专利名称：一种拉挤缠绕成型复合材料汽车传动轴及其制备方法
技术领域：
本发明属于复合材料领域，涉及一种拉挤缠绕成型复合材料汽车传动轴及其制备方法。
背景技术：
汽车传动轴是连接变速器和驱动桥的传动装置。一般情况下，当传统金属传动轴的长度超过I米时，为了避免因临界转速低而产生共振现象，常需将传动轴分成两段。用复合材料制造此类传动轴，可以将两段传动轴简化成单件，不仅减少了轴重，而且减去了中间支承和相应连接、密封元件，有效降低了传动系统的总重量。
目前复合材料汽车传动轴主要为通过定长缠绕工艺成型的纤维增强树脂基复合材料。由于纤维增强复合材料具有各向异性，需对轴管进行合理的设计和制造，使得复合材料传动轴满足扭转强度、临界转速和临界屈曲等要求。定长缠绕工艺虽可按照结构的载荷需要，沿最佳方向布置增强材料，但是沿制品轴向铺设纵向纤维(即0°纤维)较为困难。而0°方向纤维层的设置对于提高传动轴的抗弯刚度具有重要作用。另一方面，复合材料轴管和金属连接件的连接是整个传动轴结构中较为重要的部分，其可靠性关系到复合材料传动轴的抗扭和长期性能。因此，需要一种合理可靠的复合材料汽车传动轴连接结构，使得复合材料传动轴在长期工作情况下能平稳传递载荷。在轴管结构方面，目前复合材料汽车传动轴多为内壁无凸台的光滑圆管。并采取为纯胶接或机械连接-胶接混合连接方式进行连接。其中机械连接主要包括销钉连接，螺栓连接、销键连接等。由于复合材料传动轴为薄壁管状结构，在管壁上进行开孔连接会导致纤维切断，并容易弓I入层间裂纹，导致长期性能问题。在制造工艺方面，复合材料汽车传动轴成型工艺和装配方法对于其在工作状态下的性能也有较大的影响，需要一种合理高效的自动化制造方法，使得复合材料传动轴拥有稳定的成型质量，并满足批量生产要求。连续纤维增强复合材料薄壁构件的自动化生产方式主要为缠绕工艺和拉挤工艺。其中，定长缠绕工艺的生产为非连续性的，生产效率不高；而拉挤工艺虽非常适合于生产0°方向纤维增强的复合材料，但难于实现非0°纤维的准确铺放，不利于对横向性能和其他性能有较高要求的复合材料汽车传动轴的制造。复合材料拉挤缠绕工艺包括拉挤与缠绕两个工序，可以制造对横向性能和其他性能有特殊要求的制品，如小直径的杆类结构件、管或梁体结构件。复合材料汽车传动轴对于扭转强度、临界转速和临界屈曲等方面都有使用要求，对此，复合材料铺层结构中需含有不同角度的铺层以满足不同方面的需求。拉挤缠绕工艺结合拉挤及缠绕成型的特点，能成型出含有不同铺层角度的复合材料铺层，能保证成型质量的一致性，另一方面，拉挤缠绕工艺生产具有连续性，生产效率较高，适合于大规模生产。当采取拉挤缠绕工艺时，常见的生产方式是先拉挤后缠绕，即先拉挤出复合材料汽车传动轴内侧，再在拉挤出的构件上缠绕其他方向铺层。针对拉挤缠绕工艺的特点，本发明提出在复合材料轴管内侧铺设拉挤成型的复合材料凸台的方案，复合材料凸台沿整个复合材料传动轴轴向铺设，形成一种独特的轴管内侧结构。在连接端，能提供花键连接的方式，同时，轴向铺设的复合材料凸台能提高轴向刚度，由此进一步提高临界转速。复合材料轴管与金属连接件间通过胶黏剂进行胶接，与复合材料凸台配合，形成花键- 胶接混合连接的形式，这样的混合连接方式能增强连接端的承载能力和长期可靠性。复合材料轴管和金属连接件之间含有织物增强层，能防止发生层间破坏，同时提高连接强度。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种复合材料汽车传动轴及其制备方法。本发明的复合材料汽车传动轴采用拉挤缠绕工艺制造，一方面可以使纤维沿传动轴轴向(即下文所述O度方向)或与传动轴轴向成一定角度铺设，满足传动轴在扭转强度，临界转速和临界屈曲等方面的使用要求，另一方面，可保证高效生产和成品质量的一致性；由管体内壁凸台构成的花键-胶接混合连接方式可在承载能力和疲劳性能方面满足机动车长期使用要求。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种复合材料汽车传动轴，包括轴管、金属连接件和胶层，所述的轴管从外向内依次包括有管体、凸台和织物增强层；所述的轴管的两侧通过胶层及凸台与金属连接件之间呈花键连接-胶接混合连接。所述的胶层是轴管通过其内壁涂覆的轴管内壁胶层与金属连接件外壁涂覆的金属连接件外壁胶层匹配胶合形成的；所述的金属连接件的材料为钢或铝合金。所述的轴管采用拉挤缠绕成型工艺制造，其纤维体积含量大于等于60%。所述的凸台分布的方向与轴管的轴向平行，凸台环向不连续地分布在织物增强层和管体之间；所述的凸台的铺层方式为轴向铺层；所述的管体中增强纤维由外向内的铺层方式依次为环向铺层、交叉铺层和轴向铺层；这种同时含有环向铺层、交叉铺层以及轴向铺层的铺层方式能满足临界转速、扭转强度和临界屈曲等方面的要求。所述的凸台的材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料；所述的环向铺层的角度为80度至90度；所述的交叉铺层角度为30度至60度；所述的轴向铺层的角度为O度，其中上述各铺层是以沿轴管轴线方向为O度方向；所述的管体中的增强纤维为同种纤维或混杂纤维；当采取同种纤维增强形式时，管体的材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料；当采取混杂纤维增强形式时，管体中，环向铺层和轴向铺层的材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料，交叉铺层材料为玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料。所述的管体的轴向铺层通过拉挤工艺成型，交叉铺层以及环向铺层通过缠绕工艺成型；所述的凸台沿整个轴管通过拉挤工艺成型于轴管内侧，其铺层为轴向铺层。凸台能提高轴管的轴向刚度，进一步提高复合材料汽车传动轴的临界转速，另一方面，凸台及其外覆的织物增强层能形成花键键齿的结构，并与金属连接件相配合，形成花键连接的形式。所述的织物增强层的铺层为双向或多向铺层；当采用双向铺层时，铺设方式为±45度交叉铺设；当采用多向铺层时，铺设方式同样为交叉铺设，铺层数量为2 6层，铺层角度为30度 60度。织物增强层能提高连接强度并防止发生层间破坏。一种上述复合材料汽车传动轴的制备方法，其特征在于包括以下步骤(I)拉挤缠绕出一段轴管，将该轴管截断；(2)对轴管内壁涂抹胶黏剂形成的轴管内壁胶层，在金属连接件的外壁涂抹胶黏剂形成金属连接件外壁胶层；(3)将轴管内壁涂覆的轴管内壁胶层与金属连接件外壁涂覆的金属连接件外壁胶层进行胶合连接，形成胶层，得到拉挤缠绕成型复合材料汽车传动轴。 所述的胶黏剂为增韧环氧胶黏剂，室温时的剪切强度大于30MPa，湿热老化后剪切强度大于25MPa。所述的步骤(I)中轴管的拉挤缠绕成型方法，包括以下步骤(a)用拉挤法一体成型轴管内层，包含有织物增强层、凸台以及管体最内层的轴向铺层；(b)以步骤(a)制得的轴管内层为芯模，缠绕成型的轴管的交叉铺层和环向铺层；(c)将步骤(b)制得的材料切割得到轴管。所述的拉挤缠绕成型的复合材料汽车传动轴，在装配过程中采取花键连接-胶接的连接形式。含有凸台的轴管与金属连接件之间通过胶层进行连接，形成花键连接-胶接混合连接的连接方式。轴管内壁上的轴管内壁胶层与金属连接件外壁上的金属连接件外壁胶层胶合形成有胶层，进行套合胶接。通过采取上述技术方案，本发明具有以下有益效果采取拉挤缠绕工艺，复合材料汽车传动轴可含有O度纤维层，且成型质量具有一致性，同时，得益于高效的生产方式，拉挤缠绕成型复合材料汽车传动轴具有投入批量生产的能力。另一方面，根据拉挤缠绕工艺提供一种合理的复合材料汽车传动轴，其内侧沿整个复合材料轴管的轴向含有拉挤成型复合材料凸台，在连接部分，能提供花键连接的方式，同时，由于增加了复合材料轴管轴向刚度，复合材料凸台能进一步增加复合材料汽车传动轴的临界转速。复合材料轴管和金属连接件形成花键连接-胶接混合连接的形式，增强了连接强度，并具有长期可靠性。
图I为本发明实施例的复合材料汽车传动轴整体结构图。图2为本发明实施例的复合材料汽车传动轴一端的装配图。图3是本发明实施例的复合材料汽车传动轴连接部分横截面图。图4是本发明实施例的复合材料汽车传动轴连接部分正视细节图。图5为本发明实施例的轴管的铺层图。附图标注
I轴管，2金属连接件，31轴管内壁胶层，32金属连接件外壁胶层，3胶层4管体，5凸台，6织物增强层，7环向铺层，8交叉铺层，9管体的轴向铺层，10凸台的轴向铺层，11双向或多向铺层。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。一种复合材料汽车传动轴，如图I所示，包括轴管I、金属连接件2和胶层3，其中轴管I从外向内依次包括有管体4、凸台5和织物增强层6 ;轴管I的两侧通过胶层3及凸台5与金属连接件2之间呈花键连接-胶接混合连接，如图4所示。如图2、图3所示，胶层3是轴管I通过其内壁涂覆的轴管内壁胶层31与金属连接件2外壁涂覆的金属连接件外壁胶层32匹配胶合形成的；金属连接件2的材料为钢或铝合金。轴管I采用拉挤缠绕成型工艺制造，其纤维体积含量大于等于60%。凸台5分布的方向与轴管I的轴向平行，凸台5环向不连续地分布在织物增强层6和管体4之间；凸台5的铺层方式为轴向铺层9 ；如图5所示，管体4中增强纤维由外向内的铺层方式依次为环向铺层7、交叉铺层8和轴向铺层9 ;这种同时含有环向铺层7、交叉铺层8以及轴向铺层9的铺层方式能满足临界转速、扭转强度和临界屈曲等方面的要求。凸台5的材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料；环向铺层7的角度为80度至90度；交叉铺层8角度为30度至60度；轴向铺层9的角度为O度，其中上述各铺层是以沿轴管I轴线方向为O度方向；轴管4中的增强纤维为同种纤维或混杂纤维；当采取同种纤维增强形式时，管体4的材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料；当采取混杂纤维增强形式时，管体4中，环向铺层7和轴向铺层9的材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料，交叉铺层8材料为玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料。管体4的轴向铺层9通过拉挤工艺成型，交叉铺层8以及环向铺层7通过缠绕工艺成型；凸台5沿整个轴管I通过拉挤工艺成型于轴管I内侧，其铺层为轴向铺层10。凸台5能提高轴管I的轴向刚度，进一步提高复合材料汽车传动轴的临界转速，另一方面，凸台5及其外覆的织物增强层6能形成花键键齿的结构，并与金属连接件2相配合，形成花键连接的形式。织物增强层6的铺层为双向或多向铺层11 ;当采用双向铺层时，铺设方式为±45度交叉铺设；当采用多向铺层时，铺设方式同样为交叉铺设，铺层数量为2 6层，铺层角度为30度 60度。
实施例I某复合材料汽车传动轴，由一段长为I. 7m,直径为76_的复合材料轴管I与两端金属连接件2装配而成。复合材料轴管材料为T300纤维增强环氧树脂基复合材料，其单层板厚度为O. 2mm，其典型性能参数如表I、表2所示表I
权利要求
1.一种复合材料汽车传动轴，其特征在于包括轴管(I)、金属连接件(2)和胶层(3)，所述的轴管(I)从外向内依次包括有管体(4)、凸台(5)和织物增强层(6);所述的轴管(I)的两侧通过胶层(3)及凸台(5)与金属连接件(2)之间呈花键连接-胶接混合连接。
2.根据权利要求I所述的复合材料汽车传动轴，其特征在于所述的胶层(3)是轴管(I)通过其内壁涂覆的轴管内壁胶层(31)与金属连接件(2)外壁涂覆的金属连接件外壁胶层(32)匹配胶合形成的； 或所述的金属连接件(2)的材料为钢或铝合金； 或所述的轴管(I)采用拉挤缠绕成型工艺制造，其纤维体积含量大于等于60%。
3.权利要求I所述的复合材料汽车传动轴，其特征在于所述的凸台(5)分布的方向与轴管(I)的轴向平行，凸台(5)环向不连续地分布在织物增强层(6)和管体(4)之间； 或所述的凸台(5)的铺层方式为轴向铺层(10)； 或所述的管体(4)中增强纤维由外向内的铺层方式依次为环向铺层(7)、交叉铺层(8)和轴向铺层(9); 或所述的凸台(5)的材料为碳纤维增强树脂基复合材料。
4.根据权利要求3所述的复合材料汽车传动轴，其特征在于所述的环向铺层(7)的角度为80度至90度；所述的交叉铺层(8)角度为30度至60度；所述的轴向铺层(9)的角度为O度，其中上述各铺层是以沿轴管(I)轴线方向为O度方向。
5.根据权利要求I所述的复合材料汽车传动轴,其特征在于所述的管体(4)中的增强纤维为同种纤维或混杂纤维；当采取同种纤维增强形式时，管体(4)的材料为碳纤维增强树脂基复合材料；当采取混杂纤维增强形式时，管体(4)中环向铺层(7)和轴向铺层(9)的材料为碳纤维增强树脂基复合材料，交叉铺层(8)材料为玻璃纤维增强树脂基复合材料。
6.根据权利要求3所述的复合材料汽车传动轴，其特征在于所述的管体(4)的轴向铺层(9 )通过拉挤工艺成型，交叉铺层(8 )以及环向铺层(7 )通过缠绕工艺成型； 或所述的凸台(5)沿整个轴管(I)通过拉挤工艺成型于轴管(I)内侧，其铺层为轴向铺层(10)。
7.根据权利要求I所述的复合材料汽车传动轴，其特征在于所述的织物增强层(6)的铺层为双向或多向铺层(11);当采用双向铺层时，铺设方式为±45度交叉铺设；当采用多向铺层时，铺设方式同样为交叉铺设，铺层数量为2 6层，铺层角度为30度 60度。
8.—种上述权利要求1-7中任一所述的复合材料汽车传动轴的制备方法，其特征在于包括以下步骤 (1)拉挤缠绕出一段轴管(I)，将该轴管(I)截断； (2)对轴管(I)内壁涂抹胶黏剂形成的轴管内壁胶层(31)，在金属连接件(2)的外壁涂抹胶黏剂形成金属连接件外壁胶层(32)； (3)将轴管(I)的内壁涂覆的轴管内壁胶层(31)与金属连接件(2)外壁涂覆的金属连接件外壁胶层(32)进行胶接，形成胶层(3)，得到拉挤缠绕成型复合材料汽车传动轴。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于所述的胶黏剂为增韧环氧胶黏剂，室温时的剪切强度大于30MPa，湿热老化后剪切强度大于25MPa。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于所述的步骤(I)中轴管(I)的拉挤缠绕成型方法，包括以下步骤(a)用拉挤法一体成型轴管(I)内层，包含有织物增强层(6)、凸台(5)以及管体(4)最内层的轴向铺层(9)； (b)以步骤(a)制得的轴管(I)内层为芯模，缠绕成型轴管(I)的交叉铺层(8)和环向铺层(7); (c)将步骤·(b)制得的材料切割得到轴管(I)。
全文摘要
本发明属于复合材料领域，涉及一种拉挤缠绕成型复合材料汽车传动轴及其制备方法。该复合材料汽车传动轴，包括轴管(1)、金属连接件(2)和胶层(3)，所述的轴管(1)从外向内依次包括有管体(4)、凸台(5)和织物增强层(6)；所述的轴管(1)的两端通过胶层(3)及凸台(5)与金属连接件(2)之间呈花键连接-胶接混合连接。本发明根据拉挤缠绕工艺提供一种合理的复合材料汽车传动轴，其内侧沿整个轴管的轴向含有拉挤成型复合材料凸台，在连接部分，轴管和金属连接件形成花键连接-胶接混合连接的形式，增强了连接强度，并具有长期可靠性。
文档编号B60K17/22GK102815210SQ201210316390
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者李文晓, 薛元德, 石延景 申请人:同济大学