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原文传递汽车碳纤维复合材料混合传动轴设计

论文题名：	汽车碳纤维复合材料混合传动轴设计
关键词：	碳纤维复合材料;混合传动轴;固有频率;齿纹式连接;汽车传动系统
摘要：	碳纤维复合材料具有强度高、质量轻、各向异性等特点。在汽车行业，碳纤维材料常常被用来制造车身表面覆盖件，用来取代传统的金属钣金件；或者被用来制造形状复杂的空气动力组件，改善汽车的动力性、操控性等。随着汽车轻量化的发展趋势，如何在提高汽车性能的同时降低汽车重量，已经成为各大汽车厂商最关心的问题。传统后驱乘用车或四驱乘用车，其主传动轴材料通常是钢铁。由于钢的材料属性限制，较长钢制传动轴的弯曲固有频率一般小于150Hz，不能满足车辆高速行驶时的要求，所以必须采用两段式传动轴，两段轴之间用万向节连接并用支架固定在车身上。这使得传统的钢制传动轴结构复杂自重大，使用较长时间后，万向节也会磨损，发出异响和振动。为了解决这些问题，工程师们一直在尝试各种方法。轻质铝合金材料和碳纤维复合材料的结合使用，可以制造符合使用要求的一段式轻质汽车传动轴，为解决上述问题提供了一种新的途径。　　本文设计了一种碳纤维复合材料混合传动轴。轴的外层为铝合金T6061-T6，主要用来承担传递扭矩的功能并且可以保护内部的碳纤维材料；内层为碳纤维材料URN300，主要用来提高混合轴的固有频率；在铝合金和碳纤维层之间使用玻璃纤维材料 GEP215，可以有效减小铝轴和碳纤维层之间的残余热应力，保护碳纤维铺层不易损坏。　　本文主要研究碳纤维复合材料混合传动轴的静力学性能和固有频率特性，设计传动轴与万向节的连接方式。在分析混合轴的静力学性能时，首先根据性能要求确定轴的具体尺寸，然后利用ANSYS Workbench和ACP模块分析混合传动轴的最大切应力、最大切应变等参数，同时分析同尺寸纯铝轴的这些参数作为对比分析的参照物。利用弯扭组合实验台和应变仪做实验，测量纯铝轴的最大切应变，对比分析实验结果和仿真结果，可以判定混合传动轴力学性能是否满足要求。第二部分内容是分析轴的固有频率特性，用有限元仿真分析混合轴和同尺寸纯铝轴的固有频率特性和前几阶模态的振型，得出两种轴的固有频率关系。第三部分内容是设计传动轴与万向节的连接方式。为了避免在轴上打孔，降低装配难度选择齿纹式连接。在设计时先根据理论和性能要求确定齿纹的尺寸和数量，再用仿真分析齿纹式连接的最大正应力和最大切应力，校核连接的强度。　　研究结果表明：静力学分析的实验数据与仿真数据基本一致，证实了外层铝轴承担了大部分扭矩的设想，复合材料混合轴的静力学性能满足使用要求。混合轴模态分析结果显示：当碳纤维铺层的铺设角度为0°时，相对于纯铝轴，混合轴的固有频率提高了44％，达到328Hz；而铺设多层碳纤维不能明显提高轴的固有频率。齿纹式连接分析结果表明：当齿纹长度为60mm，深度为1mm，齿宽为6.4mm，齿纹数量为20时可满足使用要求，并且加工难度不大。　　本研究为碳纤维复合材料混合传动轴的设计和制造提供了相关依据，设计的复合材料混合传动轴的重量较钢制传动轴下降40%，对简化汽车传动系统的结构，降低汽车重量有积极的意义。
作者：	皮云晗
专业：	机械工程
导师：	王高平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉工程大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文