一種三維編織復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種汽車傳動(dòng)軸制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用于不同車型的三維編織纖維織物結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳動(dòng)軸作為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要傳遞動(dòng)力的部件，其作用是主要與變速箱、驅(qū)動(dòng)橋一并將發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的動(dòng)力有效傳遞給車輪以使得汽車產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。經(jīng)過研究表明，傳動(dòng)系統(tǒng)自身運(yùn)轉(zhuǎn)過程中由于自重的原因?qū)⑾牡舭l(fā)動(dòng)機(jī)能量的17-22%，而目前采用的金屬材質(zhì)的傳動(dòng)軸，由于金屬本身較大的體密度而將造成發(fā)動(dòng)機(jī)能量利用效率的較大負(fù)擔(dān)。除此以外，金屬材質(zhì)傳動(dòng)軸部件在運(yùn)行過程中，在軸管、萬向節(jié)以及伸縮套之間各個(gè)部件的摩擦也帶來了較大的阻力，這對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)能量的消耗也有不容忽視的負(fù)擔(dān)。
[0003]復(fù)合材料材質(zhì)的汽車傳動(dòng)軸具有重量輕、強(qiáng)度高、耐磨擦等優(yōu)勢(shì)，可以適用于較大扭矩、較高轉(zhuǎn)速以及較長(zhǎng)跨距的應(yīng)用，除此以外，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)較低，可以隔絕噪聲和振動(dòng)，能夠大大減輕汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的能量消耗，明顯降低油耗而提升燃油效率。傳統(tǒng)的復(fù)合材料傳動(dòng)軸較多采用二維纏繞方式制備，在制備過程中通過高性能纖維長(zhǎng)絲的螺旋纏繞提高軸體強(qiáng)度和剛度。而這種纖維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的汽車傳動(dòng)軸存在較大問題，首先纏繞過程中的纖維的排布屬于二維平面排布，這對(duì)于重型汽車要求的大扭矩或長(zhǎng)跨距的軸體要求顯然滿足不了，此外，纏繞工藝制備的復(fù)合材料傳動(dòng)軸部件也存在剛度和強(qiáng)度不穩(wěn)定的問題而帶來使用壽命的無法保證。
[0004]雖然文獻(xiàn)《氣囊/VARTM工藝成型三維復(fù)合材料傳動(dòng)軸》公開的是采用三維玻璃纖維編織物，但是玻璃纖維的比強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性較弱，尤其是對(duì)堿性介質(zhì)而言，所以在制備得到的三維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的力學(xué)性能并不理想，不能滿足較大扭矩的使用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)目前傳統(tǒng)金屬材質(zhì)以及二維纏繞復(fù)合材料材質(zhì)汽車傳動(dòng)軸的重量大、油耗高、剛度以及壽命穩(wěn)定性不高的種種問題，本發(fā)明提供了一種三維編織織物增強(qiáng)復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和真空導(dǎo)入快速固化的成型技術(shù)，可以通過三維織物結(jié)構(gòu)將傳動(dòng)軸管及萬向節(jié)等重要汽車傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)零部件達(dá)到均質(zhì)高強(qiáng)、高剛度以及減震性能優(yōu)異的綜合特性提升的目的，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0006]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]—種三維編織復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸，包括三維編織復(fù)合材料傳動(dòng)軸管、三維編織復(fù)合材料萬向節(jié)和三維編織復(fù)合材料連接套筒；
[0008]所述三維編織復(fù)合材料傳動(dòng)軸管的兩端部軸管壁內(nèi)設(shè)有若干個(gè)第一內(nèi)滑動(dòng)花鍵槽，所述三維編織復(fù)合材料傳動(dòng)軸管是由高剛度纖維混雜制成的三維立體編織預(yù)制體、沿所述三維立體編織預(yù)制體中的第一內(nèi)滑動(dòng)花鍵槽部位處預(yù)制體厚度方向的二次鋪縫結(jié)構(gòu)和熱固性樹脂復(fù)合成型；
[0009]所述三維編織復(fù)合材料萬向節(jié)是由萬向節(jié)端頭和與萬向節(jié)端頭相連萬向節(jié)套管組成，所述萬向節(jié)套管的壁內(nèi)設(shè)有若干個(gè)第二內(nèi)滑動(dòng)花鍵槽，所述三維編織復(fù)合材料萬向節(jié)包括高剛度碳纖維和高強(qiáng)高韌性纖維混雜制成的三維立體編織預(yù)制體、沿所述三維立體編織預(yù)制體中的第二內(nèi)滑動(dòng)花鍵槽部位處預(yù)制體厚度方向的二次鋪縫結(jié)構(gòu)和熱固性樹脂復(fù)合成型；
[0010]所述三維編織復(fù)合材料連接套筒的筒壁設(shè)有若干個(gè)與第一內(nèi)滑動(dòng)花鍵槽和第二滑動(dòng)花鍵槽相匹配的外滑動(dòng)花鍵，所述外滑動(dòng)花鍵與所述筒壁的連接處設(shè)有金屬增強(qiáng)件，所述三維編織復(fù)合材料連接套筒包括高強(qiáng)高韌纖維混雜制成的三維立體編織預(yù)制體、沿所述三維立體編織預(yù)制體中的外滑動(dòng)花鍵部位處預(yù)制體厚度方向的二次鋪縫結(jié)構(gòu)和熱固性樹脂復(fù)合成型。
[0011 ]優(yōu)選的，在三維編織復(fù)合材料傳動(dòng)軸管中，所述高剛度纖維選用高模量碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、玄武巖纖維等其中的兩種或兩種以上混雜組合，高模量碳纖維為M40 J碳纖維和/或M60 J碳纖維，所述高模量碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、玄武巖纖維的混雜比例根據(jù)實(shí)際工況要求靈活調(diào)整，可選用三維四向、三維五向、三維六向、三維七向中的一種或多種三維編織結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合編織。為進(jìn)一步提高傳動(dòng)軸管的力學(xué)性能，所述高模量碳纖維與碳化硅或氧化鋁纖維或玄武巖纖維的體積比例為I?6:1。
[0012]沿所述三維立體編織預(yù)制體中的第一內(nèi)滑動(dòng)花鍵槽部位處預(yù)制體厚度方向的二次鋪縫結(jié)構(gòu)為由鋪縫纖維沿所述三維立體編織預(yù)制體中的第一內(nèi)滑動(dòng)花鍵槽部位處預(yù)制體厚度方向鋪縫所形成的結(jié)構(gòu)。
[0013]優(yōu)選的，在三維編織復(fù)合材料萬向節(jié)中，高剛度碳纖維為高模量碳纖維(M40J、M60J)、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、玄武巖纖維中的任意一種，高強(qiáng)高韌性纖維為高強(qiáng)度纖維、芳綸纖維、UHMWPE纖維中的任意一種，高強(qiáng)度碳纖維為T300及其以上的碳纖維，主要包括T300、T700和T800。所述萬向節(jié)端頭與萬向節(jié)端頭采用一體化編織成型的方式，內(nèi)外徑規(guī)格、厚度以及長(zhǎng)度根據(jù)車輛要求而靈活調(diào)整。萬向節(jié)端頭選用十字軸式、球籠式、球叉式等各種不同類型。高剛度纖維和高強(qiáng)高韌性纖維的混雜比例根據(jù)實(shí)際工況要求靈活調(diào)整，可選用三維四向、三維五向、三維六向、三維七向中的一種或多種三維編織結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合編織。根據(jù)萬向節(jié)的受力特點(diǎn)，進(jìn)一步提尚萬向節(jié)的力學(xué)性能，所述尚剛度纖維與尚強(qiáng)尚韋刃性纖維的體積比例為1:1?3。
[0014]沿所述三維立體編織預(yù)制體中的第二內(nèi)滑動(dòng)花鍵槽部位處預(yù)制體厚度方向的二次鋪縫結(jié)構(gòu)為由鋪縫纖維沿所述三維立體編織預(yù)制體中的第二內(nèi)滑動(dòng)花鍵槽部位處預(yù)制體厚度方向鋪縫所形成的結(jié)構(gòu)。
[0015]優(yōu)選的，在三維編織復(fù)合材料連接套筒中，高強(qiáng)高韌性纖維為高強(qiáng)度纖維、芳綸纖維、UHMffPE纖維中的任意兩種進(jìn)行混雜組合，高強(qiáng)度碳纖維是指Τ300及其以上的碳纖維，主要包括Τ300、Τ700和Τ800。兩種纖維的混雜比例根據(jù)實(shí)際工況要求靈活調(diào)整，可選用三維四向、三維五向、三維六向、三維七向中的一種或多種三維編織結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合編織。在復(fù)合材料套筒花鍵與套筒主體連接部位的三維預(yù)制體織物內(nèi)嵌入金屬增強(qiáng)件。
[0016]沿所述三維立體編織預(yù)制體中的外滑動(dòng)花鍵部位處預(yù)制體厚度方向的二次鋪縫結(jié)構(gòu)為由鋪縫纖維沿所述三維立體編織預(yù)制體中的外滑動(dòng)花鍵部位處預(yù)制體厚度方向鋪縫所形成的結(jié)構(gòu)。
[0017]優(yōu)選的，所述二次鋪縫結(jié)構(gòu)所用的鋪縫纖維為高強(qiáng)度碳纖維，高強(qiáng)度碳纖維為T300及其以上的碳纖維。二次鋪縫結(jié)構(gòu)的鋪縫纖維占整個(gè)三維立體編織預(yù)制體纖維的重量比為5?50%。
[0018]優(yōu)選的，所述熱固性樹脂為環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂的任意一種，最終制得的三維編織復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸樹脂的含量為35?50%。
[0019]所述的汽車傳動(dòng)軸的三維編織復(fù)合材料傳動(dòng)軸管和萬向節(jié)套管端的連接通過帶有滑動(dòng)花鍵的三維編織復(fù)合材料連接套筒形成整體，三維編織復(fù)合材料連接套筒兩端分別套入三維編織復(fù)合材料傳動(dòng)軸管和萬向節(jié)套管端完成二者之間連接。三維編織復(fù)合材料滑動(dòng)套筒的內(nèi)外徑規(guī)格、厚度以及長(zhǎng)度根據(jù)車輛要求而靈活調(diào)整。
[0020]汽車傳動(dòng)軸為主承力結(jié)構(gòu)件，在使用過程中會(huì)受到非常大的扭矩和彎矩，其轉(zhuǎn)速高、離心力大、扭振較大，故其強(qiáng)度和剛度是表明汽車傳動(dòng)軸性能是否優(yōu)異的重要指標(biāo)，強(qiáng)度是傳動(dòng)軸在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力(永久變形、斷裂)，它是衡量傳動(dòng)軸本身承載能力(即抵抗失效能力)的重要指標(biāo)。剛度是指材料在受力時(shí)抵抗彈性變形的能力(抵抗彈性變形)。本發(fā)明的傳動(dòng)軸管、萬向節(jié)和連接套筒的三維立體編織預(yù)制體的纖維類型、比例以及排布方向組合是根據(jù)汽車傳動(dòng)軸傳動(dòng)過程的受力特點(diǎn)而特定選擇的，是發(fā)明人經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的，本發(fā)明通過恰當(dāng)?shù)剡x擇各個(gè)部件的纖維混雜類型以及比例，既保證了較高的剛度，也具有較高的強(qiáng)度。具體而言:
[0021]傳動(dòng)軸管具有質(zhì)量輕但能傳遞較大的扭矩，本發(fā)明的傳動(dòng)軸管特別選用高模量碳纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維、玄武巖纖維中的兩種或兩種以上混雜組合，其中高模量碳纖維具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、超高模、高導(dǎo)熱、高導(dǎo)熱、低熱膨脹系數(shù)的特性，廣泛應(yīng)用在航天、航空、運(yùn)動(dòng)器材等先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體。碳化硅纖維是以有機(jī)硅為原料經(jīng)紡絲、碳化或氣相沉積制得具有碳化硅結(jié)構(gòu)的無機(jī)纖維，屬于陶瓷類纖維，碳化硅纖維具有較高的比強(qiáng)度和比模量高、高溫性能好;碳化硅纖維的熱膨脹系數(shù)比金屬小，因此具有良好的尺寸穩(wěn)定性能;碳化硅纖維性能穩(wěn)定，不存在吸潮、老化、分解等問題，保證了使用和可靠性;碳化硅纖維具有較好的界面結(jié)構(gòu)，有效阻止裂紋的擴(kuò)散，具有優(yōu)良的抗蠕變和抗疲勞性能。氧化鋁纖維具有質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、高模量、高耐熱性、低變形、耐腐蝕，易于與各種纖維復(fù)合，抗震性好，具有抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度高、線性膨脹系數(shù)小。玄武巖纖維具有較高的斷裂比強(qiáng)度，較