碳纖維傳動軸設計制造與檢測理論及技術研究.pdf

1、傳動軸是機械裝備中用于傳遞扭矩的關鍵部件，在許多領域得到廣泛應用。機械裝備的快速發(fā)展對傳動軸提出了越來越高的要求，而金屬材料傳動軸由于其自身的局限性，約束了傳動軸性能的提升。解決此問題的主要途徑之一是采用復合材料取代金屬材料制備高性能傳動軸。碳纖維復合材料具有輕質高強、熱膨脹系數小、吸振性能好等優(yōu)點，采用碳纖維復合材料制備的傳動軸具有質量輕、強度高、尺寸穩(wěn)定性高、傳動效率和傳動精度高等一系列獨特優(yōu)勢。本文重點對碳纖維復合材料傳動軸的結構

2、設計、制造工藝和性能試驗展開研究，主要研究內容如下：
　　在碳纖維復合材料傳動軸設計理論和技術方面，將碳纖維復合材料傳動軸歸類為纖維增強復合材料圓柱殼結構，針對碳纖維復合材料傳動軸結構設計中的兩大核心問題，即力學性能和失效準則，在復合材料結構力學的層面上探討了復合材料圓柱疊層殼的基礎力學問題，為后續(xù)碳纖維復合材料傳動軸的設計奠定基礎。以碳纖維復合材料電機傳動軸為例，根據該軸的設計要求選取T300/5208碳纖維復合材料作為傳動軸的

3、主要材料，通過對比分析，確定傳動軸的結構形式；再根據傳動軸的鋪層原則輔以有限元仿真分析，確定了傳動軸軸管的鋪層方案；最后根據傳動軸的載荷條件和使用環(huán)境，確定了膠接形式、膠層厚度、膠接長度等膠接工藝參數等；通過該碳纖維復合材料電機傳動軸的結構設計，提出并建立了一般碳纖維復合材料傳動軸結構設計的基本原則和設計方法。
　　在碳纖維復合材料傳動軸的制備中，研究并探討了碳纖維軸管的成型方法，提出了碳纖維軸管的成型工藝和具體工序；確定了碳纖維

4、軸管與金屬法蘭的膠接工藝。通過深入研究，發(fā)現了在碳纖維復合材料軸管制備過程中，合理選擇工藝參數是充分發(fā)揮原料的特性，制造高質量纏繞制品的重要環(huán)節(jié)。在碳纖維復合材料傳動軸的靜力學測試中，分別進行了傳動軸的靜扭試驗和疲勞試驗，結果表明：制備的碳纖維復合材料傳動軸試件在5492Nm扭矩的載荷下仍未失效，大于傳動軸的最大扭矩5155.2Nm；傳動軸扭轉疲勞次數高于18萬次，滿足扭轉疲勞要求，為傳動軸的制備提供了有效依據。
　　對碳纖維復合

5、材料傳動軸進行了動力學仿真與試驗。首先采用有限元方法計算出傳動軸的模態(tài)參數，然后通過復合材料傳動軸的模態(tài)實驗對有限元仿真結果進行驗證，其中分別對碳纖維復合材料軸管和碳纖維復合材料傳動軸進行有限元模態(tài)分析，研究結果表明：考慮金屬端后，整個傳動軸的三階固有頻率依次下降52.52％，31.52%和26.38%，表明金屬端對碳纖維復合材料傳動軸的固有頻率有很大影響。在模態(tài)試驗中，構建了傳動軸的模態(tài)試驗平臺，采用錘擊法測量傳動軸的固有頻率和振型，

6、模態(tài)測試結果與考慮金屬端的仿真結果基本一致，通過實驗研究，驗證了碳纖維復合材料傳動軸的模態(tài)有限元仿真以及金屬端對碳纖維復合材料傳動軸的固有頻率有很大影響的假設。進而提出了采用仿真分析與模態(tài)試驗兩種方法相結合的動力學實驗與分析思路，證明了在碳纖維復合材料傳動軸設計與制造的研究過程中，其動力學分析不可忽略且十分重要。
　　利用光纖光柵傳感器對碳纖維復合材料軸管進行了固化監(jiān)測。通過手工鋪層和熱壓固化的方法制備了碳纖維復合材料軸管試件，在

7、碳纖維復合材料軸管的鋪層中部埋入溫度補償光柵和測量溫度及應變的光柵，在碳纖維復合材料軸管固化過程中在線監(jiān)測了軸管內部的溫度和應變，通過溫度補償得到了內部熱應變，在軸管完全冷卻后，通過光纖光柵傳感器測得碳纖維復合材料軸管的熱殘余應變?yōu)?05με，表明固化結束后碳纖維復合材料軸管內部存在一定的熱殘余應變，可能成為碳纖維復合材料軸管在后續(xù)服役過程中產生裂紋、脫層等損傷的隱患。結果表明，在手工鋪層的碳纖維復合材料軸管中埋入光纖光柵傳感器的工藝是