CN115247672A - 一种带膜盘的复合材料传动轴 - Google Patents
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Abstract
一种带膜盘的复合材料传动轴，属于机械动力传输技术领域。本发明解决了现有的复合材料传动轴结构复杂、体积较大、制备成本较高的问题。它包括同轴设置且由碳纤维环氧树脂基复合材料一体化铺设而成的第一轴段、第二轴段、膜盘及两个法兰，其中所述膜盘位于第一轴段与第二轴段之间，两个法兰对应位于两个轴段上远离膜盘的一端，所述膜盘包括膜盘主体及位于膜盘主体两端的倒角段，且膜盘主体的轴向剖面呈矩形结构，所述倒角段的铺层方式与第一轴段及第二轴段相同。各部分结构之间为一体化铺设成型，不需要单独成型及组装，模具制备简单，整体工艺性较好，传动轴整体轴向与弯曲补偿能力较强，补偿效率较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种带膜盘的复合材料传动轴，属于机械动力传输技术领域。
背景技术
传动轴是当前动力传输中的重要机械部件，常常用于传递两个未连接传动部件之间的扭矩与动力。传统的金属传动轴具有质量重、成本高、加工困难等缺点，纤维增强复合材料由于具有比强度高、比模量大、密度低、抗疲劳性能好等优点，目前在传动轴的设计与制造中，由复合材料代替金属可以在大幅减轻结构自重的同时，具有可设计性，容易实现结构一体化的优势，因此复合材料机械传动具有广泛的应用领域。复合材料传动轴在复杂载荷工况下两端常常处于不对中状态，具体指传动轴两端的轴心线之间的距离与偏移，金属传动轴为实现这一目的往往需要在金属轴尾端加入金属膜盘实现，但这往往会使得整个轴系更加笨重，而传统的复合材料传动轴在不对中状态下工作很容易产生较大变形引起巨大的层间应力，进而导致传动轴的失效，因此需要开发出能够实现轴向与弯曲补偿的复合材料传动轴。
到目前为止，国内外能够实现轴向距离补偿与弯曲角度补偿的轴系一般有着结构复杂、体积较大、成型困难、制备成本较高等缺点，且很难适用于大型机械连接系统。
发明内容
本发明是为了解决现有的复合材料传动轴结构复杂、体积较大、制备成本较高的问题，进而提供了一种带膜盘的复合材料传动轴。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种带膜盘的复合材料传动轴，它包括同轴设置且由碳纤维环氧树脂基复合材料一体化铺设而成的第一轴段、第二轴段、膜盘及两个法兰，其中所述膜盘位于第一轴段与第二轴段之间，两个法兰对应位于两个轴段上远离膜盘的一端，所述膜盘包括膜盘主体及位于膜盘主体两端的倒角段，且膜盘主体的轴向剖面呈矩形结构，所述倒角段的铺层方式与第一轴段及第二轴段相同。
进一步地，传动轴整体为空心轴体，第一轴段与第二轴段的铺层方式均采用低纤维角度与±45°纤维交替铺设而成，其中所述低纤维角度范围为-35°～+35°。
进一步地，当工作状态下需要轴向距离补偿时，所述膜盘主体的铺层方式采用±45°纤维铺层。
进一步地，当工作状态下需要弯曲角度补偿时，膜盘主体的铺层方式采用低纤维角度与±45°纤维交替铺设而成，其中低纤维角度纤维层数少于第一轴段中低纤维角度纤维层数。
进一步地，当工作状态下需要轴向与弯曲补偿时，膜盘倒角段的铺层层数多于第一轴段或第二轴段。
进一步地，第一轴段与一个法兰之间以及第二轴段与另一个法兰之间均设置有过渡轴段。
进一步地，所述过渡轴段的铺层方式为在其相临的第一轴段或第二轴段的基础上加设多层±45°纤维铺层。
进一步地，所述法兰的铺层方式为在其相临的过渡轴段基础上，加设多层0°纤维铺层与多层90°纤维铺层。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本申请中的传动轴各部分结构之间为一体化铺设成型，不需要单独成型及组装，模具制备简单，整体工艺性较好，传动轴整体轴向与弯曲补偿能力较强，补偿效率较高，与现有技术相比，结构更简单，制备成本更低，极大的降低了传动结构的重量与体积，同比传统金属轴系质量降低了40％，有效的提高了传动轴的承载效率。
与现有的复合材料传动轴相比增加了矩形膜盘结构，在传动轴承受径向载荷与弯曲载荷的情况下能够较好实现两端的轴向距离补偿与弯曲角度补偿，极大的缓解了复合材料因变形导致的局部层间应力，极大地提高了传动轴的补偿能力。
本申请在传统复合材料传动轴中引入膜盘结构，结合了复合材料轴与金属轴的优点，通过膜盘的变形使复合材料传动轴整体达到距离补偿与角度补偿的作用。
附图说明
图1为本申请的立体结构示意图；
图2为本申请的主剖视示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-2说明本实施方式，一种带膜盘的复合材料传动轴，它包括同轴设置且由碳纤维环氧树脂基复合材料一体化铺设而成的第一轴段1、第二轴段2、膜盘3及两个法兰4，其中所述膜盘3位于第一轴段1与第二轴段2之间，两个法兰4对应位于两个轴段上远离膜盘3的一端，所述膜盘3包括膜盘主体3-1及位于膜盘主体3-1两端的倒角段3-2，且膜盘主体3-1的轴向剖面呈矩形结构，所述倒角段3-2的铺层方式与第一轴段1及第二轴段2相同。
本申请中的传动轴各部分结构之间为一体化铺设成型，不需要单独成型及组装，模具制备简单，整体工艺性较好，传动轴整体轴向与弯曲补偿能力较强，补偿效率较高，与现有技术相比，结构更简单，制备成本更低，极大的降低了传动结构的重量与体积，同比传统金属轴系质量降低了40％，有效的提高了传动轴的承载效率。
传动轴承受轴向或弯曲载荷时，轴向剖面呈矩形结构的膜盘是主要的补偿结构，由膜盘的拉伸或弯曲变形实现轴向或弯曲补偿。本申请与现有的复合材料传动轴相比增加了矩形膜盘3结构，在传动轴承受径向载荷与弯曲载荷的情况下能够较好实现两端的轴向距离补偿与弯曲角度补偿，极大的缓解了复合材料因变形导致的局部层间应力，极大地提高了传动轴的补偿能力。
本申请的传动轴在静态下能够承受5000N·m的扭矩与3.45°的弯曲补偿角度；在工作转速为4000r/min、疲劳循环次数为107的动态下能够承受1500N·m的扭矩与1.5°的弯曲补偿角度，轴向距离补偿最高可达15mm，相比于其他传动轴，该轴的协调补偿能力与抗弯曲疲劳能力大幅度提高。
成型工艺为纤维缠绕成型，成型过程中纤维保持连续性，膜盘3处质量均匀。
通过调节传动轴不同部位的纤维铺层来针对不同的载荷工况，具有较强的应用性。具体为：
当传动轴整体承担轴径载荷要求水平较高时，可以将整体铺层增加0°与90°纤维铺层；当传动轴整体承扭要求水平较高时，可以将整体铺层增加45°纤维铺层；当传动轴轴向与弯曲补偿要求水平较高时，可以减少膜盘主体3-1处纤维铺层或降低铺层角度，此时传动轴具体工艺手段不发生任何改变。
当传动轴轴向补偿距离较高导致传动轴强度无法满足需求时，通过提高膜盘3轴向高度和(或)增加膜盘90°纤维铺层的方式改善纤维应力。
当传动轴弯曲补偿角度较大导致传动轴强度无法满足需求时，可以通过提高膜盘3径向尺寸的方式改善纤维应力，以使传动轴能够承载更大的弯矩与扭矩。
当本申请应用于动力传输机械系统时，当机械运转导致内部结构不停的发生微小变动时会使得大部分传动系统承受不可忽视的轴力与弯矩，膜盘3处于循环变形状态下整体抗变形疲劳能力较好，本发明的传动轴可以较好地解决运动系统带来的两端不对中问题，能够在动态疲劳状态下承担多种载荷的耦合。
传动轴整体为空心轴体，第一轴段1与第二轴段2的铺层方式均采用低纤维角度与±45°纤维交替铺设而成，其中所述低纤维角度范围为-35°～+35°。
当工作状态下需要轴向距离补偿时，所述膜盘主体3-1的铺层方式采用±45°纤维铺层。此工作状态下，传动轴两端的工作距离不等于轴长，传动轴承受轴向拉伸或压缩载荷，此时膜盘3会发生变形从而实现轴两端的补偿，膜盘3的主要变形位置为膜盘主体3-1，而在进行轴向补偿的同时传动轴其他结构均无变形，因此要求该部位的轴向刚度较低，采取的方法是只留下±45°纤维铺层保证整体的扭转刚度。
当承受拉伸或者载荷时，膜盘主体3-1承受较大张力而产生变形，进而导致膜盘伸长或者缩短，从而导致传动轴整体的伸长或者缩短，也就实现了轴向补偿，因为需要膜盘发生变形，也因此降低了该部分的铺层，从而降低了该部分的刚度，这样就会使得膜盘容易发生变形，但是铺层降低的同时会同时使得所有刚度或多或少的降低，即需要降低轴向刚度但不需要降低扭转刚度，而±45°是抗扭最好的角度，因此我们保留±45°纤维尽量保证整体的扭转刚度，同时尽量降低其轴向刚度。
当工作状态下需要弯曲角度补偿时，膜盘主体3-1的铺层方式采用低纤维角度与±45°纤维交替铺设而成，其中低纤维角度纤维层数少于第一轴段1中低纤维角度纤维层数。此工作状态下，传动轴两端的工作位置不平行，传动轴承受弯曲载荷，一个法兰4固定，另一个法兰4承受悬臂载荷，此时膜盘3为受力关键部位，膜盘3的主要变形位置为膜盘主体3-1，而在进行轴向补偿的同时传动轴其他结构均无变形。当传动轴承受弯矩时，膜盘3两面会发生变形，膜盘主体3-1上靠近固定端法兰4的一面受拉，靠近悬臂端法兰4的一面受压，从而形成传动轴发生角度的偏转，通过膜盘主体3-1的变形实现两端的不对中补偿，因此膜盘主体3-1部分的弯曲刚度需求较低，采取的方法是减少膜盘主体3-1处的低角度纤维铺层，以降低该部分的弯曲刚度，同时膜盘3整体需要保证其扭转刚度，保留±45°纤维铺层，这与轴向补偿的原因相似。
当工作状态下需要轴向与弯曲补偿时，膜盘倒角段3-2的铺层层数多于第一轴段1或第二轴段2。此状态下，膜盘3的主要应力集中区域为倒角段3-2，将倒角段3-2的铺层方式设置为与第一轴段1或第二轴段2相同，当传动轴整体承受的轴向、弯曲载荷较大，膜盘3整体强度不能满足纤维强度要求时，可以提高倒角段3-2的铺层层数或倒角角度，此时传动轴的整体成型工艺并不发生变化。
第一轴段1与一个法兰4之间以及第二轴段2与另一个法兰4之间均设置有过渡轴段5。由于法兰4区域与第一轴段1或第二轴段2之间的铺层相差过大，因此在两法兰4与第一轴段1或第二轴段2的铺层之间设置过渡轴段5，使得传动轴在外载状况下传动轴应力能够尽可能平稳分布。
所述过渡轴段5的铺层方式为在其相临的第一轴段1或第二轴段2的基础上加设多层±45°纤维铺层。
所述法兰4的铺层方式为在其相临的过渡轴段5基础上，加设多层0°纤维铺层与多层90°纤维铺层。法兰4两端起连接固定作用，当传动轴承受轴向、径向、扭转等载荷时，两连接端法兰4同样是传动轴整体主要承载区域，也是应力集中区域，尤其在法兰4与第一轴段1或第二轴段2的倒角处容易出现较大应力，因此在法兰4区域主要引入0°、90°与±45°纤维以分别应对不同载荷。0°纤维铺层与90°纤维铺层交替铺设。
传动轴整体铺层方式示例：第一轴段与第二轴段的纤维铺层层数均为12层，铺层方式为[-14°,14°,-14°,45°,45°]s；过渡轴段的纤维铺层层数为24层，铺层方式为[-14°,14°,-14°,45°,45°]s+[90°,45°,-45°]4；每个法兰的纤维铺层层数为40层，铺层方式为[-14°,14°,-14°,45°,45°]s+[90°,45°,-45°]4+[45°,-45°]8。所有铺层均为交替铺设。
Claims (8)
1.一种带膜盘的复合材料传动轴，其特征在于：它包括同轴设置且由碳纤维环氧树脂基复合材料一体化铺设而成的第一轴段(1)、第二轴段(2)、膜盘(3)及两个法兰(4)，其中所述膜盘(3)位于第一轴段(1)与第二轴段(2)之间，两个法兰(4)对应位于两个轴段上远离膜盘(3)的一端，所述膜盘(3)包括膜盘主体(3-1)及位于膜盘主体(3-1)两端的倒角段(3-2)，且膜盘主体(3-1)的轴向剖面呈矩形结构，所述倒角段(3-2)的铺层方式与第一轴段(1)及第二轴段(2)相同。
2.根据权利要求1所述的一种带膜盘的复合材料传动轴，其特征在于：传动轴整体为空心轴体，第一轴段(1)与第二轴段(2)的铺层方式均采用低纤维角度与±45°纤维交替铺设而成，其中所述低纤维角度范围为-35°～+35°。
3.根据权利要求2所述的一种带膜盘的复合材料传动轴，其特征在于：当工作状态下需要轴向距离补偿时，所述膜盘主体(3-1)的铺层方式采用±45°纤维铺层。
4.根据权利要求2或3所述的一种带膜盘的复合材料传动轴，其特征在于：当工作状态下需要弯曲角度补偿时，膜盘主体(3-1)的铺层方式采用低纤维角度与±45°纤维交替铺设而成，其中低纤维角度纤维层数少于第一轴段(1)中低纤维角度纤维层数。
5.根据权利要求1、2或3所述的一种带膜盘的复合材料传动轴，其特征在于：当工作状态下需要轴向与弯曲补偿时，膜盘倒角段(3-2)的铺层层数多于第一轴段(1)或第二轴段(2)。
6.根据权利要求1所述的一种带膜盘的复合材料传动轴，其特征在于：第一轴段(1)与一个法兰(4)之间以及第二轴段(2)与另一个法兰(4)之间均设置有过渡轴段(5)。
7.根据权利要求6所述的一种带膜盘的复合材料传动轴，其特征在于：所述过渡轴段(5)的铺层方式为在其相临的第一轴段(1)或第二轴段(2)的基础上加设多层±45°纤维铺层。
8.根据权利要求7所述的一种带膜盘的复合材料传动轴，其特征在于：所述法兰(4)的铺层方式为在其相临的过渡轴段(5)基础上，加设多层0°纤维铺层与多层90°纤维铺层。
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