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原文传递碳纤维复合材料汽车传动轴设计及动态性能研究

论文题名：	碳纤维复合材料汽车传动轴设计及动态性能研究
关键词：	汽车传动轴;结构设计;碳纤维复合材料;临界转速;动态性能
摘要：	为了满足汽车轻量化的需求，复合材料在汽车领域的应用越来越多，其中一个重要的应用对象便是汽车传动轴。对于发动机前置后驱型汽车，在轴距较长时，为了保证传动轴在高速运行时不发生共振，金属传动轴一般分为两段，中间设有支承装置，不仅增加了结构重量，也会产生额外噪音。　　碳纤维的密度是钢材的1/4，拉伸强度却是钢材的9倍，因此，碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）汽车传动轴比钢制或铝制传动轴有更大的承扭能力，又由于碳纤维复合材料的比模量是钢或者铝的4倍，CFRP传动轴的固有频率能够达到钢或者铝制轴的两倍，因此有可能将汽车传动轴制成一段，消除两段钢轴间的所有连接装置，从而减轻轴的重量、减小传动轴的振动、降低传动系统的制造成本、减少燃料的耗损。　　然而，碳纤维复合材料的剪切模量很低，虽然通过铺层设计可提高剪切模量以满足传动轴扭转刚度的要求，但另一方面会降低其弯曲刚度，导致其固有频率的降低，从而达不到临界转速要求。目前，关于CFRP传动轴的设计方法仅仅能保证扭转强度的要求，没有一种系统的方法，从理论上快速解决传动轴的设计问题。　　本文从汽车传动轴的性能指标出发，根据传动轴受力特性，指出碳纤维复合材料汽车传动轴在设计时应考虑的主要参数及与一般金属传动轴在设计上的区别，然后通过经典层合板理论，对碳纤维复合材料层合管进行分析，阐述了[0/±45/90]s层合结构面内刚度参数和扭转剪切强度的计算方法，最后结合实际缠绕工艺，给出了合理的缠绕角度及[±15/±45]层合管的材料参数与相应铺层比例之间的关系，并列出了求解表达式。建立CFRP传动轴各项性能指标：扭转强度、扭转刚度、临界转速、扭转屈曲强度与铺层比例之间的关系，并通过设计铺层比例来设计传动轴，打破传统多变量如铺层厚度、铺层角度等定性设计方法，采用该方法可减少产品设计周期，提高产品设计效率。本文利用该方法设计的传动轴，屈服扭矩达到2700Nm，扭转疲劳强度超过20万次，静态性能均满足要求。　　为了研究传动轴的动态性能，在Abaqus中对碳纤维轴管进行了模态分析，获得了不同支承方式下碳纤维管的固有频率，结果表明，各种支承方式下的固有频率随±45°铺层比例变化趋势一致，两端简支支承方式下的固有频率仿真数据与简支梁模型理论计算值十分相近，验证了文中给出计算公式的正确性。在考虑金属端之后，不同支承方式下，其固有频率有不同的变化，两端自由及两端固支支承方式下固有频率明显降低，均由303.37Hz降低到181.47Hz，两端简定支承方式下固有频率无明显变化。研究表明在设计传动轴临界转速时，以支承位置间距离作为长度相比以万向节中心距作为长度计算要更准确。　　最后对含万向节叉的CFRP传动轴试验件进行了自由模态实验，对传动轴总成进行了临界转速实验。结果表明，含万向节叉的CFRP传动轴试验件自由模态下，一阶弯曲固有频率仿真和实验结果分别为181.47Hz和170Hz，误差为6.32％；传动轴总成在约束模态下，一阶弯曲固有频率仿真和实验结果分别为102.11Hz和51.1Hz，误差较大，分析了仿真结果与实验结果产生偏差的原因。
作者：	张伟明
专业：	机械工程
导师：	胡业发
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文