碳纤维传动轴可行性研究

摘要：结合某四驱SUV提出一种轻量化碳纤维传动轴，通过对铺层数量以及缠绕角度的设计得出碳纤维传动轴方案并制作样件。通过对比碳纤维传动轴仿真模态与实测模态的差异，得到传动轴总成仿真模态与实测模态差异高达34%，差异显著。进而实测了碳纤维传动轴对整车NVH性能的影响，结果表明：碳纤维传动轴由于模态偏低，会导致整车低频共振问题。最后评估了国内碳纤维传动轴在乘用车上应用的可行性。

0 引言

碳纤维复合材料性能优越，具有高强度、高刚度、低密度的特点，过往在航天航空和军事领域应用比较多，随着技术水平的进步在汽车制造行业也逐步开始应用。鉴于当下汽车轻量化的趋势，结合碳纤维复合材料低密度的特性，对碳纤维传动轴进行研究。

传统乘用车轴距普遍较长，四驱传动轴长度2 m左右。一般情况下，为了满足整车NVH性能，传统钢管传动轴长度超过1.5 m需采用两段式结构，中间设置支撑支架，不仅增加了质量，还产生了额外噪声。由于碳纤维复合材料具有高强度、高刚度的特性，碳纤维传动轴可以采用一段式设计。

国内外都对碳纤维传动轴进行了大量研究。国外对碳纤维传动轴的研究始于1970年，YATES等[1]公布了“碳纤维复合材料传动轴”的专利，CHO等[2]设计了一段式混合传动轴，该混合传动轴主要由铝承载，由碳纤维保证较高的固有频率。但并未提及铺层设计方法。KHOSHRAVAN等[3-4]用一段式复合材料传动轴代替了传统的两段式钢制传动轴，对拟定的铺层方案进行理论计算机有限元分析。2012年以来，由宝马公司牵头的一些大型汽车公司实现了碳纤维传动轴的产品化。国内对碳纤维传动轴的研究晚于国外约20年，胡晶等人[5]采用数值模拟方法，以铺层角度、顺序、厚度、对称性为变量，研究了传动轴的承扭能力。王高平和高攀[6]通过设计一种碳纤维复合材料混合传动轴，并研究了碳纤维复合材料混合传动轴的静力学性能以及固有频率性能。本文作者结合某四驱SUV车型，研究国内碳纤维传动轴在乘用车上应用的可行性。

1 碳纤维传动轴设计

1.1 碳纤维传动轴性能指标

1.1.1 扭转强度

传动轴在工作时受到扭矩的作用，按最大扭矩Tmax下的应力τmax不超过扭转许用应力进行设计。

τmax=Tmax/Wn≤τxymax/S

(1)

式中：Wn为抗扭截面模量，Wn=(π/16)×[(D4-d4 )/D]，D为轴管外径，d为轴管内径；S为安全系数。

1.1.2 扭转刚度

传动轴受到扭矩会引起扭转变形，产生扭转角φ，扭转角过大会导致传力的延时，并增大正反扭转下的扭转间隙，实际设计时按要求控制单位长度扭转角φe。

φe=φ/l=[T/(GIP )]×(180/π)

(2)

式中：l为传动轴长度；T为传动轴扭矩；GIP为扭转刚度，IP=π(D4-d4)/32。

1.1.3 临界转速

传动轴临界转速一般指其一阶弯曲固有频率所对应的转速，是低阶模态，因此考虑剪切变形的系数接近1，利用伯努利-欧拉梁理论，一阶弯曲固有频率fnb1计算如下：

(3)

相应的一阶临界转速Ncrb1计算如下：

(4)

式中：Ex为纵向弹性模量；ρ为材料密度。

1.2 碳纤维传动轴方案设计

1.2.1 传动轴设计说明

碳纤维传动轴总成的设计，主要是通过对碳纤维轴管的设计实现传动轴扭转强度、固有频率等性能的要求。轴管设计有铺层数量和缠绕角度两个关键参数。其中，铺层数量与扭转强度、固有频率均正相关，与质量、成本负相关；由于碳纤维复合材料具有各向异性的特点，不同缠绕角度对扭转强度、固有频率等性能的影响各不相同，典型的，如0°可用于提高传动轴的固有频率，45°可用于提高扭转强度及扭转刚度，90°可用于抵抗摩擦。

文中根据传动轴扭转强度设计初始铺层，结合铺层原则，拟定多种铺层方案。进一步，利用ANSYS等仿真软件结合传动轴固有频率、冲击性能、质量等性能进行铺层优化，制定最优铺层方案[7]。

1.2.2 传动轴方案确定

由公式(1)、(2)、(4)可知，在满足扭转强度、扭转刚度的前提下，可通增加铺层数量、采用高模量材料、以及改变缠绕角度提高临界转速。但考虑到SUV传动轴布置空间有限且要保证碳纤维传动轴减重至少30%，增加铺层数量空间不大。

结合某四驱SUV，综合考虑扭转强度、扭转刚度、临界转速以及实现减重，在满足扭转强度1 700 N·m前提下，设计了一款碳纤维传动轴，铺层方案为6层碳纤维铺层[±25°/±25°/±45°/±16°/±90°/±45°]。

2 碳纤维传动轴NVH性能分析

2.1 传动轴仿真模态与实测模态对比

2.1.1 传动轴轴管自由模态对比

如图1、图2所示，传动轴轴管仿真模态为99.75 Hz，实测模态为101.3 Hz，两者偏差仅为1.5%，仿真结果十分准确。

图1 传动轴轴管一阶仿真模态振型

图2 传动轴轴管实测模态

2.1.2 传动轴总成模态对比

如图3所示，传动轴总成仿真模态为105.3 Hz，采用锤击法敲击装车后碳纤维传动轴总成，得到固有频率为69.1 Hz，两者偏差达34%，差异显著。

图3 传动轴总成一阶仿真模态振型

图4 传动轴总成实测模态

鉴于传动轴轴管仿真模态与实测模态的差异可忽略，得出传动轴总成仿真模态与实测模态差异来自于传动轴的万向节以及用于万向节与轴管连接的金属连接段。分析认为导致模态差异的原因有3个：(1)仿真时对万向节以及金属连接段施加的约束与实车测试的约束方式差异较大；(2)仿真时对万向节及金属连接段的简化与网格的划分不准确；(3)样件中轴管、金属连接段以及万向节之间的连接工艺有问题。

2.2 整车NVH性能测试

如图5—图8所示，某四驱SUV分别在30%、40%油门开度下，测试了前、后排座椅位置的振动信号，结果表明，不同油门开度下，加速行驶过程中均出现69 Hz明显低频共振带，加速轰鸣问题严重。

图5 30%油门开度前排座椅振动信号

图6 30%油门开度后排座椅振动信号

图7 40%油门开度前排座椅振动信号

图8 40%油门开度后排座椅振动信号

虽然可以通过采用高模量纤维、改变缠绕角度以及增加铺层数量来提升模态，但结合国内碳纤维传动轴设计及制造能力，模态很难大幅提升。因此，目前碳纤维传动轴低频共振问题难以避免。

3 结论

(1)国内对碳纤维轴管的研究比较成熟，但对碳纤维传动轴总成的研究不足，设计初期对传动轴总成固有频率的仿真结果参考性不高。

(2)一段式碳纤维传动轴模态低，会导致整车NVH问题。

(3)目前传动轴的主流供应商并没有涉及碳纤维传动轴的业务领域，碳纤维传动轴的研究开发主要集中在高效及一些新兴的复合材料厂家，供应商资源不足，且量产实际较少，可靠性有待确认。

综上得出，目前国内碳纤维传动轴在性能分析、制造工艺上仍有诸多问题，需要更充分的研究，暂无实车应用可能性。

作者：战敏，陈强，王敷玟