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汽车用复合材料驱动轴的设计与分析
摘要：本文研究了纤维取向角和堆积顺序对复合材料传动轴扭转刚度、固有频率和屈曲强度的影响。驱动轴的减重对车辆的总体减重有一定的作用，这也是是一个非常理想的目标。由于复合材料具有比刚度和比强度高的特点，用复合材料取代传统的金属结构有许多优点。石墨、碳、芳纶、玻璃纤维等先进复合材料具有高比强度、高比模量等优点，应用广泛。汽车工业正在开发复合材料技术用于结构部件的制造，试图在不降低车辆功能质量和可靠性的前提下减轻重量。众所周知，节能是汽车设计中最重要的目标之一，而减轻重量是获得这一结果的最有效措施之一。实际上，车辆的重量与其油耗之间几乎成正比，尤其是在城市驾驶中。本文试图评价复合材料在汽车变速器应用中的适用性。利用ANSYS软件对高强度碳纤维、高模量碳纤维、芳纶和环氧树脂复合材料形成的复合材料驱动轴进行了优化分析，目的是使轴在扭矩传递、拉伸和屈曲强度等约束条件下的重量最小化。本文分析了印度轿车用复合材料驱动轴，认为采用复合材料驱动轴时，应力较小，同时减轻了轴的重量。
关键词：传动轴；复合材料；减重；ANSYS。
- 引言
传动轴是将驱动力传递给车轮的旋转轴。传动轴必须通过变速器和车轴之间不断变化的角度进行操作。优质钢（SM45钢）是一种常用的建筑材料。通过减小惯性质量可以改善动力传递。在金属轴的设计中，已知材料的扭矩和许用剪应力，可以确定轴的截面尺寸。目前汽车对轻量化材料的要求很高。先进的复合材料可以替代传统的钢材。复合材料以其较高的比强度和比刚度，在汽车设计中受到大多数科学家的青睐。复合材料可以有效地满足设计要求的强度、刚度并且在强度相近时，复合传动轴重量比钢或铝轻。此外，复合材料通常具有较低的弹性模量。因此，当传动系出现扭矩峰值时，传动轴可以充当减震器，并降低传动系部分的应力，从而延长使用寿命。许多学者对混合动力传动轴及其与万向节叉的连接方法进行了研究。但本项目从多个方面对设计进行了分析。
复合材料通常用于要求高机械性能的结构中。它们的高强度重量比和高刚度重量比促进了轻型结构的发展，这种结构经常取代传统的金属结构。工程设计领域的快速技术进步导致了传统材料的替代解决方案。设计工程师们终于找到了比传统材料更可靠的材料。传动轴在许多应用中被用作动力传动管，包括冷却塔、泵组、航空航天、卡车和汽车。驱动轴通常由实心或空心钢管或铝制成。超过70%的单件或两件式差速器是由多个传动轴组成的，这导致传动轴的重量相当重。复合传动轴从1988年开始在汽车上大量使用。
石墨/碳/玻璃纤维/铝传动轴管的开发是作为行业对轻型卡车、厢式货车和高性能汽车有了更高性能和效率的需求的直接相应。导致这一现象的主要原因是传动轴重量明显减轻，结果表明，复合材料主传动轴的质量约为2.7kg，而钢传动轴的质量约为10kg。近几十年来，复合材料驱动轴在赛车中的应用受到了极大的关注。当一个钢制驱动轴断裂时，它的部件会像球一样被抛向各个方向，也有可能出现驱动轴在地面上打了个洞，把汽车抛向空中的情况。但当一个复合材料驱动轴断裂时，它被分成细纤维，对驾驶员没有任何危险。为了研究不同材料和不同层位的复合材料驱动轴的优化设计和分析，人们进行了大量的研究。
M、 A.Badie，E.Mahdi，A.M.S.Hamouda研究了纤维取向角和铺层顺序对复合管扭转刚度、固有频率、屈曲强度、疲劳寿命和失效模式的影响。通过这项研究，他们发现临界屈曲扭矩在90⁰处有一个峰值，在20⁰–40⁰的范围内最低，当混合层或所有层中的一个或两个层的角度。纤维取向角为plusmn;45⁰的复合管具有较高的承载能力和抗扭刚度。纤维必须定向在0⁰处，以通过增加轴纵向的弹性模量来增加固有频率。结构[0⁰，0⁰，90⁰，0⁰]产生最高的固有频率。所有模型的临界速度都是相同的，当所有层的光纤取向在38°–90°。堆叠顺序对固有频率没有影响，由于弹性体动力平衡方程的矩阵形式只包含刚度矩阵和质量矩阵，当无阻尼和外力作用时，最大屈曲强度的最佳纤维取向角为90⁰。在这个角度下，环向纤维的模量Ex在0⁰纤维取向角处有最大值，而模量Eh在90⁰角处有最大值。因为屈曲扭矩的表达式与两个模量有关，那么当纤维取向为0°和90°时，该扭矩的峰值就实现了。在进行疲劳设计时，plusmn;45⁰纤维方向的层必须彼此靠近，且靠近内表面的位置不得暴露在外表面。45⁰纤维取向的静态破坏力矩大于90⁰。弯曲固有频率随纤维取向角的减小而增大。减小角度会增加轴向的模量。由于不施加荷载，层堆叠顺序对固有频率没有影响。纤维取向角对屈曲力矩有影响。叠层顺序对屈曲力矩有很大影响。堆码顺序对疲劳抗力有影响。最佳堆叠方式是将plusmn;45⁰纤维取向角的层放置在一起，并远离扭矩管的内表面。此外，交叉铺层结构必须位于暴露在外的位置，并且在外表面位置处有一层90⁰层。碳纤维在提高扭转刚度方面比玻璃纤维有更大的作用 。纤维取向角45⁰对提高扭转刚度效果最好。含有织物纤维的层压板放置在plusmn;45⁰处时，无论材料是什么，都会发生突然失效。另一方面，90⁰/0⁰的堆垛经历了一个渐进的破坏过程。碳纤维/环氧树脂形成的复合材料管的断裂应变比玻璃/环氧管高[1]。
A.R.Abu Talib，Aidy Ali，Mohamed A.Badie，Nur Azida Che Lah，A.F.Golestaneh研究了碳/玻璃纤维增强环氧复合材料汽车驱动轴。他们发现，将碳纤维缠绕角度从0⁰改为90⁰时，轴的固有频率损失为44.5%，而从最佳堆叠顺序改为最差堆叠顺序时，驱动轴的屈曲强度损失为46.07%。最大屈曲强度的最佳纤维取向角为90°。自然频率在0⁰处最大，并且随着纤维角度向90⁰移动而减小[2]。
Shaw D，Simitses DJ，Sheinman I研究了层合圆柱壳在扭转和轴压作用下的缺陷敏感性。他们发现，与非线性分析相比，线性分析被认为是令人满意的，因为受扭转的圆柱壳对缺陷不太敏感[3]。
H.B.H.Gubran对混合轴的动力学进行了研究，他发现，根据金属的E1/q比和复合材料的纤维角，混合轴的固有频率可以最佳地放置[4]。
Ercan Sevkat，Hikmet Tumer，研究了冲击载荷下复合材料轴的残余扭转特性，他们发现，碳纤维增强复合材料轴的抗冲击性能最高；玻璃纤维增强复合材料轴的抗冲击性能最低。混杂复合材料轴的阻力介于玻璃和碳之间[5]。
H.Bayrakceken，S.Tasgetiren，I.Yavuz研究了车辆动力传动系统的两个故障案例：万向节叉和驱动轴，他们得出的结论是，故障是疲劳过程造成的[6]。
R.Srinivasa Moorthy，Yonas Mitikuamp;K.Sridhar研究了碳/环氧和芳纶/环氧复合材料在汽车传动轴设计中的应用。他们发现，与传统的SM45C钢传动轴相比，使用碳/环氧树脂可节省89.756%的质量，而使用芳纶/环氧树脂可节省72.53%。显然，碳/环氧树脂所需的层数为14层，壁厚为1.82mm，而芳纶/环氧树脂为44层，壁厚为5.72mm。此外，扭转屈曲能力和弯曲固有频率足以满足碳/环氧传动轴的设计要求[7]。
Harshal Bankar，Viraj Shinde，P.Baskar研究了复合材料驱动轴的材料优化和减重问题。他们发现，对于较小的铺层角度，X方向的杨氏模量较高，并且在25度以上突然下降。但在Y方向不变的情况下，在较低的铺层角度突然增加到70度以上，并且在30到70度之间，铺层的剪切模量有最大值。轴同时承受法向和剪切两种载荷。为了优化这两个条件，需要为杨氏模量和剪切模量选择相等的铺层角。轴重量的减少增加了弯曲的第1模态频率；因此复合轴可用于比钢更高的频率[8]。
Ali S. Hammood, Muhannad Al-Waily, Ali Abd.Kamaz研究了纤维取向对玻璃纤维增强环氧复合材料疲劳性能的影响，发现复合材料的弹性模量（强度）降低，疲劳强度随纤维取向角的增大而降低。疲劳循环次数随纤维取向角的增大而减小，纤维取向角最大（0⁰），纤维取向角最小（90⁰）。复合材料的疲劳强度和疲劳循环次数随纤维取向角的增大而减小，随复合材料强度的增大而增大，随复合材料强度的降低而减小。对于纤维方向的斜向载荷，复合材料的表面疲劳与纤维方向平行；对于单向纤维，表面疲劳与纤维方向垂直[9]。
Ban. Bakir and Haithem . Hashem研究了玻璃纤维增强复合材料的纤维取向对力学性能的影响，发现不同取向的纤维对材料硬度的影响最大，在非连续纤维试样中，取向为90°、取向为0°，在45°方向上，冲击强度在90°及以上方向上最小，在45°方向上保持不变。可以观察到，90°纤维取向角的玻璃纤维/环氧复合材料试件的裂纹沿垂直于外荷载作用方向扩展，而0°纤维取向角的玻璃纤维/环氧复合材料试件的裂纹沿不同方向扩展[10]。
B Stanly Jones Retnam，M Sivapragash和P Pradeep研究了纤维取向对混杂竹纤维/玻璃纤维聚合物复合材料力学性能的影响。结果表明，plusmn;45⁰取向的混杂试样的拉伸强度为92.26 N/mm~2，弯曲强度为387.725 N/mm~2，高于其他试样。具有plusmn;45⁰取向的混杂试样的抗弯强度为387.725n/m2，冲击强度为87kj/m2，高于其它试样。硬度试验表明，0⁰/90⁰取向的混杂试样的硬度值为62.3HR。plusmn;45⁰方向有助于提高复合材料的机械性能[11]。
K、 Vasantha Kumar，Dr.P.Ram Reddy，Dr.D.V.Ravi Shankar研究了角铺设方向对双向机织玻璃/环氧复合材料层合板拉伸性能的影响，他们得出结论：在相同的载荷、尺寸和形状下，与其他方向相比，0⁰纤维取向的玻璃/环氧复合材料层合板具有较高的强度此外，0⁰取向的玻璃/环氧树脂比其他取向的玻璃/环氧树脂具有更高的强度、刚度和承载能力[12]。
R、 Sino，T.N.Baranger，E.Chatelet，G.Jacquet研究了旋转复合材料轴的动态分析，他们得出结论：纤维取向越接近90⁰，内部阻尼越大，失稳越快。等效刚度随铺层角度的变化而减小，而阻尼等效刚度则增加[13]。
D.G. Lee, N.P. Suh.把复合材料结构的设计和制造进行了公理化：在机器人、机床和汽车中的应用他们得出的结论是，由于60%的纤维体积分数是大多数行业的标准纤维体积分数，因此它被选为复合材料驱动轴。[14]。
N、 Rastogi对汽车用复合材料驱动轴的设计进行了研究，他得出结论，在各种层压结构中，[plusmn;45]层压具有最高的剪切模量，是纯扭转应用中使用的主要层压结构类型[15]。
Mr. V.l.Narayana1 Mr. D.Mojeswararao Mr. M.N.V.R.L.Kumar研究了复合材料驱动轴总成与传统钢驱动轴相比的材料优化问题。他们的结论是，碳/环氧复合材料可以替代传统材料，如结构钢。因此，驱动轴中产生的重量和应力可以显著降低[16]。
M、 Arun，K.Somasundara Vinoth研究了轻型车辆用铝/玻璃纤维复合材料驱动轴的设计和开发，他们得出结论：增加复合材料层数将提高铝/复合材料混合驱动轴的疲劳强度。增加层数可以提高[ 45/-45]层压板的最大静扭转约66%[17]。
Madhu K.S.，Darshan B.H.Manjunath K研究了汽车用复合材料驱动轴的屈曲分析。他们发现，芳纶/环氧树脂和HM碳/环氧树脂轴具有良好的抗剪强度和弯曲固有频率，从振动角度来看是优秀的[18]。
Amol S.BhanageȦ、Vijay B.PatilȦ和Rajat S.PatilȦ对汽车驱动轴进行了有限元模拟，他们发现，驱动轴在沿环向弯曲刚度时发生屈曲，无法承受施加的扭转载荷。堆垛顺序对屈曲强度的影响表明，最佳堆垛顺序为[45°/-45°/0°/90°]，弯曲刚度正常，最差堆垛顺序为[0°/90°/45°/45°][19]。
- 建模
驱动轴在ANSYS中考虑了以下假设。假设轴绕其纵轴以恒定速度旋转。轴具有均匀的圆形截面。轴是完全平衡的，所有的阻尼和非线性影响都被排除在外。复合材料的应力应变关系是线性和弹性的，因此，胡克定律适用于复合材料。由于层合板很薄，且不施加平面外载荷，故将其视为在平面应力作用下。采用高强度碳纤维、高模量碳纤维和芳纶纤维作为增强体，以单向织物和环氧树脂为基体，添加催化剂作为复合材料的基体。
材料特性如下表所示：
表2-1
- 铺层取向类型
对纤维增强复合材料性能的影响在文献综述的基础上，列举了主要铺层取向类型的具体特点。
- 零度定向
零度定向具有以下特性，可以作为复合材料应用的较好选择。
- 优越的固有频率值
- 优越的冲击强度
它必须面向内层和外层，以增加固有频率
- 45度方向
该方向对复合材料轴的以下特性有影响。从另一个方向看可能更好
- 优越的抗剪强度
- 卓越的疲劳强度 <li
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