摘要：結(jié)合某四驅(qū)SUV提出一種輕量化碳纖維傳動軸,，通過對鋪層數(shù)量以及纏繞角度的設(shè)計(jì)得出碳纖維傳動軸方案并制作樣件,。通過對比碳纖維傳動軸仿真模態(tài)與實(shí)測模態(tài)的差異，得到傳動軸總成仿真模態(tài)與實(shí)測模態(tài)差異高達(dá)34%,，差異顯著,。進(jìn)而實(shí)測了碳纖維傳動軸對整車NVH性能的影響，結(jié)果表明：碳纖維傳動軸由于模態(tài)偏低,，會導(dǎo)致整車低頻共振問題,。最后評估了國內(nèi)碳纖維傳動軸在乘用車上應(yīng)用的可行性,。0 引言碳纖維復(fù)合材料性能優(yōu)越,，具有高強(qiáng)度、高剛度,、低密度的特點(diǎn),，過往在航天航空和軍事領(lǐng)域應(yīng)用比較多,，隨著技術(shù)水平的進(jìn)步在汽車制造行業(yè)也逐步開始應(yīng)用。鑒于當(dāng)下汽車輕量化的趨勢,，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料低密度的特性,，對碳纖維傳動軸進(jìn)行研究。傳統(tǒng)乘用車軸距普遍較長,，四驅(qū)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(tǒng)鋼管傳動軸長度超過1.5 m需采用兩段式結(jié)構(gòu),，中間設(shè)置支撐支架，不僅增加了質(zhì)量,，還產(chǎn)生了額外噪聲,。由于碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、高剛度的特性,，碳纖維傳動軸可以采用一段式設(shè)計(jì),。國內(nèi)外都對碳纖維傳動軸進(jìn)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(fù)合材料傳動軸”的專利,，CHO等[2]設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法。KHOSHRAVAN等[3-4]用一段式復(fù)合材料傳動軸代替了傳統(tǒng)的兩段式鋼制傳動軸,，對擬定的鋪層方案進(jìn)行理論計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)了碳纖維傳動軸的產(chǎn)品化,。國內(nèi)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(shù)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(shè)計(jì)一種碳纖維復(fù)合材料混合傳動軸，并研究了碳纖維復(fù)合材料混合傳動軸的靜力學(xué)性能以及固有頻率性能,。本文作者結(jié)合某四驅(qū)SUV車型,，研究國內(nèi)碳纖維傳動軸在乘用車上應(yīng)用的可行性。1 碳纖維傳動軸設(shè)計(jì)1.1 碳纖維傳動軸性能指標(biāo)傳動軸在工作時(shí)受到扭矩的作用,，按最大扭矩Tmax下的應(yīng)力τmax不超過扭轉(zhuǎn)許用應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì),。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(nèi)徑,；S為安全系數(shù)。傳動軸受到扭矩會引起扭轉(zhuǎn)變形,，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角φ,，扭轉(zhuǎn)角過大會導(dǎo)致傳力的延時(shí)，并增大正反扭轉(zhuǎn)下的扭轉(zhuǎn)間隙,，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)按要求控制單位長度扭轉(zhuǎn)角φe,。φe=φ/l=[T/(GIP )]×(180/π)式中：l為傳動軸長度；T為傳動軸扭矩,；GIP為扭轉(zhuǎn)剛度,，IP=π(D4-d4)/32。傳動軸臨界轉(zhuǎn)速一般指其一階彎曲固有頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速,，是低階模態(tài),，因此考慮剪切變形的系數(shù)接近1，利用伯努利-歐拉梁理論,，一階彎曲固有頻率fnb1計(jì)算如下：相應(yīng)的一階臨界轉(zhuǎn)速Ncrb1計(jì)算如下：1.2 碳纖維傳動軸方案設(shè)計(jì)碳纖維傳動軸總成的設(shè)計(jì),，主要是通過對碳纖維軸管的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)傳動軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度,、固有頻率等性能的要求。軸管設(shè)計(jì)有鋪層數(shù)量和纏繞角度兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù),。其中,，鋪層數(shù)量與扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、固有頻率均正相關(guān),，與質(zhì)量,、成本負(fù)相關(guān)；由于碳纖維復(fù)合材料具有各向異性的特點(diǎn),，不同纏繞角度對扭轉(zhuǎn)強(qiáng)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(zhuǎn)強(qiáng)度及扭轉(zhuǎn)剛度，90°可用于抵抗摩擦,。文中根據(jù)傳動軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度設(shè)計(jì)初始鋪層,，結(jié)合鋪層原則，擬定多種鋪層方案,。進(jìn)一步,，利用ANSYS等仿真軟件結(jié)合傳動軸固有頻率、沖擊性能,、質(zhì)量等性能進(jìn)行鋪層優(yōu)化,，制定最優(yōu)鋪層方案[7]。由公式(1),、(2),、(4)可知，在滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度,、扭轉(zhuǎn)剛度的前提下,，可通增加鋪層數(shù)量、采用高模量材料,、以及改變纏繞角度提高臨界轉(zhuǎn)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(shù)量空間不大,。結(jié)合某四驅(qū)SUV,，綜合考慮扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、扭轉(zhuǎn)剛度,、臨界轉(zhuǎn)速以及實(shí)現(xiàn)減重,，在滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度1 700 N·m前提下，設(shè)計(jì)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(tài)與實(shí)測模態(tài)對比如圖1、圖2所示,，傳動軸軸管仿真模態(tài)為99.75 Hz,，實(shí)測模態(tài)為101.3 Hz，兩者偏差僅為1.5%,，仿真結(jié)果十分準(zhǔn)確,。如圖3所示，傳動軸總成仿真模態(tài)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(dá)34%,，差異顯著,。鑒于傳動軸軸管仿真模態(tài)與實(shí)測模態(tài)的差異可忽略，得出傳動軸總成仿真模態(tài)與實(shí)測模態(tài)差異來自于傳動軸的萬向節(jié)以及用于萬向節(jié)與軸管連接的金屬連接段,。分析認(rèn)為導(dǎo)致模態(tài)差異的原因有3個(gè)：(1)仿真時(shí)對萬向節(jié)以及金屬連接段施加的約束與實(shí)車測試的約束方式差異較大,；(2)仿真時(shí)對萬向節(jié)及金屬連接段的簡化與網(wǎng)格的劃分不準(zhǔn)確；(3)樣件中軸管,、金屬連接段以及萬向節(jié)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(qū)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(jié)果表明,，不同油門開度下,，加速行駛過程中均出現(xiàn)69 Hz明顯低頻共振帶，加速轟鳴問題嚴(yán)重,。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(shù)量來提升模態(tài)，但結(jié)合國內(nèi)碳纖維傳動軸設(shè)計(jì)及制造能力,，模態(tài)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(jié)論(1)國內(nèi)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(shè)計(jì)初期對傳動軸總成固有頻率的仿真結(jié)果參考性不高,。(2)一段式碳纖維傳動軸模態(tài)低,，會導(dǎo)致整車NVH問題。(3)目前傳動軸的主流供應(yīng)商并沒有涉及碳纖維傳動軸的業(yè)務(wù)領(lǐng)域,，碳纖維傳動軸的研究開發(fā)主要集中在高效及一些新興的復(fù)合材料廠家,，供應(yīng)商資源不足，且量產(chǎn)實(shí)際較少,，可靠性有待確認(rèn),。綜上得出，目前國內(nèi)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(shí)車應(yīng)用可能性,。作者：戰(zhàn)敏,，陳強(qiáng),，王敷玟 |
