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申请/专利权人：吉林大学

摘要：本发明公开了一种碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，包括：空心轴管，其两端沿圆周均匀设置多个第一矩形齿；两个轴管接头，其分别匹配固定在所述空心轴管两端，所述轴管接头的厚度小于所述空心轴管的厚度，并且所述轴管接头的内壁与所述空心轴管内壁平滑连接；万向节，其一端为管状，并且沿圆周设置有多个第二矩形齿，所述万向节匹配套设在所述轴管接头外壁，并且所述第二矩形齿和所述第一矩形齿啮合。在套设及啮合界面使用结构胶进行胶粘形成套设‑啮合式复合连接。本发明提供了一种碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，通过将异种材料可靠连接，保证传动轴在传递大扭矩工况下也具备良好的抗弯承扭承载性能。

主权项：1.一种碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构的制备方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构主要包括：空心轴管，其为中空结构，其两端沿圆周均匀设置多个第一矩形齿，第一矩形齿沿空心轴管的轴向向两端延伸；两个轴管接头，其分别匹配固定在空心轴管的两端，并且与空心轴管一体成型的；所述轴管接头的管壁厚度小于所述空心轴管的管壁厚度，并且所述轴管接头的内壁与所述空心轴管内壁平滑连接，因此在轴管接头的外壁与空心轴管外壁连接处形成一个凸台；万向节其一端为管状，并且沿圆周均匀设置有多个第二矩形齿，所述万向节套设在所述轴管接头外壁，并且所述第二矩形齿和所述第一矩形齿啮合；所述空心轴管和所述轴管接头均采用碳纤维材料制成；所述碳纤维的排布方向与所述空心轴管的轴向成0°、±45°和90°分布；所述空心轴管的长度为200mm~5000mm，内径10mm~200mm，外径15mm~300mm；所述轴管接头的轴向长度为5mm~100mm；所述矩形齿的厚度为3mm~30mm；所述轴管接头的臂厚为所述空心轴管的管壁壁厚的20％~60％；所述万向节接头采用钢材B480QZR制成；所述万向节接头与所述空心轴管、所述轴管接头之间通过结构胶连接；所述空心轴管和所述轴管接头采用热压固化成型工艺制成；所述第一矩形齿的个数为2，所述第一矩形齿在所述空心轴管的圆周分布所占角度为60°；所述万向节另一端连接变速箱或主减速器；所述碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构的具体制备方法，如下：根据传递扭矩及空间距离确定所述碳纤维复合材料传动轴轴管长1228mm，轴管内径79mm、轴管外径89mm，即碳纤维复合材料传动轴轴管壁厚5mm；所述轴管的铺层方案是将32层碳纤维复合材料传动轴轴管单向带按照与轴线成0°、±45°、90°分布的方向排布；采用热压固化成型工艺制备；将所述空心轴管两端外壁进行径向切薄3mm，切薄长度沿轴向距端面50mm，但要保留出2个对称分布的第一矩形齿，得到轴管接头；每个第一矩形齿在轴管圆周分布所占角度为60°，第一矩形齿厚度为5mm、长为20mm，对齿根角与齿顶角进行倒圆角，圆角半径为2mm，形成碳纤维复合材料传动轴轴管传动轴接头结构；将钢制万向节接头的内腔材料进行切削加工，使其直径与所述轴管接头的外径相同，同样切出均匀对称分布的两个第二矩形齿，每个第二矩形齿在圆周分布所占角度为60°，第二矩形齿厚度为5mm、长为20mm，对齿根角与齿顶角进行倒圆角，圆角半径为2mm；对空心轴管两端的轴管接头进行打磨，然后在轴管接头的外圆周面与第一矩形齿的端面和侧面与钢制万向节接头相互嵌套配合的位置涂上结构胶，然后插入钢制万向节接头的内腔，与其恰好相互嵌套，空心轴管上的两个第一矩形齿与万向节接头上的两个第二矩形齿键分别相互啮合，实现粘接，形成碳纤维复合材料传动轴轴管与钢制万向节的套设-啮合式复合连接结构，得到碳纤维复合材料汽车传动轴。

全文数据：一种碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构技术领域本发明涉及汽车管轴和接头领域，尤其涉及一种碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构。背景技术传动轴是发动机前置后驱车辆动力传动系统中必不可少的零部件，在动力传递过程中传动轴要承受要求的扭转载荷，因传动轴自重和振动动载荷作用，它还要承受一定的弯曲载荷。因此，传动轴的刚度、强度及疲劳寿命对整车的使用性能有重要影响。世界铝协研究数据表明，整车质量降低10％，燃油效率可提高6％-8％，传动轴是汽车上的旋转部件，其结构轻量化实现的节能减排效果比汽车上的移动件减重带来的效果更加显著。因此，对传动轴进行轻量化设计具有重要的工程应用价值。目前汽车传动轴是用一定直径和壁厚的钢管与两端等直径的万向节叉焊接而成，因钢的密度大，导致传动轴质量大，油耗和排放增加，同时还会增大汽车传动系统的冲击载荷，降低汽车传动系统零部件的使用寿命。因此，采用高强轻质CFRP设计开发出新型传动轴，对于实现汽车节能减排具有重要意义。然而传动轴两端的万向节叉以及用以少量改变传动轴长度的滑动花键，难以用CFRP制造，需要保留原来的金属材质不变，只有传动轴的中间轴段可用CFRP轴管替代，用以减轻整个传动轴的质量，同时要使CFRP轴管与两端的万向节叉的异种材料连接工作可靠，使CFRP传动轴与原钢制传动轴具有相同的强度、刚度和疲劳寿命。中国专利号CN205226113U的文献中公开了“一种碳纤维传动轴总成”，涉及的碳纤维轴管的两端分别安装有花键叉，该花键叉插入涂有胶水层的碳纤维轴管内，所述的花键叉与碳纤维轴管间的连接方式为胶粘+过盈配合连接方式，这种连接方式会因碳纤维复合材料与花键叉材料的热膨胀系数不同，在冬夏季当传动轴总成的使用温度发生较大变化时，因两者热胀冷缩变形量不同导致接头松动，当传递扭转载荷较大时，会造成碳纤维复合材料轴管与轴头发生相对滑动甚至完全脱落。中国专利号CN105333021A的文献中公开了“一种用于碳纤维复合材料传动轴与金属法兰的Z-pin联接方法”，涉及碳纤维复合材料传动轴与金属法兰联接处增加了过渡零件Z-pin套筒，碳纤维复合材料传动轴与Z-pin套筒通过纤维缠绕的方式形成一体，并且一起固化。在碳纤维复合材料传动轴工作过程中，传动轴将载荷传递到Z-pin套筒，Z-pin套筒通过销钉将载荷传递到金属法兰，这种连接方式可以实现碳纤维传动轴与金属法兰的可靠联接，但其结构复杂、制造工序较多、工艺繁琐、成本高。发明内容本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，通过将异种材料可靠连接，保证传动轴在传递大扭矩工况下也具备良好的抗弯承扭性能。本发明提供的技术方案为：一种碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，包括：空心轴管，其两端沿圆周均匀设置多个第一矩形齿；两个轴管接头，其分别匹配固定在所述空心轴管两端，所述轴管接头的管壁厚度小于所述空心轴管的管壁厚度，并且所述轴管接头的内壁与所述空心轴管内壁平滑连接；万向节，其一端为管状，并且沿圆周均匀设置有多个第二矩形齿，所述万向节套设在所述轴管接头外壁，并且所述第二矩形齿和所述第一矩形齿啮合。优选的是，所述空心轴管和所述轴管接头均采用碳纤维材料制成，所述碳纤维的排布方向与所述空心轴管的轴向成45°。优选的是，所述空心轴管的长度为200mm～5000mm，内径10mm～200mm，外径15mm～300mm；所述轴管接头的轴向长度为5mm～100mm。优选的是，所述矩形齿的厚度为3mm～30mm。优选的是，所述轴管接头的管壁的臂厚为所述空心轴管的管壁厚度的20％～60％优选的是，所述万向节采用钢材B480QZR制成。优选的是，所述万向节与所述空心轴管、所述轴管接头之间通过结构胶连接。优选的是，所述空心轴管和所述轴管接头采用热压固化成型工艺制成。优选的是，所述第一矩形齿设置2个；以及所述第一矩形齿在所述空心轴管的圆周分布所占角度为60°。优选的是，所述万向节另一端连接变速箱或主减速器。本发明所述的有益效果：本发明公开了一种碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，通过使CFRP传动轴轴管端部的矩形齿与两端钢制万向节叉管端的矩形齿相互啮合，保证了传动轴在传递大扭矩工况下也具备良好的承载性能；通过CFRP传动轴轴管外部圆周面与两端钢制万向节叉轴管内腔面的插入配合与胶粘连接，实现了CFRP传动轴在工作过程中具有优良承扭和抗弯能力；本发明得到的CFRP传动轴质量轻、结构简单，性能满足使用要求；本发明设计的接头结构实现了CFRP轴管与钢制万向节叉轴管之间的异种材料可靠连接，使得碳纤维这种高强轻质、阻尼减振性能好、抗冲击的新材料在传动轴轴管上得以应用，大幅降低了传动轴质量，有益于汽车节能减排，有效降低汽车振动和传动系统中惯性冲击载荷，提升汽车的工作可靠性。附图说明图1为本发明的所述传动轴的二维结构简图。图2为本发明的传动轴轴管与接头的三维结构图。图3为本发明的传动轴的三维结构图。图4为本发明的传动轴额定工况下接头连接处应力值。图5为本发明的传动轴一阶模态振型及频率。图6为本发明的传动轴轴管的失效指数。具体实施方式下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。如图1-3所示，本发明的一种碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，主要包括：空心轴管100，其为中空结构，两端沿圆周均匀设置多个第一矩形齿110，第一矩形齿110沿空心轴管100的轴向向两端延伸。两个轴管接头200分别匹配固定在空心轴管100的两端，并且与空心轴管100一体成型的。所述轴管接头200的厚度小于所述空心轴管100的厚度，并且所述轴管接头200的内壁与所述空心轴管100的内壁平滑连接，因此在轴管接头200的外壁与空心轴管100外壁连接处形成一个凸台。万向节接头300一端为管状，并且沿圆周设置有多个第二矩形齿310，所述万向节接头300匹配套设在所述轴管接头200的外壁，并且所述第二矩形齿310和所述第一矩形齿210啮合。在另一实施例中，所述空心轴管100和所述轴管接头200均采用碳纤维材料制成，所述碳纤维的排布方向与所述空心轴管的轴向成0°、±45°、和90°分布。在另一实施例中，所述轴管接头200的轴向长度为5mm～100mm。在另一实施例中，所述矩形齿的厚度为3mm～30mm。在另一实施例中，所述轴管接头200的臂厚为所述空心轴管100壁厚的20％～60％。在另一实施例中，所述万向节接头300采用钢材B480QZR制成。在另一实施例中，所述万向节接头300与所述空心轴管100、所述轴管接头200之间通过结构胶连接。在另一实施例中，所述空心轴管100和所述轴管接头200采用热压固化成型工艺制成。在另一实施例中，所述第一矩形齿110的个数为2，所述第一矩形齿110在所述空心轴管的圆周分布所占角度为60°。在另一实施例中，所述万向节接头300另一端连接变速箱或主减速器。在具体的制备过程中，该结构涉及CFRP空心轴管与两端的钢制万向节间的套设-啮合式复合连接结构，由CFRP传动轴轴管接头与两端的钢制万向节连接组成，实现汽车轻量化CFRP传动轴轴管接头抗弯、承扭作用，解决现有CFRP空心轴管与钢制万向节间异种材料连接结构抗弯扭能力差问题。首先根据需传递扭矩要求选取一定外径和壁厚的CFRP传动轴轴管，在轴管成型时,使碳纤维沿与轴线成0°、±45°、90°分布的方向排布，使CFRP传动轴轴管承受更大扭矩。在CFRP空心轴管两端，将外径壁厚t切薄一定厚度如40％t-80％t沿轴向加工出5mm～100mm细管段即为轴管接头200，再接着在端部加工出沿圆周均匀分布的2到6个第一矩形齿110，第一矩形齿110的厚度为3mm～30mm；在两端与之配对的钢制万向节接头300的管状结构上，把内径扩大使之与CFRP轴管接头200的外径和长度相同，使其与传动轴的轴管接头200匹配套设，同样在万向节接头300的管状结构的外端加工出沿圆周均匀分布的2到6个第二矩形齿，使其与传动轴轴管第一矩形齿相互啮合，并保证两端的万向节在同一平面内。再用结构胶把CFRP轴管接头与两端的钢制万向节连接起来，固化后形成套设-啮合式复合连接结构，得到CFRP传动轴，该接头连接结构既可以承受足够的扭矩，又可以抵抗一定的弯曲载荷，能够避免由于钢材和CFRP热胀系数不同在使用环境温度变化时导致接头失效。在具体实施例中，根据传递扭矩及空间距离确定所述CFRP轴管1长1228mm，轴管内径79mm、轴管外径89mm，即CFRP轴管壁厚5mm。轴管的铺层方案是将32层CFRP单向按照表1的顺序和角度进行铺层。采用热压固化成型工艺制备。表1CFRP空心轴管铺层顺序和纤维排布方向将所述空心轴管100两端外壁进行径向切薄3mm，切薄长度沿轴向距端面50mm，但要保留出2个对称分布的第一矩形齿，得到轴管接头200。每个第一矩形齿在轴管圆周分布所占角度为60°，第一矩形齿厚度为5mm、长为20mm，对齿根角与齿顶角进行倒圆角，圆角半径为2mm，形成CFRP传动轴接头结构。将钢制万向节接头的内腔材料进行切削加工，使其直径与所述轴管接头200的外径相同，同样切出均匀对称分布的两个第二矩形齿，每个第二矩形齿在圆周分布所占角度为60°，第二矩形齿厚度为5mm、长为20mm，对齿根角与齿顶角进行倒圆角，圆角半径为2mm。对空心轴管100两端的轴管接头200进行打磨，然后在轴管接头200的外圆周面与第一矩形齿的端面和侧面与钢制万向节接头相互嵌套配合的位置涂上结构胶，然后插入钢制万向节接头的内腔，与其恰好相互嵌套，空心轴管100上的两个第一矩形齿与万向节接头上的两个第二矩形齿键分别相互啮合，实现粘接，形成CFRP传动轴轴管与钢制万向节的套设-啮合式复合连接结构，得到碳纤维复合材料汽车传动轴，用于汽车动力传动的动力传递。为进一步验证本发明制备的传动轴轴管接头结构的性能效果，进行了实验室的性能测试：轻量化有益效果：世界铝业协会研究表明汽车每降重10％，可降低油耗6％-8％，减少排放4％-6％，汽车百公里加速可提升8％-10％，制动距离缩短2-7米，轮胎寿命提升7％；汽车平移部件每减少100Kg，每100公里可节省燃油0.3-0.5升，可降低二氧化碳排放800-1100克，传动轴作为汽车旋转部件节能减排效果更加明显是平移部件的6倍。本发明CFRP传动轴质量11.55千克相对相同结构的钢制传动轴21.21千克实现减重9.66千克，其作为汽车旋转部件百公里可节油0.174-0.290升，二氧化碳排放量降低463.68-637.56克。接头连接处vonMises应力性能：如图4所示，在具体实施例中CFRP传动轴在额定扭矩7219N·m工况下，接头处最大vonMises应力仿真值σmax＝236.1Mpa，根据国家标准QCT29082-92考虑其安全系数1.5，可知1.5σmax＝354.15Mpa小于万向节叉的屈服应力，即本发明CFRP传动轴符合国家规定的安全可靠性标准。模态性能：如图5所示，在具体实施例中CFRP传动轴应用在额定转速2100rpm发动机，在传动比为0.783时其最大转动频率计算为44.7Hz；对CFRP传动轴进行模态分析，其一阶固有频率为96.7Hz，在考虑安全系数0.7情况0.7*96.7Hz＝67.7Hz44.7Hz，传动轴的一阶固有频率远大于其转动频率，即传动轴不会发生共振现象，在发动机额定转速下可进行平稳转动。复合材料轴管失效指数：如图6所示，在具体实施例中对CFRP轴管的失效指数进行仿真计算，其最大失效指数为0.6038，对于碳纤维复合材料的安全系数取1.6时可靠度达到0.999，因此经验证1.6×0.6038＝0.9661复合材料失效指数小于1时即可认为是安全可靠的，即本发明CFRP传动轴管符合性能要求。如图6所示，在具体实施例中对CFRP轴管的失效指数进行仿真计算，其最大失效指数为0.6038，对于碳纤维复合材料的安全系数取1.6时可靠度达到0.999，因此经验证1.6×0.6038＝0.9661复合材料失效指数小于1时即可认为是安全可靠的，即本发明CFRP传动轴管符合性能要求。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

权利要求：1.一种碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，其特征在于，包括：空心轴管，其两端沿圆周均匀设置多个第一矩形齿；两个轴管接头，其分别匹配固定在所述空心轴管两端，所述轴管接头的管壁厚度小于所述空心轴管的管壁厚度，并且所述轴管接头的内壁与所述空心轴管内壁平滑连接；万向节，其一端为管状，并且沿圆周均匀设置有多个第二矩形齿，所述万向节套设在所述轴管接头外壁，并且所述第二矩形齿和所述第一矩形齿啮合。2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，其特征在于，所述空心轴管和所述轴管接头均采用碳纤维材料制成，所述碳纤维的排布方向与所述空心轴管的轴向成0°、±45°和90°分布。3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，其特征在于，所述空心轴管的长度为200mm～5000mm，内径10mm～200mm，外径15mm～300mm；所述轴管接头的轴向长度为5mm～100mm。4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，其特征在于，所述矩形齿的厚度为3mm～30mm。5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，其特征在于，所述轴管接头的管壁臂厚为所述空心轴管的管壁厚度的20％～60％。6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，其特征在于，所述万向节采用钢材B480QZR制成。7.根据权利要求6所述的碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，其特征在于，所述万向节与所述空心轴管、所述轴管接头之间通过结构胶连接。8.根据权利要求7所述的碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，其特征在于，所述空心轴管和所述轴管接头采用热压固化成型工艺制成。9.根据权利要求8所述的碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，其特征在于，所述第一矩形齿设置2个；以及所述第一矩形齿在所述空心轴管的圆周分布所占角度为60°。10.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料传动轴轴管接头结构，其特征在于，所述万向节另一端连接变速箱或主减速器。

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