传动轴发展剖析.doc

传动轴发展一 背景汽车是最普通的代步、运输工具，许多国家均将汽车工业作为其重要的支柱产业。面对资源和环境的严峻挑战，推进汽车轻量化以降低油耗，一直是汽车工业发展的主题。复合材料因具有加工能耗低, 轻质高强, 可设计性强, 耐锈蚀, 成型工艺性好等优点, 成为汽车工业以塑代钢的理想材料。汽车用材料在经历了通用塑料、工程塑料时代之后, 20世纪九十年代进人复合材料时期。通用汽车公司1953年生产的世界上第一辆复合材料汽车车身汽车Chevrolet Corvette，敲开了复合材料在汽车领域的应用，自推出此款车型以来通用汽车公司目前已销售130余万辆，此款车型采用的是玻璃纤维增强树脂复合材料。汽车复合材料的应用主要经历了两个时期：在20世纪70年代开始，由于SMC材料的成功开发和机械化模压技术以及模内涂层技术的应用，促使玻璃钢/复合材料在汽车应用的年增长速度达到25，形成汽车玻璃钢制品发展的第一个快速发展时期；到20年代90年代初，随着环保和轻量化、节能等呼声越来越高，以GMT（玻璃纤维毡增强热塑性复合材料）、LFT（长纤维增强热塑性复合材料）为代表的复合材料得到了迅猛发展，主要用于汽车结构部件的制造，年增长速度达到1015，掀起第二个快速发展时期。作为新材料前沿的复合材料逐步替代汽车零部件中的金属产品和其它传统材料，并取得更加经济和安全的效果。据统计，汽车用复合材料已占全球复合材料总量的23%以上，并且成逐步上升的趋势。美国、日本、欧洲的德国，意大利等发达国家是车用复合材料的主要国家，全球汽车用增强塑料制品的市场规模为每年454万吨 ，其中美国达到172 万吨，欧洲达到136万吨。目前，德国每辆汽车平均使用的纤维增强塑料制品近300kg，占汽车总消费材料的22%左右，日本每辆汽车平均使用的纤维增强塑料制品达100kg，约占汽车材料消费总量的7.5%。其汽车用复合材料部件制造的整体技术水平高，大量采用SMC/BMC材料，采用流水线作业方式，机械化、自动化程度高，产品质量好，经济效益高。涉及到轿车、客车、火车、拖拉机、摩托车以及运动车、农用车等所有车种，个别车型的单车平均用量已超过200kg。采用复合材料制造的汽车零部件种类繁多，主要包括以下几类图1.：纤维增强树脂复合材料已被广泛应用于桥车、客车、卡车等的各种覆盖件和结构件上。主要包括以下应用，车身及车身部件：车身壳体、地板、车门、前端板、阻流板等；悬挂部件：前后保险杠、仪表板等；动力部件：传动轴、导流罩、发动机外壳等；车内装饰：门内饰板、车门把手、仪表盘等。图1. 碳纤维复合材料在汽车上的应用图2.复合材料在汽车上的应用碳纤维复合材料,具有高强度、高刚性, 有良好的耐蠕变和耐腐蚀性, 与其他纤维增强复合材料相比较更具有前途成为汽车轻量化材料。用碳纤维取代钢材制造车身和底盘构件, 可减轻质量, 从而节约汽油消耗。碳纤维复合材料在汽车上的应用, 美国开展的最好, 美国福特公司早已采用制造汽车传动轴、发动机罩、上下悬架臂等零部件，主要应用在结构件和受力件上。2003年，碳纤维的SMC复合材料首先成功批量应用于2003款的Dodge Viper车型和mercedes Maybach车型的系列化生产中。二 汽车传动轴发展历程汽车传动轴作为汽车的一个重要的运动部件，传动轴在不同轴心的两轴间甚至在工作过程中相对位置不断变化的两轴间传递动力，工作环境都比较恶劣。对传动轴材料性能有着较高的要求，传统的汽车传动轴是金属件。包括传动轴体（一根或者多根）、万向节（两个或者多个）、滑动花键副、中间支承结构。对于金属传动轴而言，当两个万向节的中心距离不大于1.5m时，一般采用单根传动轴管。当距离较远传动轴长度超过1.5m时，通常就要采用两根或者两根以上传动轴管、由三个或者三个以上的万向节连接而成，并且要增设中间结构件。金属传动轴在使用过程中要定期给其注入润滑油，以保养传动轴，而且注润滑油又脏又累，给驾驶人员增加负担还浪费时间。并且金属传动轴在使用过程中容易磨损，引起传动轴噪音和发动机能量损失、缩短使用寿命。为了解决磨损、润滑等缺点，美国最先进行了传动轴涂覆层的研发。1966年成功申请专利。此种工艺将尼龙11、尼龙12、尼龙1010粉末结合粘结剂涂覆在金属传动轴的表面。此种方法对传动轴的性能及其应用有一定的改进，但在部件简化及性能强度上的改善不大。纤维增强树脂复合材料传动轴的问世及发展正在逐渐解决传统金属传动轴的缺点和完善其性能。国内传动轴涂敷尼龙的研究已很成熟了，河南许昌传动轴总厂年产尼龙涂敷汽车传动轴总成90万套，其中:轻型汽车传动轴28万套,中型汽车传动轴34万套，重型汽车传动轴28万套。最早生产碳纤维复合材料的公司是美国摩里逊公司（Morrison Molded Fiber Glass）生产的碳纤维复合材料汽车传动轴。其生产的传动轴供通用汽车公司载重汽车应用。采用的碳纤维复合材料可以使原来的两件合并为一件，与钢材相比较质量可以减轻60%，每个传动轴减轻9Kg。该传动轴采用卓尔泰克公司（ZOLTKE）公司的工业级48K碳纤维，年生产量为60万根传动轴，每根传动轴消耗碳纤维0.68Kg。福特公司1984年将玻璃纤维复合材料传动轴应用到汽车领域。此种材料的抗扭曲强度是传统金属材料的两倍以上，扭矩力测试结果为17 793N远大于安全设计值10 000N，作为受力材料玻璃纤维还要逊色于碳纤维复合材料。考虑到碳纤维使用的成本，早期传动轴主要采用的时玻璃纤维纤维增强树脂或者是玻璃纤维和碳纤维混合的使用，其中碳纤维作为结构层。GKN公司在1988年开始着手于碳纤维复合材料传动轴的研究，传动轴在Renault Espace Quadra 上的使用开导了碳纤维复合材料汽车传动轴的先驱。1992年推出的Renault Safrane Quadra的传动轴由原始的金属三段式发展到了金属和复合材料相连的两节式，减重高达40%，此种传动轴销量较小，仅年产500套。在Toyota Mark II使用的碳纤维传动轴减重大50%，性能上大大改善了NVH。Audi 80/90 Quattro 首次使用碳纤维传动轴是在1989年，并且使用汽车汽车型号一直延续到了1998年的Audi A4/A8 Quattro，此种型号传动轴年产已达30 000套。此外碳纤维汽车传动轴在以下车型上均有使用：阿斯顿马丁DB9，阿斯顿·马丁V8 Vantage Coupe，阿斯顿马丁V12 Vantage，马自达RX-8。即将上市的2011款奔驰SLS AMG欧翼，碳纤维传动轴的使用也将成为此款车型的标配。图2.碳纤维传动轴使用进展汽车传动轴的诸多性能参数但中，临界转速是其很重要的一个参数，当传动轴的转速与它的弯曲振动的固有频率相同时，传动轴就会发生共振使传动轴有折断的危险。常用的计算汽车传动轴临界转速的公式如下：Nc = (C / L2) · (E/ñ · I/A)0.5上式中，Nc为汽车传动轴的临界转速，C为常数，L为传动轴的长度，I为轴管连接部位力矩，A为万向十字节的连接面积。对这些限制因素进行分析可以发现，传动轴长度及连接万向节确定的情况下，要提高传动轴的临界转速只能提高E/ñ 模量系数，对复合材料而言有高强，高模，弯曲模量可高达100Gpa。简化的临界转速的计算公式：上式中：l为传动轴的长度，Eal、Eco为铝和碳纤维/环氧树脂的弹性模量；qal，qco为铝管和碳纤维铺层的单位长度质量。与金属材料相比较，碳纤维复合材料有着高弹性模量，并且有较小的单位长度质量。碳纤维复合材料传动轴具有优异力学性能并且具有位移补偿能力，单根轴体管就能达到使用上的要求。研究表明：轴体直径一致的情况下，汽车传动轴的临界转速为8000 rev/min时传统金属传动轴的长度为1250mm，而碳纤维增强树脂复合材料传动轴的长度可以达到1650mm。碳纤维复合材料有望实现传动轴的一体化。图3.传动轴长度与临界转速的关系碳纤维复合材料具有很高的比强度、比模量，实现汽车轻量化的同时可以达到节能省油的目的。资料表明：碳纤维复合材料传动轴与传统金属传动轴相比较可以至少减轻40%的质量如示意图4，其中包括传动轴两段的金属链接部件。汽车普通部件质量每减轻1%，可节油1%，类似传动轴等运动部件则可以节油2%。纤维增强树脂复合材料传动轴已经广泛应用到汽车领域，并且成功的改善了传统金属汽车传动轴的NVH（Noise, Vibration, and Harshness）性能，为汽车驾驶者提供了安静怡人的环境。图4.金属传动轴和CFRP传动轴对比示意图 三 成型工艺纤维增强树脂复合材料汽车传动轴成型技术已趋于成熟，常见的成型工艺有拉挤成型，缠绕成型，空心管轧碾成型，压模注塑成型等成型工艺。3.1缠绕成型图5.缠绕工艺示意图缠绕成型是生产复合材料传动轴最常用的成型工艺。缠绕成型可以精度的控制纤维的方向和轴体直径，此成型工艺具有高度的自动化生产能力。GKN公司所提供的复合材料传动轴均由缠绕工艺制备而成。缠绕成型过程中主要控制的参数有缠绕线型和缠绕角度对传动轴性能的影响，复合材料传动轴轴体与金属连接部件连接的方式。针对具体的的缠绕成型工艺选举典型的几个实例予以说明。3.1.1缠绕线型对传动轴体的影响：早期的复合材料传动轴考虑增强纤维的加工成本，增强纤维主要采用玻璃纤维（弹性模量552-827GPa，E-glass、S-glass），基体采用双酚A型环氧树脂：Epi-Rez508，Epi-Rez 510（Celanese Coatings），Epon 828（Shell），固化剂采用酸酐类固化剂（邻苯二甲酸酸酐，）或者胺类固化剂（间本二胺，N,N-二甲基苯胺）。其中纤维体积含量为55-70%（60%）。传动轴长度69.5 英寸（176.53cm，1 英寸=2.54 cm），内径：4英寸（10.16cm），由四个缠绕层组成如图6所示，考虑缠绕角度及每层的厚度对传动轴的影响，US 4171626专利考察了轻微改变每缠绕层的厚度和缠绕角，采用了四种方案进行缠绕，并对比了传动轴的基本性能指标。图5 轴体示意图方案一：Layer No.Thickness/ inch(cm)Fiber reinforcementFiber angle10.02 (0.051)E-glass fiber±45°20.074 (0.188)E-glass fiber0°30.014 (0.036)Carbon fiber（2206GPa）0°40.012 (0.030)E-glass fiber90°方案二：Layer No.Thickness/ inch(cm)Fiber reinforcementFiber angle10.020 (0.051)E-glass fiber±45°20.070 (0.178)E-glass fiber±10°30.017 (0.043)Carbon fiber（2206GPa）±10°40.012 (0.030)E-glass fiber±80°方案三：Layer No.Thickness/ inch(cm)Fiber reinforcementFiber angle10.02 (0.051)E-glass fiber±45°20.082 (0.208)E-glass fiber0°30.008 (0.020)Carbon fiber（3792GPa）0°40.010 (0.025)E-glass fiber90°方案四：Layer No.Thickness/ inch(cm)Fiber reinforcementFiber angle10.020 (0.051)E-glass fiber±45°20.080 (0.203)E-glass fiber±10°30.010 (0.025)Carbon fiber（3792GPa）±10°40.010 (0.025)E-glass fiber±80°四种方案传动轴参数：序号总厚度（cm）总重量（kg）经向模量(MPa)临界转速（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) 小角度纤维缠绕层主要为传动轴提供静态弯曲强度，大角度纤维缠绕层为了保障静传动轴态扭曲强度。为了避免小角度缠绕时的纤维脱落、打滑在缠绕时采用辅助部件销钉如示意图中的31所示。由专利文献小角度缠绕角一般在10°-45°之间，大角度缠绕角度一般为75°-90°。 3.1.2复合材料传动轴轴体与金属连接部件的连接形式 齿纹式连接 连接工序分两种情况，一种是现将碳纤维传动轴轴体成型加工好之后再将其与金属连接部件粘和连接。另外一种则是在缠绕成型过程中将金属连接部件固定在缠绕芯模上，在缠绕过程中即可完成粘和连接。不管是两者中的任何一种连接方式，金属连接部件的外表面都经过齿纹状处理以增加连接强度的作用。（US 2003/0157988 A1）专利传动轴轴体部位采用缠绕成型的工艺，复合材料轴体连接部位和连接部件连接部位采用齿纹连接的方式。图7传动轴示意图图8.传动轴连接部位连接示意图如上图所示13为传动轴金属连接部件，14为金属连接部件上的齿纹带。齿纹带齿纹的顶角角度为45°-75°（推荐使用60°）。金属连接部件齿纹带14的外径为70mm-75mm，齿纹顶尖厚度为0.05mm，相邻齿纹顶尖宽度为0.9-1.8mm，齿纹高度为1.25mm，齿纹根部宽度为1.5mm,齿纹数量在145个左右。United states patent 5309620本专利中传动轴的连接示意图如下图所示，3为金属连接部件，5为金属连接部件与复合材料轴体的连接层，6为纤维增强复合材料传动轴轴体。Fig1-3为金属连接部件上连接部位齿纹示意图。齿纹尺寸高为：0.15-1mm，齿纹顶角角度为90°。图9.传动轴连接部位的连接示意图缠绕所用轴芯的外直径为70.0mm，长度为1500mm（on winding Position芯模两端各有50mm长度被高强的薄膜（厚度35微米）包裹），增强纤维为碳纤维，树脂基体为双酚A型环氧树脂，固化剂为胺类固化剂（TONOX 60/40），采用此体系缠绕成型轴体部分，厚度为2.85mm，缠绕角度为±16°。增强纤维的体积分数为60±2%。玻璃纤维复合材料作为加强层缠绕在连接层部位，厚度为3mm，缠绕角度为±85°。将芯模放置固化炉中固化，将芯模脱模，切割两端多余部分，最终得到长度为1100mm，内径为70.1mm的传动轴。此专利中着重研究了连接部位薄膜的加入对连接强度的影响，并且讨论了连接部位的长度与连接强度的关系。如下表所示，专利中数据表明薄膜的加入增强了扭矩断裂强度，并且随着薄膜连接长度的增加断裂强度增加。当长度为45mm时，传动轴轴体比连接部位先断裂，复合材料传动轴轴体与金属连接部件的连接强度已非常可观。传动轴连接部位性能参数：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销钉式连接US4380443中采用的销钉连接的方式，如图9所示：1为传动轴示意图，2为连接部位销钉连接示意图，3为连接部位横切面示意图。图10.传动轴连接示意图碳纤维传动轴在冲击强度上有一定的不足、在传动轴的设计生产过程中在最外表面加上增强层，一般为玻璃纤维复合材料。可在缠绕成型过程中完成，也可采用喷射工艺将短纤维复合材料喷射在轴体表面固化成型加强层。3.2 空心管轧碾真空袋成型（Tube-rolling）图11。 传动轴成型工艺过程专利US2005159229A1采用真空袋成型工艺，如上图所示：a 将4层碳纤维复合材料布和1层玻璃纤维复合材料布整理叠层卷绕在芯模上。b将芯模插入到铝制空心管中。（复合材料布的长度与略大于芯模与铝制空心管的内孔周长一致）；c 旋转芯模将复合材料布堆坨在铝制空心管的内表面；d 将铝制空心管放置在真空袋中；e抽真空固化成型。此种工艺更有利于成型高尔夫球杆、钓鱼杆等小直径的管材。复合材料轴体固化成型后经加工与金属连接部件采用齿纹式相粘和连接如下图所示：图12。连接装备示意图国内对复合材料汽车传动轴有一定的研究。许昌汽车传动轴总厂生产的尼龙涂敷汽车传动轴的生产工艺为：金属零件经过除油、除锈处理后采用马日夫盐、硝酸盐对其进行磷化处理，敷粘结剂后浸敷尼龙，流均匀冷却定型，最后精加工可得成品。此工序过程在美国专利基础上有所改进，改善了采用磨砂处理金属零件不均匀的缺点，并且粘结剂的使用在结合强度上也要有利于涂底漆的处理方法。哈尔滨玻璃钢研究院、中国船舶重工集团对碳纤维传动轴都有所研究。哈玻院采用采用缠绕成型工艺生产传动轴，轴体分三层、内表层为玻璃纤维增强树脂复合材料采用缠绕或者喷射成型；中间层也称结构层为碳纤维复合材料，采用缠绕成型而成；最外层为玻璃纤维复合材料经缠绕成型而成。经加压固化后，采用特殊的工装和设备进行无锥度脱模，轴体的厚度在3mm左右。中国船舶重工集团的研究主要是解决了碳纤维轴体与连接部件的连接。采用的法兰连接的方式如下图：图13. 法兰连接方式此种类型的碳纤维传动轴主要应用于冷却塔风机、造纸机、印刷机、压缩机、泵等。四 应用展望资料统计表明2007年中国汽车销售879.15万辆，同比增长20%以上。在汽车市场的带动下，2007年我国汽车传动轴的需求已经突破992万根，产值达到了45亿元。2008年汽车销量达到938.05万辆，而作为汽车零部件的汽车传动轴需求量也接近1900万套，产值达到54亿元。预计，2010年我国汽车传动轴总销售额将达87亿元，在汽车材料应用领域复合材料传动轴具有很大的潜在应用市场。   目前国内传动轴市场被GKN Driveline等大型外资所控制。GKN Driveline凭借自身技术优势在中国轿车市场占有50%汽车传动轴市场份额，其年产量可达500 万根。2008年10月又在上海投资新工厂，并计划2009年在中国武汉在开设新的传动轴工厂，这将是GKN继上海、重庆、吉林之后，在中国开设的第五家传动轴工厂，全国布局还在继续。中国碳纤维传动轴的研究和生产迫切需要提高。 碳纤维传动轴的大规模的产业化受碳纤维成本高的影响，美国对汽车工业用碳纤维作了研究分析, 结论是碳纤维价格降至16.5美元以下时, 碳纤维与钢材相比就有竞争性了。但其优良的性能及减轻车重的作用对制造商来说具有巨大的魅力。