CN215409731U - 一种高性能编织复合材料传动轴 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高性能编织复合材料传动轴，该传动轴包括三维编织复合材料轴管和两个分别通过滑动花键轴安装在所述三维编织复合材料轴管两端的带有伸缩套的金属万向节，两个所述滑动花键轴的一端通过花键连接和螺栓紧固两种连接方式分别固连在所述三维编织复合材料轴管的两端，两个所述滑动花键轴的另一端与所述金属万向节的伸缩套花键连接。本实用新型提供的传动轴具有抗扭转疲劳性能强、刚度高、减震效果好、质轻、生产率高等一系列优点，在航空航天、汽车、机械等领域具有广阔的工业市场前景。

Description

一种高性能编织复合材料传动轴

技术领域

本实用新型涉及传动轴及其制备方法技术领域，特别是涉及一种应用于不同领域传动系统的高性能碳纤维增强三维编织结构的复合材料传动轴。

背景技术

传动轴是航空航天、汽车、机械等领域不可或缺的构件之一，其主要作用是传递动力和扭矩。传统的传动轴多为金属材质，而其因本身重量较大，在传递动力过程中就已经消耗了部分能量，造成了能源使用效率低的问题。同时，金属传动轴由整体金属材料通过切削等机床加工而成，在这个过程中也同样造成了资源浪费，使得传动轴的生产成本较高。常作为传动轴制作原料的金属材料为不可再生资源，寻求可代替金属材料的人工制造材料及相关制备工艺是一个重要事项。目前，随复合材料原料生产与制备成型技术的成熟以及成产成本的降低，其应用范围也已逐渐从航空航天等高精尖领域向工业民用领域扩展。高性能纤维复合材料传动轴在可以保持金属传动轴的机械力学性能的同时，可大大减轻质量，如与钢制传动轴相比，碳纤维传动轴的质量最轻仅为其30％，这对于减小使用过程中的惯性，从而提升传动效率具有重要意义。

传动轴在应用过程中经常受到较大的扭矩和剪切载荷，这对于传动轴的性能要求较高。纤维增强复合材料传动轴具有高比强度、高比模量等优异力学性能可使传动轴承受更高的载荷。金属传动轴在仪器高速运转时常常会产生谐振动，这严重降低了传动轴的使用寿命与仪器高速使用，经合理设计的复合材料传动轴可在一定程度上弱化这个问题，提高仪器的最高需用转速。金属传动轴不耐腐蚀也是较为严重的问题之一。

目前制备纤维增强复合材料传动轴的常见方法为纤维缠绕工艺，即将纤维束以浸渍树脂以设定角度缠绕成轴管，再加热固化形成复合材料传动轴。以该工艺制备的传动轴仍属于二维结构，不可避免地出现分层缺陷。在特殊使用场合，如大型重载汽车上，通常要求传动轴的跨距较大，该种传动轴明显不适用。

传动轴通常包括传动轴轴管和万向节两大部分，目前复合材料传动轴轴管与金属万向节的典型连接方式为胶结，这种单一连接方式稳定性能较差，在使用过程中容易造成万向节与轴管的粘结失效，安全性难以保证，这也是目前研究人员亟待解决的问题之一。

实用新型内容

针对传统金属传动轴自重较大、能源利用效率低、力学性能达不到要求以及纤维缠绕复合材料传动轴和典型胶结连接方式的结构稳定性差、不适用大跨距场合、使用寿命短等问题，本实用新型的目的是提供了一种高性能纤维增强编织复合材料传动轴，该传动轴可满足各种严苛复杂的服役环境使用要求。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种高性能纤维增强编织复合材料传动轴，该传动轴包括三维编织复合材料轴管和两个分别通过滑动花键轴安装在所述三维编织复合材料轴管两端的带有伸缩套的金属万向节，两个所述滑动花键轴的一端通过花键连接和螺栓紧固两种连接方式分别固连在所述三维编织复合材料轴管的两端，两个所述滑动花键轴的另一端与所述金属万向节的伸缩套花键连接。

作为一种优选技术方案，所述三维编织复合材料轴管的各处壁厚相同且两端内壁分别设有多个滑动花键槽，每两个相邻的滑动花键槽之间设有至少一个螺栓孔；两个所述滑动花键轴的一端分别设有与所述三维编织复合材料轴管相配合的滑动花键以及螺栓孔；两个所述滑动花键轴的一端通过滑动花键分别插入三维编织复合材料轴管的两端，将所述三维编织复合材料轴管与所述滑动花键轴的螺栓孔对齐并采用三维编织复合材料螺栓紧固件进行机械连接；所述三维编织复合材料轴管和所述滑动花键轴的一端采用滑动花键连接和螺栓紧固两种连接方式。

所述金属万向节的伸缩套内壁设有多个滑动花键槽，所述滑动花键轴的另一端设有与所述金属万向节的伸缩套相配合的滑动花键；所述滑动花键轴的另一端通过滑动花键插入所述金属万向节的伸缩套。

进一步优选的，所述滑动花键轴的最大外径与所述三维编织复合材料轴管的内径相同或比所述三维编织复合材料轴管的内径小0.1～0.2mm。

进一步优选的，所述三维编织复合材料轴管的滑动花键槽的数量为4～8个，每两个相邻的滑动花键槽之间设有的螺栓孔数量为1～5个；所述金属万向节的伸缩套的滑动花键槽的数量分别为4～8个。

更进一步优选的，所述的三维编织复合材料轴管采用三维多向编织结构，所述的三维多向编织结构为三维四向、三维五向或三维六向编织结构。

所述三维编织复合材料轴管上的螺栓孔是在轴管预制件的编织过程中，采用与轴管规格相适应的金属螺栓紧固件在设计的位置进行透壁预埋，进而通过三维编织加减纱技术一次成型的通孔；所述三维编织复合材料轴管上的滑动花键槽是通过三维编织技术编织而成，非后加工切削形成。

所述三维编织复合材料轴管与所述三维编织复合材料螺栓紧固件的编织纤维材料均为高性能纤维，所述的高性能纤维为T300或T700碳纤维，纤维束截面根数为3k～12k，可根据使用场合进行选择。

所述三维编织复合材料轴管与所述三维编织复合材料螺栓紧固件所用基体材料为环氧树脂。

所述三维编织复合材料轴管与三维编织复合材料螺栓紧固件的纤维体积含量在35％～60％。

本实用新型所述高性能纤维增强编织复合材料传动轴的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)采用高性能碳纤维，通过三维多向编织结合预埋以及加减纱工艺，编织出含有螺栓孔和内滑动花键槽的三维编织复合材料轴管预制体；

(2)采用高性能碳纤维，采用四步法圆型与斜交三向三维编织技术制作与步骤(1)中三维编织复合材料轴管的螺栓孔尺寸相匹配的三维编织复合材料螺栓紧固件预制体；

(3)分别采用RTM工艺与VARTM对步骤(1)与步骤(2)中的三维编织复合材料轴管与三维编织复合材料螺栓紧固件进行环氧树脂注入、加热固化成型；

(4)对高强度钢进行切削，制备与三维编织复合材料轴管和金属万向节的伸缩套相配套的滑动花键轴，以及含有伸缩套的金属万向节；

(5)将带有螺栓孔的滑动花键轴的一端通过滑动花键插入三维编织复合材料轴管的两端，同时保证轴管与滑动花键轴上的螺纹孔对齐，采用三维编织复合材料螺栓紧固件进行机械连接；

(6)将滑动花键轴的另一端插入金属万向节的伸缩套中；将带有伸缩套的金属万向节通过滑动花键槽与滑动花键轴进行装配组合。

本实用新型的有益效果是：

(1)大幅减重，节约能源。高性能碳纤维增强复合材料传动轴相比于传统金属传动轴质量减重最高可达70％，质量轻的传动轴在运转时具有较小的惯性矩，从而减少了能源消耗。采用三维编织结构，可根据设计要求实现净尺寸成型，减少了传动轴后加工过程中材料切削浪费。

(2)降低复合成本，性能优良。本实用新型轴管部分采用RTM复合工艺，制备的复合材料气泡较少，较为整体外表面光洁；树脂分布均匀，纤维和树脂的界面结合力强。螺栓紧固件利用VARTM工艺，主要利用真空负压完成树脂在预制件中的流动浸渍，复合设备和工艺简单，是一种低成本的复合技术，可单次复合多个螺栓，时间短，效率高。且相对于纤维缠绕固化工艺来说，RTM与VARTM均属于闭模成型工艺，可有效减少树脂中有害气体对人体及环境造成的伤害，特别适宜制备复杂外形结构的复合材料。本实用新型的纤维原料为高性能碳纤维，所以制备的复合材料传动轴具有高强高模、可承载大扭矩、高抗剪切性、适用于大跨距场合、抗腐蚀、耐高温等众多优良特性。金属传动轴疲劳破坏是突发的，而复合材料传动轴的界面可有效阻止内部微裂纹扩展，破坏具有明显的征兆，可减小使用危险系数；相比于金属传动轴，碳纤维/树脂复合材料传动轴的疲劳强度极限最高可达拉伸强度的80％，延长了使用寿命，从长远来看，降低造价成本。此外，因碳纤维增强树脂基复合材料具有高模量，因而其具有高自振频率，纤维与树脂间界面可大幅减振，所以所述传动轴拥有较好的抗振动阻尼性能；碳纤维复合材料传动轴在传递扭矩的过程中的扭曲率仅为铸钢传动轴的一半左右，低扭曲率的传动轴可减少动力传输过程中的振动和摩擦力，减少传动轴的损伤。

(3)万向节与轴管连接稳定性强。本实用新型采用滑动花键连接与复合材料螺栓连接相结合的方式，可实现金属万向节与轴管的稳定连接。螺栓紧固件为三维编织复合材料，其相比于金属紧固件具有更强的力学性能。轴管螺纹孔与滑动花键槽均为编织成型，使得连接部位具有高抗变形与韧性，减少应力集中现象，实现传动轴整体性能优良。

附图说明

图1是本实用新型的高性能纤维增强编织复合材料传动轴较佳实施例的部分立体结构示意图；

图2是滑动花键轴立体结构图；

图3是滑动花键轴正视图；

图4是滑动花键轴A-A方向剖面图；

图5是带有伸缩套的金属万向节立体结构图；

图6是带有伸缩套的金属万向节正视图；

图7是带有伸缩套的金属万向节俯视图；

图8是带有伸缩套的金属万向节B-B方向剖面图；

图9是三维编织复合材料轴管；

图10是三维编织复合材料螺栓紧固件；

附图中各部件的标记如下：1、轴管螺栓孔；2、三维编织复合材料轴管；3、三维编织复合材料螺栓紧固件；4、滑动花键轴螺栓孔；5、三维编织复合材料轴管滑动花键槽；6、滑动花键；7、滑动花键轴；8、伸缩套；9、金属万向节；10、伸缩套滑动花键槽。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1～10所示，一种高性能纤维增强编织复合材料传动轴，该传动轴包括三维编织复合材料轴管2和两个分别通过滑动花键轴7安装在所述三维编织复合材料轴管2两端的带有伸缩套8的金属万向节9，两个所述滑动花键轴7的一端通过花键连接和螺栓紧固两种连接方式分别固连在所述三维编织复合材料轴管2的两端，两个所述滑动花键轴7的另一端与所述金属万向节9的伸缩套8花键连接。作为一种优选技术方案，所述三维编织复合材料轴管2的各处壁厚相同且两端内壁分别设有4～8个滑动花键槽5，每两个相邻的滑动花键槽5之间设有2个螺栓孔1；两个所述滑动花键轴7的一端分别设有与所述三维编织复合材料轴管2相配合的滑动花键6以及螺栓孔4；两个所述滑动花键轴7的一端通过滑动花键6分别插入三维编织复合材料轴管2的两端，将所述三维编织复合材料轴管2与所述滑动花键轴7的螺栓孔对齐并采用三维编织复合材料螺栓紧固件3进行机械连接；所述三维编织复合材料轴管2和所述滑动花键轴7的一端采用滑动花键连接和螺栓紧固两种连接方式。

所述金属万向节9的伸缩套8内壁设有4～8个滑动花键槽10，所述滑动花键轴7的另一端设有与所述金属万向节9的伸缩套8相配合的滑动花键6；所述滑动花键轴7的另一端通过滑动花键6插入所述金属万向节9的伸缩套8内。

所述滑动花键轴7的最大外径与所述三维编织复合材料轴管2的内径相同或比所述三维编织复合材料轴管2的内径小0.1～0.2mm。

所述的三维编织复合材料轴管2采用三维多向编织结构，所述的三维多向编织结构为三维四向、三维五向或三维六向编织结构。所述三维编织复合材料轴管2上的螺栓孔1是在轴管预制件的编织过程中，采用与轴管规格相适应的金属螺栓紧固件在设计的位置进行透壁预埋，进而通过三维编织加减纱技术一次成型的通孔；所述三维编织复合材料轴管2上的滑动花键槽5是通过三维编织技术编织而成，非后加工切削形成。所述三维编织复合材料轴管2与所述三维编织复合材料螺栓紧固件3的编织纤维材料均为高性能纤维，所述的高性能纤维为T300或T700碳纤维，纤维束截面根数为3k～12k，可根据使用场合进行选择。所述三维编织复合材料轴管2与所述三维编织复合材料螺栓紧固件3所用基体材料为环氧树脂。所述三维编织复合材料轴管2与三维编织复合材料螺栓紧固件3的纤维体积含量在35％～60％。

本实用新型所述的高性能纤维增强编织复合材料传动轴采用以下方法制备：(1)采用高性能碳纤维，通过三维多向编织结合预埋以及加减纱工艺，编织出含有螺栓孔和内滑动花键槽的三维编织复合材料轴管预制体；(2)采用高性能碳纤维，采用四步法圆型与斜交三向三维编织技术制作与步骤(1)中三维编织复合材料轴管的螺栓孔尺寸相匹配的三维编织复合材料螺栓紧固件预制体；(3)分别采用RTM工艺与VARTM对步骤(1)与步骤(2)中的三维编织复合材料轴管与三维编织复合材料螺栓紧固件进行环氧树脂注入、加热固化成型；成型后的编织复合材料轴管和螺栓紧固件分别如图9、10所示；(4)对高强度钢进行切削，制备与三维编织复合材料轴管和金属万向节的伸缩套相配套的滑动花键轴，以及含有伸缩套的金属万向节，如图2～8所示；(5)将带有螺栓孔的滑动花键轴的一端通过滑动花键插入三维编织复合材料轴管的两端，同时保证轴管与滑动花键轴上的螺纹孔对齐，采用三维编织复合材料螺栓紧固件进行机械连接；(6)将滑动花键轴的另一端插入金属万向节的伸缩套中；将带有伸缩套的金属万向节通过滑动花键槽与滑动花键轴进行装配组合，如图1所示。

上述制备方法的详细工艺过程为：

第一，三维编织复合材料轴管的制备：采用T700-12k高强碳纤维作为轴管预制体的原料，经三维五向圆形编织工艺以及预埋空方法结合减纱工艺完成含有4个内滑动花键槽和8个螺栓孔轴管预制体的制备，再采用RTM工艺进行复合，加热固化采用70℃2h/80℃3h/90℃5h阶梯式升温工艺在大型烘箱内完成，碳纤维体积含量为50％。

第二，三维编织复合材料螺栓紧固件的制备：采用T700-12k高强碳纤维作为螺栓紧固件预制体的原料，三维四向圆形编织工艺与斜交三向方法制备螺栓紧固件预制体的制备，利用VARTM复合工艺结合70℃2h/80℃3h/90℃5h阶梯式升温工艺完成螺栓的制备，其中VARTM真空度控制在0.95～1个大气压，碳纤维体积含量为55％。

第三，滑动花键轴及带有伸缩套的金属万向节的制备：滑动花键轴与带有伸缩套的金属万向节原料为高强度45#钢，经过数控切割技术完成与与三维编织复合材料轴管和金属万向节的伸缩套相配套的滑动花键轴以及含有伸缩套的金属万向节的制备。

第四，将以上零件进行组装：将带有螺栓孔的滑动花键轴的一端通过滑动花键插入三维编织复合材料轴管的两端，同时保证轴管与滑动花键轴上的螺纹孔对齐，采用三维编织复合材料螺栓紧固件进行机械连接；将滑动花键轴的另一端插入金属万向节的伸缩套中；将带有伸缩套的金属万向节通过滑动花键槽与滑动花键轴进行装配组合；完成整个复合材料传动轴的制备。

经过验证，本实例的高性能编织复合材料传动轴相比于同规格尺寸的金属传动轴，减重效果达30％，抗扭性能提高了40％，强度提升50％，刚度提升60％，满足了大扭矩要求的服役环境。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种高性能编织复合材料传动轴，其特征在于，该传动轴包括三维编织复合材料轴管和两个分别通过滑动花键轴安装在所述三维编织复合材料轴管两端的带有伸缩套的金属万向节，两个所述滑动花键轴的一端通过花键连接和螺栓紧固两种连接方式分别固连在所述三维编织复合材料轴管的两端，两个所述滑动花键轴的另一端与所述金属万向节的伸缩套花键连接；

所述三维编织复合材料轴管的各处壁厚相同且两端内壁分别设有多个滑动花键槽，每两个相邻的滑动花键槽之间设有至少一个螺栓孔；两个所述滑动花键轴的一端分别设有与所述三维编织复合材料轴管相配合的滑动花键以及螺栓孔；两个所述滑动花键轴的一端通过滑动花键分别插入三维编织复合材料轴管的两端，将所述三维编织复合材料轴管与所述滑动花键轴的螺栓孔对齐并采用三维编织复合材料螺栓紧固件进行机械连接；

所述金属万向节的伸缩套内壁设有多个滑动花键槽，所述滑动花键轴的另一端设有与所述金属万向节的伸缩套相配合的滑动花键；所述滑动花键轴的另一端通过滑动花键插入所述金属万向节的伸缩套。

2.根据权利要求1所述的高性能编织复合材料传动轴，其特征在于，所述滑动花键轴的最大外径与所述三维编织复合材料轴管的内径相同或比所述三维编织复合材料轴管的内径小0.1～0.2mm。

3.根据权利要求1所述的高性能编织复合材料传动轴，其特征在于，所述三维编织复合材料轴管的滑动花键槽的数量为4~8个，每两个相邻的滑动花键槽之间设有的螺栓孔数量为1~5个；所述金属万向节的伸缩套的滑动花键槽的数量分别为4~8个。

4.根据权利要求1~3中任一所述的高性能编织复合材料传动轴，其特征在于，所述的三维编织复合材料轴管采用三维多向编织结构，所述的三维多向编织结构为三维四向、三维五向或三维六向编织结构。

5.根据权利要求1所述的高性能编织复合材料传动轴，其特征在于，所述三维编织复合材料轴管与所述三维编织复合材料螺栓紧固件的编织纤维材料均为高性能纤维，所述的高性能纤维为T300或T700碳纤维，纤维束截面根数为3k～12k。

6.根据权利要求5所述的高性能编织复合材料传动轴，其特征在于，所述三维编织复合材料轴管与所述三维编织复合材料螺栓紧固件所用基体材料为环氧树脂。

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