摘 要

本文旨在设计满足某车型要求的碳纤维复合材料传动轴。首先，在现有的研究理论基础上，通经验公式进行结构与材料的设计，并初步确定四种方案。并对四种方案进行剪切强度、屈曲扭矩和临界转速的校核，筛选出最终方案。然后，完成碳纤维轴管与金属法兰盘的胶接设计。最后，使用有限元分析软件ABAQUS对最终确定的方案进行静力学分析和模态分析，进一步检验、优化传动轴设计。

本文提供了一种简单明了的碳纤维复合材料传动轴设计方法流程，此方法基本可以满足设计需求 ，可供后者借鉴。不足之处在于，最终方案是四种方案中的较优解，而非最优解，如若寻求最优解，此方法不可行。

关键词：碳纤维复合材料；传动轴；有限元分析

Abstract

The aim of this paper is to design a carbon fiber composite drive shaft which can meet the requirements of a vehicle model. First, based on the existing research theories,the structure and material are designed by empirical formula, and four schemes are preliminary determined. The four schemes are checked for shear strength, buckling torque and critical speed, and the final scheme is screened out. Then, finish the cementing design of carbon fiber tube and metal flange. Finally, finite element analysis software ABAQUS was used to carry out finite static analysis and modal analysis of the finalized scheme, and further test and optimize the design of the drive shaft.

This paper provides a simple and clear design method of carbon fiber composite drive shaft, which can meet the design requirements and can be used for reference by the latter. The disadvantage is that the final solution is the better solution among the four solutions, rather than the optimal solution. If the optimal solution is sought, this method is not feasible.

Key Words：Carbon fiber composites；Transmission shaft；Finite element analysis

目录

第一章绪论 1

1.1课题研究目的和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3目标和拟采用的技术方案 2

第二章碳纤维复合材料概论 3

2.1碳纤维复合材料的概念 3

2.2碳纤维复合材料的制备成型工艺 3

2.3碳纤维复合材料的优势 4

第三章碳纤维复合材料传动轴设计 5

前言 5

3.1碳纤维复合材料传动轴设计流程 5

3.2碳纤维复合材料传动轴结构尺寸设计 6

3.3碳纤维复合材料传动轴材料 7

3.4碳纤维复合材料传动轴铺层方案 7

3.4.1铺层比例 7

3.4.2铺层厚度和铺层层数 9

3.4.3铺层顺序和初步确定四种铺层方案 10

3.5碳纤维复合材料传动轴校核 10

3.5.1剪切强度校核 10

3.5.2屈曲扭矩校核 11

3.5.3刚度校核 11

3.5.4临界转速校核 11

第四章碳纤维复合材料传动轴连接设计 14

4.1连接方式 14

4.2连接设计 14

4.2.1胶接层厚度 14

4.2.2金属件胶接段壁厚 14

4.3.3胶接层长度 15

第五章有限元分析 16

5.1有限元分析简述 16

5.2静力学分析 16

5.3模态分析 19

结论 22

参考文献 23

致谢 25

第一章绪论

1.1课题研究目的和意义

汽车的出现极大的便利了人们的出行，然而，在汽车工业迅猛发展的同时，也给资源与环境带来了沉重的负担，“节能减排”进入了大众视野，也成为了汽车未来发展应着重考虑的因素。“节能减排”与汽车轻量化密切相关，减轻汽车重量可以有效的降低油耗与排放。世界铝业协会的报道指出汽车自重每减少10%，耗油量可降低 6-8%，CO₂排放量可降低 13%^[1]，由此可见，汽车轻量化对于“节能减排”有着很大的作用。

传动轴是汽车重要组成部分，也是常见的轻量化部件。采用复合材料会减轻传动轴质量表现在两方面。其一，碳纤维密度比钢材小得多，大约为钢材的1/4，碳纤维本身质量就小于钢材质量。其二，由于弯曲固有频率的限制，金属传动轴一般分为两段，中间会设有支承装置，增加结构复杂性的同时，大大增加了传动轴结构重量。而碳纤维的优良性能使单段传动轴成为可能，极大的简化了传动轴结构，从而进一步减轻了传动轴质量。Dai Gil Lee^[2]等人将传统的两段式钢制传动轴设计为单段式复合材料传动轴，重量减轻72%，并通过理论计算和有限元分析方法，证实了单段式碳纤维传动轴的可靠性。可见碳纤维代替钢材制备传动轴可大大减轻其重量，符合轻量化发展方向，进而降低了油耗并减少了排放，满足节能减排的时代需求。因此，有必要进一步学习、研究碳纤维复合材料的设计方法。

1.2国内外研究现状

碳纤维复合材料传动轴在国外的研究始于1970 年,Derek N.Yates等人申请了碳纤维复合材料传动轴专利，奠定了碳纤维复合材料传动轴的基本形式^[3],复合材料传动轴开始慢慢发展起来。2012 年以来，由宝马公司牵头的一些大型汽车公司已经实现碳纤维复合材料汽车传动轴的产品化^[4]。国外对复合材料传动轴的优化和疲劳强度有较多研究,M.A.Badie等^[5]对复合材料传动轴的铺设角、扭转刚度、失效机制进行了研究。研究结果表明铺设角度越小传动轴固有频率越高；增加45°铺层比例，可以提高传动轴的强度与刚度。Ratnam^[6]等研究了复合材料混合传动轴在满足扭转刚度和扭转强度的要求下优化一阶固有频率的方法。Satheesh Kumar Reddy^[7]论述了客车、小型货车、货车复合传动轴的设计方法、材料选择、最佳堆垛顺序，并利用有限元软件ANSYS编制了优化设计的传动轴有限元模型。Paulo Stedile Filho^[8]等采用解析法、数值法和实验法研究了纤维缠绕碳/环氧复合材料轴在扭转和径向/轴向压缩下的力学行为。

国内在复合材料传动轴的研究方面起步比较晚，近几年国内关于复合材料混合传动轴的研究发展迅速^[9]，洪宝剑^[10]对碳纤维轴管设计以及轴管与两端金属件的连接结构设计做了深入研究，并提供了相应设计方法。周冲，王丹勇^[11]等建立了一种碳纤维复合材料轴类零件设计的可靠性分析方法。Zeyu Sun^[12]等提出了可以采用集成法兰缠绕法制备碳纤维增强复合材料(CFRP)驱动轴，并采用有限元分析和试验相结合的方法，对CFRP轴的固有频率和阻尼进行了研究。