摘 要

碳纤维复合材料有着较高的比强度、比模量以及较小的密度，所以同等的质量下，碳纤维复合材料具有很高的强度和刚度，同时碳纤维复合材料又有很好的抗疲劳性能，因此它非常适用于车辆结构零部件的轻量化。轻量化对提高车辆燃油经济效益有很大帮助，碳纤维复合材料在汽车轻量化上良好的应用前景。

本文采用有限元方法对碳纤维复合材料车用传动轴进行设计，研究铺层参数对传动轴性能的影响，利用ABAQUS软件分析碳纤维复合材料车用传动轴,选择较优的碳纤维复合材料车用传动轴的铺层设计方案，然后对传动轴进行刚度、强度、模态分析，得到满足刚度、强度并且质量轻的碳纤维复合材料车用传动轴设计。

关键词：碳纤维复合材料；传动轴；有限元分析:轻量化

Abstract

Carbon fiber composites have higher specific strength, specific modulus and lower density, so carbon fiber composites have high strength and rigidity under the same quality, and carbon fiber composites have good fatigue resistance. It is very suitable for lightweighting vehicle components. Lightweighting can greatly improve the fuel economy of vehicles, and carbon fiber composite materials have a good application prospect in the light weight of automobiles.

This article uses the finite element method to design the carbon fiber composite material vehicle propeller shaft, uses the ABAQUS software to analyze the different ply angle of the carbon fiber composite material vehicle transmission shaft, the ply sequence influence to the transmission shaft performance, obtains the carbon fiber composite material vehicle transmission The optimal layout design of the shaft, and then the stiffness, strength and modal analysis of the shaft, to obtain a certain amount of torsional strength and light weight carbon fiber composite vehicle transmission shaft.

Finally, compared with the traditional alloy half shafts in strength, stiffness, natural frequency, and quality indicators, a comprehensive evaluation of the carbon fiber composite transmission shaft as a vehicle transmission shaft was made.

Key Words: Carbon fiber composite material；Transmission shaft；Finite element；Lightweight

目录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的目的、背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题的主要研究内容 4

第2章 碳纤维复合材料车用传动轴设计与分析 5

2.1碳纤维复合材料设计基础 5

2.1.1 碳纤维复合材料的优势 5

2.1.2碳纤维复合材料传动轴设计原则 5

2.1.3碳纤维复合材料传动轴成型工艺 6

2.1.4碳纤维复合材料传动轴设计原则 8

2.2碳纤维复合材料传动轴性能指标及材料 9

2.2.1性能指标 9

2.2.2 材料选择 9

2.3碳纤维复合材料车用传动轴轴管设计 9

2.3.1 铺层角度、铺层顺序、各铺层所占比例研究 10

2.3.2轴管的扭转性能 10

2.4碳纤维复合材料车用传动轴有限元分析法 11

2.4.1 传动轴的扭转分析和模态分析 11

2.4.1.1扭转分析 11

2.4.1.2模态分析 16

2.4.2 验证、结果与讨论 16

2.5本章小结 26

第3章 碳纤维复合材料车用传动轴的连接设计 27

3.1连接设计介绍 27

3.1.1胶接连接 27

3.1.2 机械连接 28

3.1.3 混合设计 31

3.2 连接设计 31

3.2.1 胶层连接设计 31

第4章 总结 35

4.1全文总结 35

4.2 展望 35

参考文献 37

致谢 39

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的、背景及意义

本课题主要研究碳纤维复合材料车用传动轴的设计，分析碳纤维复合材料传动轴的性能优势，为碳纤维复合材料车用传动轴的发展应用奠定基础。

伴随着科技的进步，汽车配件逐步追求轻量化，但其强度、刚度要求在不断提高。减轻配件重量，提升配件性能已是汽车行业科研的大方向。与此同时，碳纤维复合材料的发展正如火如茶，在同样的质量下，碳纤维复合材料具有很高的刚度和强度，同时碳纤维复合材料又有很好的抗疲劳性、耐腐蚀性。碳纤维复合材料是由基体和碳纤维组合而成的材料，能同时具有碳纤维材料和基体材料的特性，；集体和碳纤维之间取长补短，使复合材料力学性能优异且具有良好的减震性能，它较高的固有频率使构件不易发生共振破坏。因此它非常适用于车辆结构零部件的轻量化。随着发展新能源汽车政策的推动以及在能源上的必要性，碳纤维复合材料加速走进汽车行业，由于新能源汽车越轻越省电，同时有助于提高续航能力或减少电池装备配置，在新能源汽车核心技术上如电机、电池和电控技术没有重大进步之前，减轻新能源汽车整备质量的重量，特别是采用复合材料制造技术是实现新能源汽车轻量化的更为有效的途径。美国2008年2月下线的Tesla Roadster世界上首款量产纯电动跑车采取了碳纤维车身（图1.1）；德国宝马i3纯电动车是第一款车体首要由碳纤维材料制成的量产汽车（图1.2），宝马i3通过使用碳纤维复合材料使i3整备质量比传统电动汽车减轻了250～350公斤，其碰撞安全保护也达到了最高级别；2010年中科院推出碳纤维复合材料纯电动概念车（图1.3），该车碳纤维用量达到21千克，加上其他轻量化的材料，车上复合材料使用量达到31.36千克，比钢制车身减轻了60多公斤；美国USCAR项目钻研开辟用单一复合材料件代替由14~16件刚冲压件、紧固件构成的底盘（图1.4），重量上削减20多磅，且到达了大部分的碰撞和布置需求，减少了成本；近年来碳纤维复合材料在汽车仪表盘、座椅制作、隔音板、前端支架、车身底盘、碳纤维轮辋（图1.5）等利用愈来愈普遍，将来碳纤维复合材料在汽车工业将迎来庞大的市场需求。

汽车传动轴作为汽车的一个主要活动部件，因汽车行驶过程当中变速器与驱动桥的相对于于位置常常转变，传动轴传递扭矩的过程中相对位置不停转变，工作环境比较复杂。传统的汽车传动轴是金属件，包括传动轴体、万向节、滑动花键副和中间支承结构。中间支撑是因为传动轴较长，只制成一段则导致自振频率降低，容易产生共振，因此将其分成两段并加中间支撑。使用碳纤维复合材料制造的传动轴具备高比强度、高比刚度、良好的耐蠕变和耐腐蚀性，在满足刚度和强度设计要求下，可以将双节动轴设计简化为单节，以降低传动轴的重量，提高传动性能。车用传动轴几何结构简单，目前碳纤维复合材料轴类零件可以通过缠绕工艺来制备。所以，碳纤维复合材料传动轴在车辆轻量化方面有很好的应用前景。