傳動軸發(fā)展.doc

傳動軸發(fā)展一 背景汽車是最普通的代步、運輸工具，許多國家均將汽車工業(yè)作為其重要的支柱產(chǎn)業(yè)。面對資源和環(huán)境的嚴峻挑戰(zhàn)，推進汽車輕量化以降低油耗，一直是汽車工業(yè)發(fā)展的主題。復合材料因具有加工能耗低, 輕質(zhì)高強, 可設(shè)計性強, 耐銹蝕, 成型工藝性好等優(yōu)點, 成為汽車工業(yè)以塑代鋼的理想材料。汽車用材料在經(jīng)歷了通用塑料、工程塑料時代之后, 20世紀九十年代進人復合材料時期。通用汽車公司1953年生產(chǎn)的世界上第一輛復合材料汽車車身汽車Chevrolet Corvette，敲開了復合材料在汽車領(lǐng)域的應用，自推出此款車型以來通用汽車公司目前已銷售130余萬輛，此款車型采用的是玻璃纖維增強樹脂復合材料。汽車復合材料的應用主要經(jīng)歷了兩個時期：在20世紀70年代開始，由于SMC材料的成功開發(fā)和機械化模壓技術(shù)以及模內(nèi)涂層技術(shù)的應用，促使玻璃鋼/復合材料在汽車應用的年增長速度達到25，形成汽車玻璃鋼制品發(fā)展的第一個快速發(fā)展時期；到20年代90年代初，隨著環(huán)保和輕量化、節(jié)能等呼聲越來越高，以GMT（玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料）、LFT（長纖維增強熱塑性復合材料）為代表的復合材料得到了迅猛發(fā)展，主要用于汽車結(jié)構(gòu)部件的制造，年增長速度達到1015，掀起第二個快速發(fā)展時期。作為新材料前沿的復合材料逐步替代汽車零部件中的金屬產(chǎn)品和其它傳統(tǒng)材料，并取得更加經(jīng)濟和安全的效果。據(jù)統(tǒng)計，汽車用復合材料已占全球復合材料總量的23%以上，并且成逐步上升的趨勢。美國、日本、歐洲的德國，意大利等發(fā)達國家是車用復合材料的主要國家，全球汽車用增強塑料制品的市場規(guī)模為每年454萬噸 ，其中美國達到172 萬噸，歐洲達到136萬噸。目前，德國每輛汽車平均使用的纖維增強塑料制品近300kg，占汽車總消費材料的22%左右，日本每輛汽車平均使用的纖維增強塑料制品達100kg，約占汽車材料消費總量的7.5%。其汽車用復合材料部件制造的整體技術(shù)水平高，大量采用SMC/BMC材料，采用流水線作業(yè)方式，機械化、自動化程度高，產(chǎn)品質(zhì)量好，經(jīng)濟效益高。涉及到轎車、客車、火車、拖拉機、摩托車以及運動車、農(nóng)用車等所有車種，個別車型的單車平均用量已超過200kg。采用復合材料制造的汽車零部件種類繁多，主要包括以下幾類圖1.：纖維增強樹脂復合材料已被廣泛應用于橋車、客車、卡車等的各種覆蓋件和結(jié)構(gòu)件上。主要包括以下應用，車身及車身部件：車身殼體、地板、車門、前端板、阻流板等；懸掛部件：前后保險杠、儀表板等；動力部件：傳動軸、導流罩、發(fā)動機外殼等；車內(nèi)裝飾：門內(nèi)飾板、車門把手、儀表盤等。圖1. 碳纖維復合材料在汽車上的應用圖2.復合材料在汽車上的應用碳纖維復合材料,具有高強度、高剛性, 有良好的耐蠕變和耐腐蝕性, 與其他纖維增強復合材料相比較更具有前途成為汽車輕量化材料。用碳纖維取代鋼材制造車身和底盤構(gòu)件, 可減輕質(zhì)量, 從而節(jié)約汽油消耗。碳纖維復合材料在汽車上的應用, 美國開展的最好, 美國福特公司早已采用制造汽車傳動軸、發(fā)動機罩、上下懸架臂等零部件，主要應用在結(jié)構(gòu)件和受力件上。2003年，碳纖維的SMC復合材料首先成功批量應用于2003款的Dodge Viper車型和mercedes Maybach車型的系列化生產(chǎn)中。二 汽車傳動軸發(fā)展歷程汽車傳動軸作為汽車的一個重要的運動部件，傳動軸在不同軸心的兩軸間甚至在工作過程中相對位置不斷變化的兩軸間傳遞動力，工作環(huán)境都比較惡劣。對傳動軸材料性能有著較高的要求，傳統(tǒng)的汽車傳動軸是金屬件。包括傳動軸體（一根或者多根）、萬向節(jié)（兩個或者多個）、滑動花鍵副、中間支承結(jié)構(gòu)。對于金屬傳動軸而言，當兩個萬向節(jié)的中心距離不大于1.5m時，一般采用單根傳動軸管。當距離較遠傳動軸長度超過1.5m時，通常就要采用兩根或者兩根以上傳動軸管、由三個或者三個以上的萬向節(jié)連接而成，并且要增設(shè)中間結(jié)構(gòu)件。金屬傳動軸在使用過程中要定期給其注入潤滑油，以保養(yǎng)傳動軸，而且注潤滑油又臟又累，給駕駛?cè)藛T增加負擔還浪費時間。并且金屬傳動軸在使用過程中容易磨損，引起傳動軸噪音和發(fā)動機能量損失、縮短使用壽命。為了解決磨損、潤滑等缺點，美國最先進行了傳動軸涂覆層的研發(fā)。1966年成功申請專利。此種工藝將尼龍11、尼龍12、尼龍1010粉末結(jié)合粘結(jié)劑涂覆在金屬傳動軸的表面。此種方法對傳動軸的性能及其應用有一定的改進，但在部件簡化及性能強度上的改善不大。纖維增強樹脂復合材料傳動軸的問世及發(fā)展正在逐漸解決傳統(tǒng)金屬傳動軸的缺點和完善其性能。國內(nèi)傳動軸涂敷尼龍的研究已很成熟了，河南許昌傳動軸總廠年產(chǎn)尼龍涂敷汽車傳動軸總成90萬套，其中:輕型汽車傳動軸28萬套,中型汽車傳動軸34萬套，重型汽車傳動軸28萬套。最早生產(chǎn)碳纖維復合材料的公司是美國摩里遜公司（Morrison Molded Fiber Glass）生產(chǎn)的碳纖維復合材料汽車傳動軸。其生產(chǎn)的傳動軸供通用汽車公司載重汽車應用。采用的碳纖維復合材料可以使原來的兩件合并為一件，與鋼材相比較質(zhì)量可以減輕60%，每個傳動軸減輕9Kg。該傳動軸采用卓爾泰克公司（ZOLTKE）公司的工業(yè)級48K碳纖維，年生產(chǎn)量為60萬根傳動軸，每根傳動軸消耗碳纖維0.68Kg。福特公司1984年將玻璃纖維復合材料傳動軸應用到汽車領(lǐng)域。此種材料的抗扭曲強度是傳統(tǒng)金屬材料的兩倍以上，扭矩力測試結(jié)果為17 793N遠大于安全設(shè)計值10 000N，作為受力材料玻璃纖維還要遜色于碳纖維復合材料?？紤]到碳纖維使用的成本，早期傳動軸主要采用的時玻璃纖維纖維增強樹脂或者是玻璃纖維和碳纖維混合的使用，其中碳纖維作為結(jié)構(gòu)層。GKN公司在1988年開始著手于碳纖維復合材料傳動軸的研究，傳動軸在Renault Espace Quadra 上的使用開導了碳纖維復合材料汽車傳動軸的先驅(qū)。1992年推出的Renault Safrane Quadra的傳動軸由原始的金屬三段式發(fā)展到了金屬和復合材料相連的兩節(jié)式，減重高達40%，此種傳動軸銷量較小，僅年產(chǎn)500套。在Toyota Mark II使用的碳纖維傳動軸減重大50%，性能上大大改善了NVH。Audi 80/90 Quattro 首次使用碳纖維傳動軸是在1989年，并且使用汽車汽車型號一直延續(xù)到了1998年的Audi A4/A8 Quattro，此種型號傳動軸年產(chǎn)已達30 000套。此外碳纖維汽車傳動軸在以下車型上均有使用：阿斯頓馬丁DB9，阿斯頓馬丁V8 Vantage Coupe，阿斯頓馬丁V12 Vantage，馬自達RX-8。即將上市的2011款奔馳SLS AMG歐翼，碳纖維傳動軸的使用也將成為此款車型的標配。圖2.碳纖維傳動軸使用進展汽車傳動軸的諸多性能參數(shù)但中，臨界轉(zhuǎn)速是其很重要的一個參數(shù)，當傳動軸的轉(zhuǎn)速與它的彎曲振動的固有頻率相同時，傳動軸就會發(fā)生共振使傳動軸有折斷的危險。常用的計算汽車傳動軸臨界轉(zhuǎn)速的公式如下：Nc = (C / L2) (E/ I/A)0.5上式中，Nc為汽車傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速，C為常數(shù)，L為傳動軸的長度，I為軸管連接部位力矩，A為萬向十字節(jié)的連接面積。對這些限制因素進行分析可以發(fā)現(xiàn)，傳動軸長度及連接萬向節(jié)確定的情況下，要提高傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速只能提高E/ 模量系數(shù)，對復合材料而言有高強，高模，彎曲模量可高達100Gpa。簡化的臨界轉(zhuǎn)速的計算公式：上式中：l為傳動軸的長度，Eal、Eco為鋁和碳纖維/環(huán)氧樹脂的彈性模量；qal，qco為鋁管和碳纖維鋪層的單位長度質(zhì)量。與金屬材料相比較，碳纖維復合材料有著高彈性模量，并且有較小的單位長度質(zhì)量。碳纖維復合材料傳動軸具有優(yōu)異力學性能并且具有位移補償能力，單根軸體管就能達到使用上的要求。研究表明：軸體直徑一致的情況下，汽車傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速為8000 rev/min時傳統(tǒng)金屬傳動軸的長度為1250mm，而碳纖維增強樹脂復合材料傳動軸的長度可以達到1650mm。碳纖維復合材料有望實現(xiàn)傳動軸的一體化。圖3.傳動軸長度與臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系碳纖維復合材料具有很高的比強度、比模量，實現(xiàn)汽車輕量化的同時可以達到節(jié)能省油的目的。資料表明：碳纖維復合材料傳動軸與傳統(tǒng)金屬傳動軸相比較可以至少減輕40%的質(zhì)量如示意圖4，其中包括傳動軸兩段的金屬鏈接部件。汽車普通部件質(zhì)量每減輕1%，可節(jié)油1%，類似傳動軸等運動部件則可以節(jié)油2%。纖維增強樹脂復合材料傳動軸已經(jīng)廣泛應用到汽車領(lǐng)域，并且成功的改善了傳統(tǒng)金屬汽車傳動軸的NVH（Noise, Vibration, and Harshness）性能，為汽車駕駛者提供了安靜怡人的環(huán)境。圖4.金屬傳動軸和CFRP傳動軸對比示意圖 三 成型工藝纖維增強樹脂復合材料汽車傳動軸成型技術(shù)已趨于成熟，常見的成型工藝有拉擠成型，纏繞成型，空心管軋碾成型，壓模注塑成型等成型工藝。3.1纏繞成型圖5.纏繞工藝示意圖纏繞成型是生產(chǎn)復合材料傳動軸最常用的成型工藝。纏繞成型可以精度的控制纖維的方向和軸體直徑，此成型工藝具有高度的自動化生產(chǎn)能力。GKN公司所提供的復合材料傳動軸均由纏繞工藝制備而成。纏繞成型過程中主要控制的參數(shù)有纏繞線型和纏繞角度對傳動軸性能的影響，復合材料傳動軸軸體與金屬連接部件連接的方式。針對具體的的纏繞成型工藝選舉典型的幾個實例予以說明。3.1.1纏繞線型對傳動軸體的影響：早期的復合材料傳動軸考慮增強纖維的加工成本，增強纖維主要采用玻璃纖維（彈性模量552-827GPa，E-glass、S-glass），基體采用雙酚A型環(huán)氧樹脂：Epi-Rez508，Epi-Rez 510（Celanese Coatings），Epon 828（Shell），固化劑采用酸酐類固化劑（鄰苯二甲酸酸酐，）或者胺類固化劑（間本二胺，N,N-二甲基苯胺）。其中纖維體積含量為55-70%（60%）。傳動軸長度69.5 英寸（176.53cm，1 英寸=2.54 cm），內(nèi)徑：4英寸（10.16cm），由四個纏繞層組成如圖6所示，考慮纏繞角度及每層的厚度對傳動軸的影響，US 4171626專利考察了輕微改變每纏繞層的厚度和纏繞角，采用了四種方案進行纏繞，并對比了傳動軸的基本性能指標。圖5 軸體示意圖方案一：Layer No.Thickness/ inch(cm)Fiber reinforcementFiber angle10.02 (0.051)E-glass fiber4520.074 (0.188)E-glass fiber030.014 (0.036)Carbon fiber（2206GPa）040.012 (0.030)E-glass fiber90方案二：Layer No.Thickness/ inch(cm)Fiber reinforcementFiber angle10.020 (0.051)E-glass fiber4520.070 (0.178)E-glass fiber1030.017 (0.043)Carbon fiber（2206GPa）1040.012 (0.030)E-glass fiber80方案三：Layer No.Thickness/ inch(cm)Fiber reinforcementFiber angle10.02 (0.051)E-glass fiber4520.082 (0.208)E-glass fiber030.008 (0.020)Carbon fiber（3792GPa）040.010 (0.025)E-glass fiber90方案四：Layer No.Thickness/ inch(cm)Fiber reinforcementFiber angle10.020 (0.051)E-glass fiber4520.080 (0.203)E-glass fiber1030.010 (0.025)Carbon fiber（3792GPa）1040.010 (0.025)E-glass fiber80四種方案傳動軸參數(shù)：序號總厚度（cm）總重量（kg）經(jīng)向模量(MPa)臨界轉(zhuǎn)速（RPM）方案一0.3053.35654900(81.68HZ)方案二0.3023.31644880(81.35HZ)方案三0.3053.39664895(81.59HZ)方案四0.3053.38654889(81.49HZ) 小角度纖維纏繞層主要為傳動軸提供靜態(tài)彎曲強度，大角度纖維纏繞層為了保障靜傳動軸態(tài)扭曲強度。為了避免小角度纏繞時的纖維脫落、打滑在纏繞時采用輔助部件銷釘如示意圖中的31所示。由專利文獻小角度纏繞角一般在10-45之間，大角度纏繞角度一般為75-90。 3.1.2復合材料傳動軸軸體與金屬連接部件的連接形式 齒紋式連接 連接工序分兩種情況，一種是現(xiàn)將碳纖維傳動軸軸體成型加工好之后再將其與金屬連接部件粘和連接。另外一種則是在纏繞成型過程中將金屬連接部件固定在纏繞芯模上，在纏繞過程中即可完成粘和連接。不管是兩者中的任何一種連接方式，金屬連接部件的外表面都經(jīng)過齒紋狀處理以增加連接強度的作用。（US 2003/0157988 A1）專利傳動軸軸體部位采用纏繞成型的工藝，復合材料軸體連接部位和連接部件連接部位采用齒紋連接的方式。圖7傳動軸示意圖圖8.傳動軸連接部位連接示意圖如上圖所示13為傳動軸金屬連接部件，14為金屬連接部件上的齒紋帶。齒紋帶齒紋的頂角角度為45-75（推薦使用60）。金屬連接部件齒紋帶14的外徑為70mm-75mm，齒紋頂尖厚度為0.05mm，相鄰齒紋頂尖寬度為0.9-1.8mm，齒紋高度為1.25mm，齒紋根部寬度為1.5mm,齒紋數(shù)量在145個左右。United states patent 5309620本專利中傳動軸的連接示意圖如下圖所示，3為金屬連接部件，5為金屬連接部件與復合材料軸體的連接層，6為纖維增強復合材料傳動軸軸體。Fig1-3為金屬連接部件上連接部位齒紋示意圖。齒紋尺寸高為：0.15-1mm，齒紋頂角角度為90。圖9.傳動軸連接部位的連接示意圖纏繞所用軸芯的外直徑為70.0mm，長度為1500mm（on winding Position芯模兩端各有50mm長度被高強的薄膜（厚度35微米）包裹），增強纖維為碳纖維，樹脂基體為雙酚A型環(huán)氧樹脂，固化劑為胺類固化劑（TONOX 60/40），采用此體系纏繞成型軸體部分，厚度為2.85mm，纏繞角度為16。增強纖維的體積分數(shù)為602%。玻璃纖維復合材料作為加強層纏繞在連接層部位，厚度為3mm，纏繞角度為85。將芯模放置固化爐中固化，將芯模脫模，切割兩端多余部分，最終得到長度為1100mm，內(nèi)徑為70.1mm的傳動軸。此專利中著重研究了連接部位薄膜的加入對連接強度的影響，并且討論了連接部位的長度與連接強度的關(guān)系。如下表所示，專利中數(shù)據(jù)表明薄膜的加入增強了扭矩斷裂強度，并且隨著薄膜連接長度的增加斷裂強度增加。當長度為45mm時，傳動軸軸體比連接部位先斷裂，復合材料傳動軸軸體與金屬連接部件的連接強度已非?？捎^。傳動軸連接部位性能參數(shù)：Example NoFilm Trade nameThickness（um）Joint Length（mm）Breaking Torque（N.m）Break portion1CF-T8-3535101800Joint area2CF-T8-3535254100Joint area3CF-T8-3535305100Joint area4CF-T8-3535455500FRP pipe portion銷釘式連接US4380443中采用的銷釘連接的方式，如圖9所示：1為傳動軸示意圖，2為連接部位銷釘連接示意圖，3為連接部位橫切面示意圖。圖10.傳動軸連接示意圖碳纖維傳動軸在沖擊強度上有一定的不足、在傳動軸的設(shè)計生產(chǎn)過程中在最外表面加上增強層，一般為玻璃纖維復合材料?？稍诶p繞成型過程中完成，也可采用噴射工藝將短纖維復合材料噴射在軸體表面固化成型加強層。3.2 空心管軋碾真空袋成型（Tube-rolling）圖11。 傳動軸成型工藝過程專利US2005159229A1采用真空袋成型工藝，如上圖所示：a 將4層碳纖維復合材料布和1層玻璃纖維復合材料布整理疊層卷繞在芯模上。b將芯模插入到鋁制空心管中。（復合材料布的長度與略大于芯模與鋁制空心管的內(nèi)孔周長一致）；c 旋轉(zhuǎn)芯模將復合材料布堆坨在鋁制空心管的內(nèi)表面；d 將鋁制空心管放置在真空袋中；e抽真空固化成型。此種工藝更有利于成型高爾夫球桿、釣魚桿等小直徑的管材。復合材料軸體固化成型后經(jīng)加工與金屬連接部件采用齒紋式相粘和連接如下圖所示：圖12。連接裝備示意圖國內(nèi)對復合材料汽車傳動軸有一定的研究。許昌汽車傳動軸總廠生產(chǎn)的尼龍涂敷汽車傳動軸的生產(chǎn)工藝為：金屬零件經(jīng)過除油、除銹處理后采用馬日夫鹽、硝酸鹽對其進行磷化處理，敷粘結(jié)劑后浸敷尼龍，流均勻冷卻定型，最后精加工可得成品。此工序過程在美國專利基礎(chǔ)上有所改進，改善了采用磨砂處理金屬零件不均勻的缺點，并且粘結(jié)劑的使用在結(jié)合強度上也要有利于涂底漆的處理方法。哈爾濱玻璃鋼研究院、中國船舶重工集團對碳纖維傳動軸都有所研究。哈玻院采用采用纏繞成型工藝生產(chǎn)傳動軸，軸體分三層、內(nèi)表層為玻璃纖維增強樹脂復合材料采用纏繞或者噴射成型；中間層也稱結(jié)構(gòu)層為碳纖維復合材料，采用纏繞成型而成；最外層為玻璃纖維復合材料經(jīng)纏繞成型而成。經(jīng)加壓固化后，采用特殊的工裝和設(shè)備進行無錐度脫模，軸體的厚度在3mm左右。中國船舶重工集團的研究主要是解決了碳纖維軸體與連接部件的連接。采用的法蘭連接的方式如下圖：圖13. 法蘭連接方式此種類型的碳纖維傳動軸主要應用于冷卻塔風機、造紙機、印刷機、壓縮機、泵等。四 應用展望資料統(tǒng)計表明2007年中國汽車銷售879.15萬輛，同比增長20%以上。在汽車市場的帶動下，2007年我國汽車傳動軸的需求已經(jīng)突破992萬根，產(chǎn)值達到了45億元。2008年汽車銷量達到938.05萬輛，而作為汽車零部件的汽車傳動軸需求量也接近1900萬套，產(chǎn)值達到54億元。預計，2010年我國汽車傳動軸總銷售額將達87億元，在汽車材料應用領(lǐng)域復合材料傳動軸具有很大的潛在應用市場。 目前國內(nèi)傳動軸市場被GKN Driveline等大型外資所控制。GKN Driveline憑借自身技術(shù)優(yōu)勢在中國轎車市場占有50%汽車傳動軸市場份額，其年產(chǎn)量可達500 萬根。2008年10月又在上海投資新工廠，并計劃2009年在中國武漢在開設(shè)新的傳動軸工廠，這將是GKN繼上海、重慶、吉林之后，在中國開設(shè)的第五家傳動軸工廠，全國布局還在繼續(xù)。中國碳纖維傳動軸的研究和生產(chǎn)迫切需要提高。 碳纖維傳動軸的大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化受碳纖維成本高的影響，美國對汽車工業(yè)用碳纖維作了研究分析, 結(jié)論是碳纖維價格降至16.5美元以下時, 碳纖維與鋼材相比就有競爭性了。但其優(yōu)良的性能及減輕車重的作用對制造商來說具有巨大的魅力。