碳纖維傳動軸可行性研究

戰敏，陳強，王敷玟

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣東廣州 511434)

0 引言

碳纖維復合材料性能優越，具有高強度、高剛度、低密度的特點，過往在航天航空和軍事領域應用比較多，隨著技術水平的進步在汽車制造行業也逐步開始應用。鑒于當下汽車輕量化的趨勢，結合碳纖維復合材料低密度的特性，對碳纖維傳動軸進行研究。

傳統乘用車軸距普遍較長，四驅傳動軸長度2 m左右。一般情況下，為了滿足整車NVH性能，傳統鋼管傳動軸長度超過1.5 m需采用兩段式結構，中間設置支撐支架，不僅增加了質量，還產生了額外噪聲。由于碳纖維復合材料具有高強度、高剛度的特性，碳纖維傳動軸可以采用一段式設計。

國內外都對碳纖維傳動軸進行了大量研究。國外對碳纖維傳動軸的研究始于1970年，YATES等[1]公布了“碳纖維復合材料傳動軸”的專利，CHO等[2]設計了一段式混合傳動軸，該混合傳動軸主要由鋁承載，由碳纖維保證較高的固有頻率。但并未提及鋪層設計方法。KHOSHRAVAN等[3-4]用一段式復合材料傳動軸代替了傳統的兩段式鋼制傳動軸，對擬定的鋪層方案進行理論計算機有限元分析。2012年以來，由寶馬公司牽頭的一些大型汽車公司實現了碳纖維傳動軸的產品化。國內對碳纖維傳動軸的研究晚于國外約20年，胡晶等人[5]采用數值模擬方法，以鋪層角度、順序、厚度、對稱性為變量，研究了傳動軸的承扭能力。王高平和高攀[6]通過設計一種碳纖維復合材料混合傳動軸，并研究了碳纖維復合材料混合傳動軸的靜力學性能以及固有頻率性能。本文作者結合某四驅SUV車型，研究國內碳纖維傳動軸在乘用車上應用的可行性。

1 碳纖維傳動軸設計

1.1 碳纖維傳動軸性能指標

1.1.1 扭轉強度

傳動軸在工作時受到扭矩的作用，按最大扭矩Tmax下的應力τmax不超過扭轉許用應力進行設計。

τmax=Tmax/Wn≤τxymax/S

(1)

式中：Wn為抗扭截面模量，Wn=(π/16)×[(D4-d4)/D]，D為軸管外徑，d為軸管內徑；S為安全系數。

1.1.2 扭轉剛度

傳動軸受到扭矩會引起扭轉變形，產生扭轉角φ，扭轉角過大會導致傳力的延時，并增大正反扭轉下的扭轉間隙，實際設計時按要求控制單位長度扭轉角φe。

φe=φ/l=[T/(GIP)]×(180/π)

(2)

式中：l為傳動軸長度；T為傳動軸扭矩；GIP為扭轉剛度，IP=π(D4-d4)/32。

1.1.3 臨界轉速

傳動軸臨界轉速一般指其一階彎曲固有頻率所對應的轉速，是低階模態，因此考慮剪切變形的系數接近1，利用伯努利-歐拉梁理論，一階彎曲固有頻率fnb1計算如下：

(3)

相應的一階臨界轉速Ncrb1計算如下：

(4)

式中：Ex為縱向彈性模量；ρ為材料密度。

1.2 碳纖維傳動軸方案設計

1.2.1 傳動軸設計說明

碳纖維傳動軸總成的設計，主要是通過對碳纖維軸管的設計實現傳動軸扭轉強度、固有頻率等性能的要求。軸管設計有鋪層數量和纏繞角度兩個關鍵參數。其中，鋪層數量與扭轉強度、固有頻率均正相關，與質量、成本負相關；由于碳纖維復合材料具有各向異性的特點，不同纏繞角度對扭轉強度、固有頻率等性能的影響各不相同，典型的，如0°可用于提高傳動軸的固有頻率，45°可用于提高扭轉強度及扭轉剛度，90°可用于抵抗摩擦。

文中根據傳動軸扭轉強度設計初始鋪層，結合鋪層原則，擬定多種鋪層方案。進一步，利用ANSYS等仿真軟件結合傳動軸固有頻率、沖擊性能、質量等性能進行鋪層優化，制定最優鋪層方案[7]。

1.2.2 傳動軸方案確定

由公式(1)、(2)、(4)可知，在滿足扭轉強度、扭轉剛度的前提下，可通增加鋪層數量、采用高模量材料、以及改變纏繞角度提高臨界轉速。但考慮到SUV傳動軸布置空間有限且要保證碳纖維傳動軸減重至少30%，增加鋪層數量空間不大。

結合某四驅SUV，綜合考慮扭轉強度、扭轉剛度、臨界轉速以及實現減重，在滿足扭轉強度1 700 N·m前提下，設計了一款碳纖維傳動軸，鋪層方案為6層碳纖維鋪層[±25°/±25°/±45°/±16°/±90°/±45°]。

2 碳纖維傳動軸NVH性能分析

2.1 傳動軸仿真模態與實測模態對比

2.1.1 傳動軸軸管自由模態對比

如圖1、圖2所示，傳動軸軸管仿真模態為99.75 Hz，實測模態為101.3 Hz，兩者偏差僅為1.5%，仿真結果十分準確。

圖1 傳動軸軸管一階仿真模態振型

圖2 傳動軸軸管實測模態

2.1.2 傳動軸總成模態對比

如圖3所示，傳動軸總成仿真模態為105.3 Hz，采用錘擊法敲擊裝車后碳纖維傳動軸總成，得到固有頻率為69.1 Hz，兩者偏差達34%，差異顯著。

圖3 傳動軸總成一階仿真模態振型

圖4 傳動軸總成實測模態

鑒于傳動軸軸管仿真模態與實測模態的差異可忽略，得出傳動軸總成仿真模態與實測模態差異來自于傳動軸的萬向節以及用于萬向節與軸管連接的金屬連接段。分析認為導致模態差異的原因有3個：(1)仿真時對萬向節以及金屬連接段施加的約束與實車測試的約束方式差異較大；(2)仿真時對萬向節及金屬連接段的簡化與網格的劃分不準確；(3)樣件中軸管、金屬連接段以及萬向節之間的連接工藝有問題。

2.2 整車NVH性能測試

如圖5—圖8所示，某四驅SUV分別在30%、40%油門開度下，測試了前、后排座椅位置的振動信號，結果表明，不同油門開度下，加速行駛過程中均出現69 Hz明顯低頻共振帶，加速轟鳴問題嚴重。

圖5 30%油門開度前排座椅振動信號

圖6 30%油門開度后排座椅振動信號

圖7 40%油門開度前排座椅振動信號

圖8 40%油門開度后排座椅振動信號

雖然可以通過采用高模量纖維、改變纏繞角度以及增加鋪層數量來提升模態，但結合國內碳纖維傳動軸設計及制造能力，模態很難大幅提升。因此，目前碳纖維傳動軸低頻共振問題難以避免。

3 結論

(1)國內對碳纖維軸管的研究比較成熟，但對碳纖維傳動軸總成的研究不足，設計初期對傳動軸總成固有頻率的仿真結果參考性不高。

(2)一段式碳纖維傳動軸模態低，會導致整車NVH問題。

(3)目前傳動軸的主流供應商并沒有涉及碳纖維傳動軸的業務領域，碳纖維傳動軸的研究開發主要集中在高效及一些新興的復合材料廠家，供應商資源不足，且量產實際較少，可靠性有待確認。

綜上得出，目前國內碳纖維傳動軸在性能分析、制造工藝上仍有諸多問題，需要更充分的研究，暫無實車應用可能性。