碳纤维传动轴的成型设计分析

  金属件与碳纤维复合传动轴的连接部分容易出现失效现象,因此金属件与碳纤维复合传动轴的连接方式是制约碳纤维复合传动轴成型的关键因素。对比胶接连接、机械连接和混合连接可以发现,这几种连接方式都存在连接金属件与碳纤维复合材料连接部分强度低,装配效率低的问题。

  针对这种碳纤维轴结构我们研究了一种不破坏纤维的生产工艺方法,由于湿法缠绕成型所需设备简单,工序少而生产周期较短,可有效降低制造成本和提高生产效率。资料表明,以湿法缠绕代替干法缠绕,成本约降低40%。并且湿法缠绕工艺能使浸渍树脂的纤维直接缠绕在芯模上。所以我们设计的工艺方法依托于湿法缠绕的成型工艺。

  芯模两端有8个凹槽的圆柱,这样纤维缠绕出来的碳纤维轴两端内表面会有突起半圆,外表面就会有需要的半圆孔。这样缠绕就会存在一个纤维不能落在芯模凹槽上的问题,而目的效果是碳纤维要紧密贴合与芯模表面。为了解决这一问题我们设计了一种装置,能够使纤维紧贴与芯模表面。

  碳纤维缠绕时,芯模为定轴转动,压纤齿轮随着芯模的齿传动。当纤维缠绕至两端时压纤齿轮会将漂浮于芯模表面的碳纤维压下去,这样碳纤维就能紧密贴合于芯模上,最终得到我们需要的外表面有半圆孔的碳纤维轴成品。

  由于碳纤维轴的直径随着缠绕的进行会逐渐变大,所以压纤齿轮不能固定不动,这里用两个轴套板一段共轴,另一端分别套在压纤齿轮和芯模的中心轴上,两个轴套板设置一伸长状态的弹簧,有了弹簧不但可以使芯模轴心和压线齿轮轴心的距离随着碳纤维轴的直径增大而增大,还持续提供了二者贴合的力。

  在设计这种碳纤维传动轴的工艺时,我们还是以目前碳纤维加工用的最多的缠绕的方式为中心,设计的结构和加工工艺都是方便缠绕的。碳纤维轴较传统的金属轴,我们采用中空的,因为传递扭矩时应力主要分布于外表面,并且碳纤维较普通结构钢的强度也大很多。每个工艺和结构力学分析都是合理的。