴管本体1厚度。

本发明的另一个实施例中，进一步给出了凸点或凸台4的形状可以设计为圆角长方体型、圆柱体型、椭圆体型等结构，凸点或凸台4的至少周向两个侧面与轴管本体1的外表面圆滑过渡。

本发明的另一个实施例中，进一步给出了金属接头5外表面为开敞结构，即从与复合材料轴管连接侧到金属接头5装配侧，外表面截面面积逐渐变大或保持不变。

本发明的另一个实施例中，进一步给出了配合区与金属接头5之间的间隙为1～3层胶膜的厚度，胶膜的树脂基体与复合材料基体保持一致，复合材料为纤维增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料。

本发明的另一个实施例中，进一步给出了复合材料轴管的具体制备方法(以凸台4为例，且凸台4围绕周向均匀设置在配合区的端部，每端12个凸台4，凸台44的高度为4mm，截面形状为半圆弧型，曲率半径4mm，凸台4长度方向为沿轴管本体1的轴向方向，凸台4背离非配合区2的一端延伸至轴管本体1的端部)，包括步骤如下：

1)阳模工装准备。阳模工装表面设计对应位置的12个凸台4。在阳模上刷涂脱模剂；

2)轴管本体由所述复合材料铺叠固化而成的一体件，具体铺叠包括在阳模工装上依次铺放16层单向预浸料，铺层方向为[0/45/90/-45]₄。以轴管本体1的轴向为0°方向，以周向受力的方向为90°方向。铺放角度为90°时，按照非配合区2和配合区分区域铺层，铺层允许对接，对接间隙不大于0.1mm；当铺放角度为0°时，从轴管本体1中间向两侧延展，当延展到两端的凸台4时，沿着纤维方向分开复合材料，并铺向轴管本体1受压的位置。在三角型铺缝8中沿着0°方向进行铺叠，允许对接，对接间隙不大于0.1mm；当铺叠角度为±45°时，沿着纤维方向分开预浸料，设计两处铺缝8。在铺缝8位置补偿三角型复合材料拼块，方向与铺层方向保持一致。相邻两层铺叠时，铺缝8位置不能在轴管本体1的同一个径向方向，并保持周向3mm以上的距离；

3)热风压。将整体外表面封装有孔隔离膜、无孔隔离膜、透气毡和真空袋，在60℃以及6Bar的压力下热封压60min；

4)取出阳模；

5)填补凹坑。用短切纤维混树脂基体填充配合区内表面凹槽处，直至平整，所述的短切纤维和树脂基体与轴管本体1选材一致；

6)金属接头5预处理。在金属接头5待胶接的表面进行打磨粗化。随后粘接一层胶膜，对胶膜进行热风压，在60℃的范围下，通过6bar的压力进行热压实。

7)轴管本体1外表面组装。将轴管本体1通过金属接头5上的凹陷6进行配合。在轴管本体1与金属接头5配合周围，用胶膜裹覆圈。在轴管本体1外表面放置上下对合的阴模。

8)轴管本体1内表面组装。沿着金属接头5的通孔7，向内依次放置隔离膜，软模、透气毡、真空袋。软模由层橡胶和层纤维织物构成。在凸台4区域十字划断；

9)组合。在整个工装及轴管本体1上铺放隔离膜、透气毡、真空袋。抽真空固化。固化参数与复合材料厂家提供的参数保持一致；

10)精加工。对金属接头5两端进行精加工。

本实施例提供复合材料轴管结构，在性能上，既能保证能够传递足够的扭矩(至少1800N.m)；在制造工艺上，具有良好的工艺通用性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“若干个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (7)

1.一种与金属接头连接的复合材料轴管，其特征在于：包括轴管本体(1)和分别连接设置在轴管本体(1)的两端的金属接头(5)，轴管本体(1)包括位于中部的非配合区(2)和一体成型于非配合区(2)轴向两端的配合区(3)，每个配合区(3)的长度不得长于1/2的非配合区(2)的长度，非配合区(2)的外表面为光滑表面，配合区(3)的外表面围绕周向均匀设有若干个凸点或凸台(4)，在每个配合区的凸点或凸台(4)数量不少于3个，若设计为凸点，沿着轴向分布至少1列，凸点或凸台(4)的数量n满足以下条件：

其中，r为非配合区(2)的外半径；L为凸台(4)在轴向上的长度或者为沿轴向分布的一列凸点在轴向上的总长度；α为铺层角度中除90°以外的最大角度；

金属接头(5)设有与凸台(4)或凸点相配合的凹陷(6)，金属接头(5)与配合区(3)间隙配合，且配合区(3)的外周面预先设有胶膜；

轴管本体(1)基于阳模工装成型，轴管本体(1)的制备方法中包括复合材料铺叠步骤，铺叠方法为：当铺叠角度为0°时，复合材料从轴管本体(1)的中间向轴向两侧延展，当延展到凸点或凸台(4)时，沿着纤维方向分开复合材料，并铺向凸点或凸台(4)受压的位置，分开后形成铺缝(8)，再在铺缝(8)中控制铺叠角度为0°的方向进行预浸料铺叠；当0°＜铺叠角度＜90°或-90°＜铺叠角度＜0°时，延展至凸点或凸台(4)处的复合材料沿着纤维方向分开预浸料，并形成不多于三处的铺缝(8)，在铺缝(8)位置补偿剪裁为三角型的复合材料拼块，三角型复合材料中纤维方向与铺层角度保持一致；相邻两层的铺缝(8)相互错开，并保持周向3mm以上的距离。

2.根据权利要求1所述的与金属接头连接的复合材料轴管，其特征在于：配合区(3)的内表面为开敞结构。

3.根据权利要求1所述的与金属接头连接的复合材料轴管，其特征在于：凸点或凸台(4)的曲率半径不小于轴管本体(1)的厚度，凸点或凸台(4)高度不大于20倍的轴管本体(1)厚度。

4.根据权利要求1所述的与金属接头(5)连接的复合材料轴管，其特征在于：凸点或凸台(4)的形状可以设计为圆角长方体型、圆柱体型、椭圆体型中的任意一种，凸点或凸台(4)的至少周向两个侧面与轴管本体(1)的外表面圆滑过渡。

5.根据权利要求1所述的与金属接头连接的复合材料轴管，其特征在于：金属接头(5)外表面为开敞结构。

6.根据权利要求1所述的与金属接头连接的复合材料轴管，其特征在于：配合区与金属接头(5)之间的间隙为1～3层胶膜的厚度，胶膜的树脂基体与复合材料的树脂基体保持一致，复合材料为纤维增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料。

7.根据权利要求1所述的与金属接头连接的复合材料轴管，其特征在于：通过如下方法成型，包括步骤如下：

1)阳模工装准备，在阳模上刷涂脱模剂或放置脱模布；

2)复合材料铺叠，铺叠形式采用预浸料铺叠或复合材料丝束缠绕，当铺层角度为0°时，从轴管本体(1)中间向两侧延展，当延展到两端的凸点或凸台(4)时，因轮廓变大，沿着纤维方向分开复合材料，并铺向轴管本体(1)受压的位置，在铺缝(8)中沿着0°方向进行铺叠；当0°＜铺叠角度＜90°或-90°＜铺叠角度＜0°时，延展至凸点或凸台(4)处的复合材料沿着纤维方向分开预浸料，设计不多于三处的铺缝(8)，在铺缝(8)位置补偿三角型复合材料拼块，方向与铺层方向保持一致，相邻两层铺叠时，铺缝(8)相互错开并保持周向3mm以上的距离；

3)采用热风进行热压实，所处环境的温度范围为40℃～(Tg-20)℃，Tg为材料固化前的玻璃化转变温度，所处环境的压力范围为1～80bar；

4)取出阳模；

5)填补凹点或凹坑，用短切纤维混合树脂基体填充配合区内表面凹点或凹槽处，直至平整，所述的短切纤维和树脂基体与轴管本体(1)选材一致；

6)金属接头(5)预处理，在金属接头(5)待胶接的表面进行打磨粗化，随后粘接一层胶膜，胶膜对接间隙小于等于0.5mm，对胶膜进行热风压，在40℃～120℃的范围下，通过1～80bar的压力进行热压实；

7)轴管外表面组装，将轴管本体(1)通过金属接头(5)上的凹陷(6)进行配合，在轴管本体(1)与金属接头(5)配合周围，用胶膜进行不少于一圈的裹覆，在轴管本体(1)外表面放置上下对合的阴模；

8)轴管内表面组装，沿着金属接头(5)的通孔(7)，向内依次放置隔离膜，软模、透气毡、真空袋，所述的软模由橡胶和纤维织物构成，在凸点或凸台(4)区域划开；

9)组合，在整个工装及轴管本体(1)上铺放隔离膜、透气毡、真空袋，抽真空固化，固化参数与复合材料厂家提供的参数保持一致；

10)精加工，对金属接头两端进行精加工。

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