復(fù)合材料傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)和制造研究進(jìn)展

Research progress in the design and manufacture of composite drive shafts

PEI Fang，YUBaifeng*，XIN Xin（Harbin FRP InstituteCo.，Ltd.，Harbin 150028）

Abstract：Compositedriveshaft iswidelyused inaerospace，automobile，shipbuildingandother fieldsduetoitssuperior propertiessuchas light weightand high strength，thispaper discusss theapplicationof composite materialsinthedrive shaft athomeandabroad，focusingonthefiberlayupdesign，manufacturing process，connectionofthedriveshaftof compositedriveshaftandother aspectsoftheresearch carredoutbydomesticand foreignscholars，and proposes toprovidea certainreference forresearchers in thesame industryinChina todevelop lightweightcompositedriveshaft productsrepresented by carbon fiber.

Keywords：carbon fiber；composites； transmission shaft；connection

1引言

傳動(dòng)軸系是機(jī)械裝備中最重的關(guān)鍵部件之一，其承載能力、動(dòng)態(tài)性能直接影響著整個(gè)機(jī)械裝備的性能。重型機(jī)床、直升機(jī)、船舶艦艇、冷卻塔等機(jī)械裝備的傳動(dòng)軸系逐步向著高承載、高轉(zhuǎn)速、高精度、高效率方向發(fā)展。CFRP傳動(dòng)軸相對(duì)金屬傳動(dòng)軸，減重效果明顯、旋轉(zhuǎn)慣量小、臨界轉(zhuǎn)速高、阻尼性能好、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度高，并且具有優(yōu)良的扭轉(zhuǎn)疲勞性能[1]。國(guó)外自20世紀(jì)70年代就開始了對(duì)碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的研究，在碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成型工藝以及連接等方面做了不少工作。

復(fù)合材料傳動(dòng)軸在汽車、航空航天、船舶等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。汽車領(lǐng)域，英國(guó)GKN技術(shù)公司開發(fā)了減重 50% 以上的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料傳動(dòng)軸，試驗(yàn)驗(yàn)證了彎曲剛度和抗扭性比鋼軸優(yōu)異。日本藤倉(cāng)橡膠工業(yè)公司采用碳纖維預(yù)浸料制備了減重50% 、扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度提高 20% 的汽車用傳動(dòng)軸。該傳動(dòng)軸由兩端鋼軸頭和中間的碳纖維樹脂基復(fù)合材料管構(gòu)成，管件與軸頭連接時(shí)將短軸的花鍵部位壓入管件內(nèi)，并在金屬軸頭與管件的粘接部位包覆粘接鋼外殼[2]。CG TECGmbH采用預(yù)浸料卷繞技術(shù)制備了高性能復(fù)合材料傳動(dòng)軸。美國(guó)QA1公司為通用公司和福特公司開發(fā)了一系列碳纖維傳動(dòng)軸，比鋁軸和鋼軸更輕、更強(qiáng)、更安全。在航空工業(yè)領(lǐng)域，美國(guó)234商用直升機(jī)、VertrolModel23直升機(jī)、UH-60“黑鷹”直升機(jī)、CH－47直升機(jī)、V－280“英勇”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)、RAH-66“科曼奇”直升機(jī)和F22“猛禽”空中優(yōu)勢(shì)戰(zhàn)斗機(jī)等航空器的傳動(dòng)軸系都采用了聚合物基復(fù)合材料制備。在船舶制造領(lǐng)域，美國(guó)Sacramento 級(jí)補(bǔ)給艦、Memphis級(jí)潛艇、挪威Skjold和Rauma200O級(jí)快速巡邏艇以及日本川崎440JetSki快艇都裝備Lee復(fù)合材料推進(jìn)軸系[3]。本文針對(duì)復(fù)合材料傳動(dòng)軸在鋪層設(shè)計(jì)、制造工藝以及連接方式方面的國(guó)內(nèi)外研究成果進(jìn)行梳理，為復(fù)合材料傳動(dòng)軸系的工程化應(yīng)用提供一定的參考和借鑒。

2復(fù)合材料傳動(dòng)軸國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1關(guān)于復(fù)合材料傳動(dòng)軸鋪層設(shè)計(jì)的研究

采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造的傳動(dòng)軸主要由復(fù)合材料軸管和金屬連接件構(gòu)成，復(fù)合材料傳動(dòng)軸的性能與軸管性能、軸管與金屬軸頭的連接方式相關(guān)，軸管性能又取決于軸管的結(jié)構(gòu)，纖維鋪層角度及鋪層順序。纖維鋪層角度對(duì)復(fù)合材料傳動(dòng)軸的固有頻率影響很大，鋪層角度越小，復(fù)合材料傳動(dòng)軸的固有頻率越高。另外，纖維鋪層角度也對(duì)復(fù)合材料傳動(dòng)軸的力學(xué)性能有一定的影響。當(dāng)纖維鋪放角為 45^° 時(shí)，傳動(dòng)軸具有較高的承載能力、剪切強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度；當(dāng)纖維鋪放角為 90^° 時(shí)，傳動(dòng)軸的縱向彎曲強(qiáng)度較高。纖維鋪層順序影響復(fù)合材料傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度和質(zhì)量，不影響固有頻率。

Kim等人4研究了鋁管纏繞復(fù)合材料的傳動(dòng)軸在不同纏繞角度、層數(shù)以及鋪層順序情況下的最大扭轉(zhuǎn)能力，并通過仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證了6層碳纖維復(fù)合材料在纏繞角度為 45^° 時(shí)，最大承受扭矩能力達(dá)到 295N?m 。Badie等人[5-6]研究了纏繞角度以及鋪層順序?qū)?fù)合材料管材扭轉(zhuǎn)剛度、固有頻率、屈曲強(qiáng)度、疲勞壽命以及破壞模式的影響。有限元分析表明，隨著纖維取向角度的減小，固有頻率隨之增大。同時(shí)試驗(yàn)表明， ±45^° 纏繞的復(fù)合材料管材具有較大的扭轉(zhuǎn)剛度。Khalid等人[7]對(duì)鋁制復(fù)合材料傳動(dòng)軸進(jìn)行了彎曲疲勞分析。試驗(yàn)表明，裂紋在無纖維區(qū)域或富樹脂區(qū)產(chǎn)生，并隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增大，直至試樣失效。研究認(rèn)為，在 ± 45^° 范圍內(nèi)增加層數(shù)可使鋁管的疲勞強(qiáng)度提高 40% 0Spannoli等人[8利用有限元分析法，設(shè)計(jì)了碳纖維與玻璃纖維混雜的復(fù)合材料傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸分別由1層碳纖維和3層玻璃纖維組成。研究表明，當(dāng)碳纖維纏繞角度從 0^° 到 90^° 變化時(shí)，傳動(dòng)軸的固有頻率降低了 44.5% ，而最優(yōu)與最差的層序使傳動(dòng)軸屈曲強(qiáng)度相差 46.07% 。Hak Sung Kimz 等人[9]設(shè)計(jì)了一種后輪驅(qū)動(dòng)汽車的鋁制碳纖維復(fù)合材料單件混合式傳動(dòng)軸，針對(duì)于鋁與碳纖維連接處采用壓力配合連接法，將鋁連接到混合軸上，并采用了多齒鋼環(huán)進(jìn)行連接加固以提高可靠性和降低制造成本。

2.2關(guān)于復(fù)合材料傳動(dòng)軸制造的研究

復(fù)合材料傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)可分為金屬/復(fù)合材料混合傳動(dòng)軸與純復(fù)合材料傳動(dòng)軸兩類。混合傳動(dòng)軸利用金屬材料與復(fù)合材料進(jìn)行混合，通常使用纏繞或鋪放工藝將復(fù)合材料固化在金屬管上，以改善軸系的固有頻率。這種結(jié)構(gòu)成型工藝簡(jiǎn)單，且由于金屬軸管的存在，可采用焊接或機(jī)械連接將傳動(dòng)軸固定在金屬法蘭上。但由于固化時(shí)不同材料的接觸面通常產(chǎn)生一定的殘余熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致傳動(dòng)軸中的復(fù)合材料發(fā)生損傷，且整體減重效果有限，容易形成電偶腐蝕，因此，限制了傳動(dòng)軸的應(yīng)用。純復(fù)合材料傳動(dòng)軸是典型的薄壁回轉(zhuǎn)體圓管構(gòu)件，是目前傳動(dòng)軸研究的主要發(fā)展趨勢(shì)。多采用纖維纏繞成型工藝，此外還可采用鋪絲、三維編織工藝成型壞件，在纖維套管中壓注樹脂完成固化的成型方式。

Qi等人[0]開發(fā)了一體化纏繞成型制備復(fù)合材料傳動(dòng)軸的技術(shù)方案，可以有效解決連接問題。余木火等人[利用非測(cè)地線纏繞技術(shù)原理，設(shè)計(jì)并制備出兩端含有過渡區(qū)的變角度纏繞的復(fù)合材料傳動(dòng)軸。該種復(fù)合材料傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)性能優(yōu)于傳統(tǒng)復(fù)合材料傳動(dòng)軸，整體抗扭轉(zhuǎn)性能有顯著提升。過渡區(qū)占比從 20% 增加到 80% ，可以使失效載荷提高111% ，峰值載荷提高 90.7% ，損傷角度擴(kuò)展降低34.87% 。過渡區(qū)結(jié)構(gòu)能夠有效抑制損傷擴(kuò)展，提高傳動(dòng)軸承載能力。Bofulu[12]發(fā)明了一體成型傳動(dòng)軸方法，主要采用了特殊的芯軸，該芯軸包括兩端膨脹部分和中間段的不可膨脹部分，先在整個(gè)芯軸上纏繞預(yù)浸漬纖維長(zhǎng)絲，然后將金屬接頭分別套裝在芯軸兩端的膨脹部分，然后讓膨脹部分膨脹，使浸漬纖維填充金屬接頭內(nèi)表面上的花鍵基部的凹槽，一體固化后脫模，整修后獲得最終的復(fù)合材料傳動(dòng)軸制品。Potluri等人[13]研究了具有1層或多層的復(fù)合材料傳動(dòng)軸在不同編織角度下的彎曲性能與扭轉(zhuǎn)性能，編織管采用真空金字法制備無空隙樣品并進(jìn)行了修正層合板分析，然后將層合板的分析結(jié)果應(yīng)用于編織管的宏觀分析，并計(jì)算了復(fù)合材料軸管的彎曲特性和扭轉(zhuǎn)性能。

由于當(dāng)前復(fù)合材料傳動(dòng)軸的纏繞成型工藝基本采用熱壓罐固化，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，在一定程度上限制了傳動(dòng)軸的制備工藝效率。因此，如何實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)的高效低成本制造，是復(fù)材行業(yè)急需解決的工藝問題。

2.3關(guān)于復(fù)合材料傳動(dòng)軸連接的研究

復(fù)合材料傳動(dòng)軸的連接區(qū)域具有明顯的形狀不連續(xù)性與材料不連續(xù)性，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。相對(duì)于纖維纏繞的直筒段，接頭承載情況相對(duì)更加復(fù)雜。因此，目前有關(guān)復(fù)合材料傳動(dòng)軸連接的研究主要基于試驗(yàn)方法。隨著計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE，ComputerAidedEngineering）軟件不斷成熟，ANSYS、ABAQUS等有限元分析軟件被越來越多地應(yīng)用到復(fù)合材料傳動(dòng)軸接頭結(jié)構(gòu)的研究中。復(fù)合材料傳動(dòng)軸較薄弱的部位就是復(fù)合材料軸管與金屬接頭的連接處，因?yàn)闉榱烁玫貍鬟f扭矩，連接處必須足夠可靠牢固。目前，機(jī)械連接、膠接連接和混合連接是復(fù)合材料軸管與金屬法蘭連接的較為通用的方法。其中，齒形連接技術(shù)出現(xiàn)相對(duì)較晚，具有與其他三種連接方式所不同優(yōu)勢(shì)，如圖1所示。如Z-pin連接、過盈配合連接等其他方法僅作為輔助手段，以提高接頭抗剝離應(yīng)力的能力。

Portemont等人[14]研究了加載速率對(duì)復(fù)合材料機(jī)械連接結(jié)構(gòu)破壞行為的影響。研究表明，加載速率越高，損傷區(qū)域就越小。楊顯昆等人[15]建立了直升機(jī)復(fù)合材料尾軸管與金屬法蘭的鉚接失效仿真模型，明確了鉚接區(qū)域的失效條件，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Zhang等人[建立了考慮剪切非線性的復(fù)合材料螺栓連接三維有限元模型，研究了機(jī)械連接的二次彎曲和螺栓載荷效應(yīng)。何柏靈等認(rèn)[17]采用基于連續(xù)損傷力學(xué)的有限元方法，發(fā)現(xiàn)當(dāng)連接區(qū)域0^° 鋪層比例過高時(shí)，接頭一般發(fā)生剪切破壞，承載能力較低；增大螺栓直徑，可以使層合結(jié)構(gòu)的損傷受到抑制，接頭的抗擠壓能力隨之提高。Chan-dra^[18] 在汽車碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸連接中采用了齒紋式連接，避免了在軸上打孔和膠連接容易產(chǎn)生的弱膠接問題，齒紋式連接承載能力強(qiáng)，應(yīng)力集中較小。Anthony[19]研究認(rèn)為，由于重型卡車對(duì)傳動(dòng)軸連接強(qiáng)度要求高，采用傳統(tǒng)的齒紋式連接無法滿足要求。因此，傳動(dòng)軸軸管與金屬接頭采用了高抗剪抽芯鉚連接。經(jīng)過載荷試驗(yàn)，結(jié)果表明，在破壞載荷分別為 、 和 時(shí)，金屬軸頭失效，而連接部分沒有被破壞。Kim等人[20]研制了一種新型的汽車混合鋁/復(fù)合材料傳動(dòng)軸，其在鋁管內(nèi)表面固化碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層，以防止復(fù)合材料層受到外界沖擊和吸濕破壞。并利用了有限元法計(jì)算了鋁管與復(fù)合層界面的熱殘余應(yīng)力，確定了復(fù)合材料層的最佳堆垛順序。同時(shí)設(shè)計(jì)了鋁/復(fù)合管與鋼夾連接的壓力擬合方法，并與其他連接方法如粘合連接、螺栓連接、鉚接連接、焊接連接等進(jìn)行了比較。

復(fù)合材料傳動(dòng)軸的膠結(jié)和機(jī)械連接，在批量化生產(chǎn)和應(yīng)用中都存在一定的局限性。膠結(jié)方式在疲勞、濕熱條件下服役會(huì)存在一定的安全隱患，而機(jī)械連接通常需要在碳纖維軸的本體上打孔，對(duì)纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生一定的損傷。

3結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)復(fù)合材料傳動(dòng)軸開展了廣泛的研究，復(fù)合材料傳動(dòng)軸的應(yīng)用領(lǐng)域也變得越來越廣泛，其合理有效的鋪層設(shè)計(jì)，高效低成本的制備技術(shù)以及可靠的連接技術(shù)就顯得尤為重要。目前，傳動(dòng)軸主流供應(yīng)商深度關(guān)注了碳纖維增強(qiáng)傳動(dòng)軸的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，但是碳纖維傳動(dòng)軸的研究開發(fā)主要集中在高校及一些先進(jìn)的復(fù)合材料制造企業(yè)，供應(yīng)商資源明顯不足，且實(shí)際量產(chǎn)較少，產(chǎn)品可靠性有待進(jìn)一步確認(rèn)。

參考文獻(xiàn)

[1］王帥，李樹茂，廖梅軍，等．復(fù)合材料傳動(dòng)軸管尺寸穩(wěn)定性的影響因素研究［J]．纖維復(fù)合材料，2020，37（2）：45-47.

[2］張歡．碳纖維復(fù)合材料在汽車傳動(dòng)軸的應(yīng)用技術(shù)［J]．纖維復(fù)合材料，2019，36（1）：43-46.

[3]BILLMALIGIE，GREGWARD，BRIANBENTLY，etal.碳/環(huán)氧復(fù)合材料傳動(dòng)軸的制造[J]．纖維復(fù)合材料，1992（3）：41-43.

[4]KIMJ.K.，MAIY.W.Highstrength，high fracture toughness fi-bre composites with interface control.A review [J].Compos SciTechnol，1991，41（4）：333-341.

[5]BADIE，M.A.，MAHDI，E.HAMOUDA，A.M.S.Aninvesti-gation into hybrid carbon/glass fiber reinforced epoxy composite auto-motivedriveshaft[J].Mareials andDesign32（2011）1485-1500.

[6]ABUTALIB，A.R.，AIDYALI，BADIE，M.A.，NURAZIDACHELAH，A.F.Golestaneh. Developingahybrid carbon/glass fi-ber-reinforced epoxycomposite automotive driveshaft [J].Materi-als and Design，2010，31（5）：14-21.

[7]KHAILD，Y.A.，MUSTASHER，S.A.，SAHARI，B.B.，Hamouda，A.M.S.Bendingfatiguebehaviorofhybrid alumi-num/composite drive shafts [J].Materials and Design，2007（7）：329-334.

[8]SPANNOLIA.，ELGHAZOULIA.Y.，Chryssanthopoulos M.K，Numerical simulation of glass-reinforced plastic cylindersunderaxail compression[J].Marine Structures，2001（14）：353-374.

[9] HAK SUNG KIM，DAI GIL LEE. Optimal design of the press fitjoint for a hybrid aluminium/composite drive shaft[J].CompositeStructure，2005，70：33-47.

[10]QI L.，LIC.，YUX.，et al.Effect of reinforced fibers on thevi-bration characteristics of fibersreinforced composite shaft tubes withmetal flanges [J].Composite Structures，2021，275：114460.

[11]余木火，施涵，余許，等．多變角度纏繞成型復(fù)合材料傳動(dòng)軸的扭轉(zhuǎn)特性及其失效機(jī)制［J]．復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2022，39（12）：6042-6053.

[12]BOFULU B. Transmission shaft and its production method[P].中國(guó)專利：106794643A，2017-05-31.

[13]POTLURI P.，MANAN，F(xiàn)RANCKE M. Fluexural and torsional be-havior of biaxial and triaxial braided composite structure[J].Com-posite Structures.2006，75：377 -386.

[14]PORTEMONT G，BERTHE J，DEUDON A，et al. Static and dy-namicbearing failure of carbon/epoxy composite joints [J].Com-posite Structures，2018，204：131-141.

[15]楊顯昆，謝俊嶺，萬振華，等．直升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)合材料尾傳動(dòng)軸鉚接承載能力分析［J]．機(jī)械強(qiáng)度，2019，41（2）：488 -492.

[16]ZHANG KF，HUJS，ZOU P，et al.Effect of secondary bendingandbolt load on damage and strength of composite single-lap inter-ference-fit bolted structures [J]. Journal of Composite Materials，2019，53（28-30）：4385-4398.

［17]何柏靈，葛東云．復(fù)合材料連續(xù)損傷力學(xué)模型在螺栓接頭漸進(jìn)失效預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J]．復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2020，37（8）：2065-2075.

[18]CHANDRA S.，YERRAMALLI，ANTHONY M. W. A failure cri-terion for fiber reinforced polymer composites under combined com-pression- torsion loading [J]． International Journal of Solids andStructures.2003，40：1139－1164.

[19]ANTHONY M. WAAS.In situ matrix shear response using torsionaltest data of fiber reinforced unidirectional polymer composites [J].Journal of Engineering Materialsand Technology.2002，124：152 -159.

[20] KIM H. S.，KIM J. W.，KIM J. K. Design and manufacture of anautomotive hybrid aluminum/composite drive shaft [J].CompositeStructures，2004，63（1）：87-99.