CN107605928A - 一种碳纤维缠绕铺层变截面胶粘传动轴及其组合式模具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维缠绕铺层变截面胶粘传动轴及其组合式模具，碳纤维传动轴包括，碳纤维管1，碳纤维管1两端粘接在一体式接头2上，一体式接头2另一端三球销柱与滚针轴承3和球环4配合形成等速万向连接，滚针轴承用卡簧限位。夹具5为圆柱形，连接模具与加工设备。组合式模具包括两端类六边形截面模具6(含过渡截面)，中间圆形截面模具7，组合式模具通过模具上的凹槽和凸台定位配合，再与圆柱形夹具5连接。方形块8中心孔用于辅助脱模。本发明设计合理，模具装拆方便，铺层方案灵活，解决脱模困难问题，充分利用材料性能，适应不同加工设备和使用工况，可行性和操作性强，比钢材减重约53％，减小惯量，节约能源。

Description

一种碳纤维缠绕铺层变截面胶粘传动轴及其组合式模具

技术领域

本发明涉及车辆用碳纤维传动轴设计制造加工技术领域，尤其涉及碳纤维复合材料铺层方案设计及缠绕工艺，不同传动工况，模具设计，接头设计，轻量化设计，粘接和脱模工艺。

背景技术

使用碳纤维复合材料取代传统钢材来制造汽车的底盘零件和车身,可以减轻汽车的质量,用于传动轴减小转动惯量，从而减少汽油消耗，减少环境污染。碳纤维复合材料传动轴质量轻，具有很好的耐疲劳性和耐腐蚀性，而且噪声小、震动衰减性好、安全性好，特别适用于大型重载传动轴。碳纤维复合材料传动轴是碳纤维复合材料在汽车上比较创新且具有良好前景的应用之一。

碳纤维复合材料材质较脆且各向异性，采取机械连接容易导致连接部位的应力集中，破环纤维连续性，容易发生失效。通常用交织布进行压力铺层，但角度单一，形状尺寸不适于曲面和复杂形状。专利“CN 205226113U 一种碳纤维传动轴总成”提出了一种碳纤维传动轴总成，包括滑动叉、万向节、法兰叉、碳纤维轴管等部分，但其万向传动部分结构复杂，未考虑胶水与过盈配合连接方式的连接可靠性。发明专利“CN 205315467U 一种车辆用碳纤维复合材料传动轴”提出了一种车辆用碳纤维复合材料传动轴，包括轴管、第一法兰叉、十字轴、第二法兰叉等部分组成，但未考虑齿纹连接对碳纤维轴管的剪切破坏作用，也未考虑圆柱形碳纤维管与金属件连接的可靠性。

用碳纤维丝缠绕或用预浸纱卷制，可实现根据不同工况运用不同角度铺层改善受力情况，生产成本低，自动化程度高。因此，设计一种碳纤维缠绕铺层变截面胶粘传动轴及其组合式模具具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于适应车辆传动轴常常存在角度的工况，轻量化设计，以及解决机械连接破坏碳纤维性能和强度，缠绕脱模碳纤维困难的技术问题。

本发明实现目的和解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供的用于一种碳纤维按设计铺层角度缠绕（或卷制）变截面管及其组合式模具 ，具体是：碳纤维传动轴包括，变截面缠绕式碳纤维管1，碳纤维管两端粘接一体式接头2粘接部分，一体式接头2另一头制作为万向部分，这样碳纤维传动轴可通过此集成万向节安装于汽车轮胎和减速器之间。组合式模具包括类六边形截面模具6（含过渡截面），圆形截面模具7，圆柱形带凹槽夹具5便于缠绕和脱模时定位，前有螺纹。方形块8，方形块8中心孔形状比类六边形截面径向略大几毫米，用于辅助脱模。类六边形截面模具6中空，内有方形凹槽和螺纹孔，一边螺纹孔与圆柱形夹具5配合，一边凹槽（内有螺纹）与中间圆形截面模具7的凸台形定位销（表面螺纹）用螺栓通过中空类六边形截面模具6连接。将分段模具和夹具依次连接，并按设计的不同铺层角度铺设碳纤维，经过高温固化，并利用辅助模具脱模。本发明设计合理，从模具的巧妙设计上解决了异型碳纤维管难以脱模，使异型管的设计具有可行性和可操作性，模具拆装方便，同时简化脱模过程降低脱模过程。

所述的变截面缠绕式碳纤维管，中心为圆形截面，两端平滑过渡为抗扭类六边形截面，截面形状抗扭性好。与接头型面配合。所述铺层为根据铺层原则和仿真设计出足够强度的最小厚度，通常车辆传动轴并不与地面完全水平而成一定角度受力不均，可利用碳纤维各向异性进行设计。例承受560Nm扭矩上下角度12°前后角度5°的设计合理角度铺层方案可达最小厚度21层（*0.02mm）。

本发明在连接工艺过程中，接头类六边形截面与碳纤维管用高强度胶连接。保护了碳纤维丝的完整性和连续性，更有利于传递扭矩。

所述的一体式接头，类六边形截面厚度校核强度优化减重。将粘胶所受的剪切应力转化为压应力，提高接头处的承载能力。

所述的一体式接头，粘接部分表面设有胶槽，确保胶层有实验最佳间隙例0.02mm，环向分布均匀，粘接区域末端有挡肩用以轴向定位碳管。

所述的一体式接头，花键强度限制了接头尺寸的精简和缩小，无花键连接提高强度并减重。

所述的一体式接头，类六边形薄壁中空减重，三销柱、主轴通孔减重。各尺寸截面、壁厚变化、尖角部分设计平滑过渡，保证强度和减轻重量同时简化设计，适于加工。万向部分设计三球销柱及其卡簧槽，与球环和滚针轴承配合，卡簧限位，无花键连接，简化结构，高度集成，可直接应用装配于汽车传动***。

所述的一体式接头，各轴肩等截面变化壁厚不均匀处，采取平滑过渡设计等，减小应力集中，提高接头强度，减轻重量，球环等校核强度优化设计减重。

所述的组合式模具，中心圆心截面模具和两端类六边形截面模具通过方形凸台和凹槽配合定位连接，凸台及凹槽表面有螺纹，可从类六边形截面模具中空用螺栓连接。既不影响缠绕面又能合理脱模，使巧妙设计利于拆卸和安装。

所述的组合式模具，抗扭截面形状，平滑过渡，使碳纤受力均匀。其中两端截面为类六边形抗扭性好，类六边形即六边形棱角处以一定半径圆弧优化，均匀传递过渡压力，与接头型面连接，机械防松，改善胶粘受力，中间平滑过渡为圆形以缠绕成环形截面碳纤维层，环形内切于类六边形，直径小于类六边形并有过渡，便于模具脱出。

所述的组合式模具，模具连接完整，可用碳纤维丝缠绕或单向预浸布卷制异型管。

所述的组合式模具，两端圆柱形夹具，表面螺纹与模具连接，安装方便。

所述的组合式模具，夹具上有凹槽，可支承，既方便缠绕又辅助脱模。

本发明在缠绕固化成型脱模工艺过程中，固定夹具在模具上缠绕碳纤维丝，高温固化成型后，拆下螺栓先脱一端的类六边形截面模具，另一端亦可取出。方形块8中心孔比模具类六边形截面尺寸略大一定厚度（视碳纤维层厚度及高温固化后取出热膨胀而定），与夹具配合辅助脱模。

本发明与现有技术相比，主要有以下的优点：

1.相比机械螺栓或法兰连接，胶粘连接保存了碳纤维丝的完整性和连续性，充分发挥其各向异性，同时接头截面为类六边形，将粘胶所受的剪切应力转化为压应力，提高接头和胶粘强度。

2.组合式模具，拆装方便，实现异型碳纤维管设计加工的可操作性，方形凸台凹槽实现轴向周向同心定位，同时两端夹具适应不同加工条件。一般大型厂商运用氮气脱模，利用组合式模具可以减小成本，也适于小件小批量生产。

3.不同角度铺层方案设计，充分利用碳纤维各向异性性能和适应不同工况，结合碳纤维丝缠绕或单向预浸纱卷制工艺，具有可设计性。

4.变截面设计，抗扭截面形状，平滑过渡，使碳纤受力均匀。其中两端截面为类六边形抗扭性好，类六边形即六边形棱角处以一定半径圆弧优化，均匀传递过渡压力，与接头型面连接，机械防松，改善胶粘受力，中间平滑过渡为环形截面碳纤维层，环形内切于类六边形，直径小于类六边形并有过渡，便于模具脱出。

5.一体式接头，粘接部分有胶槽确保最佳胶粘层厚度，环向均匀，优化胶粘受力，挡肩轴向碳管限位。万向部分连接部分与球环滚针集成万向节，去掉繁琐的花键连接，减小富余重量。

6.集成化，模具、接头等尺寸相互联系，接头高度集成化，可设计加工制造后直接应用于传动***，结构紧凑，重量轻。

7.轻量化，碳纤维复合材料是同强度钢质量的四分之一，同时接头薄壁设计，各零件经强度校核，使整体强度协调统一，减少富余强度和重量，保证强度，降低成本的同时简化设计。

附图说明

图1是碳纤维轴及其模具结构示意图。

图2是组合式模具结构示意图。

图3是图2两端类六边形截面模具6及其凹槽细节图。

图4是图3中间圆形截面模具7及其凸台形定位销细节图。

图5是一体式接头示意图。

具体实施方式

本发明的技术方案是：利用碳纤维各向异性设计不同铺层角度优化受力并在保证足够强度下进行减重，变截面既充分传递扭矩且与接头型面连接，设计抗扭变截面与一体式接头用高强度胶胶粘连接，一体式接头集成万向节与传动***连接，无花键连接提高强度并减轻重量，组合式模具实现便捷碳纤维加工成型，并适应不同加工设备。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供的碳纤维传动轴中，变截面缠绕式碳纤维管1，碳纤维管两端粘接一体式接头2，一体式接头一头为类六边形截面接头与碳纤维管1粘接，接头2另一头制作为集成式三球销万向节，这样碳纤维传动轴可通过三球销万向节安装于汽车轮胎和减速器之间。组合式模具包括类六边形截面模具6（含过渡截面），圆形截面模具7，圆柱形带凹槽夹具6便于缠绕和脱模时定位，前有螺纹。类六边形截面模具6中空，内有方形凹槽和螺纹孔，一边螺纹孔与圆柱形夹具5配合，一边凹槽（内有螺纹）与圆形截面模具7的凸台（表面螺纹）用螺栓通过中空类六边形截面模具6连接。方形块8，方形块8中心孔形状比类六边形截面径向略大几毫米，用于辅助脱模。将分段模具和夹具依次连接，并按设计的不同铺层角度铺设碳纤维，经过高温固化，并利用辅助模具脱模。本发明设计合理，从模具的巧妙设计上解决了异型碳纤维管难以脱模，使异型管的设计具有可行性和可操作性，模具拆装方便，同时简化脱模过程降低脱模过程。

所述组合式模具，两端类六边形截面模具6，一头平滑过渡为圆形截面紧密贴合，直径小于类六边形并有过渡，便于模具脱出。平滑过渡，使碳纤受力均匀。其中两端截面为类六边形抗扭性好，类六边形即六边形棱角处以一定半径圆弧优化，均匀传递过渡压力。

所述组合式模具，两端类六边形截面模具6凹槽和中心圆心截面模具7方形凸台形定位销配合定位连接，凸台及凹槽表面螺纹，可从外部用螺栓连接。高温固化成型后，拆下螺栓先脱一端的类六边形截面模具，另一端亦可取出。

所述组合式模具，圆柱形带夹具5前有螺纹连接模具，表面凹槽受支承或夹持，便于缠绕和脱模时定位。

所述一体式接头2，粘接部分为类六边形截面薄壁，表面有胶槽保证胶粘均匀，末端有挡肩用以定位碳管。万向部分设计三球销柱及其卡簧槽，与球环和滚针轴承配合，卡簧限位，无花键连接，简化结构，高度集成。万向部分设计三球销柱及其卡簧槽，与球环和类六边形薄壁中空减重，三销柱、主轴通孔减重，球环等校核强度优化设计减重。各尺寸截面、壁厚变化、尖角部分设计平滑过渡，保证强度和减轻重量同时简化设计，适于加工。

所述方形块8，径向余量约大于类六边形截面碳纤维管壁厚度，在取出尚有一定温度成型碳纤维管时，辅助脱模。

本发明提供的工艺过程，将两端类六边形截面模具6凹槽和中心圆形截面模具7方形凸台形定位销配合定位连接，凸台及凹槽表面螺纹，外部用螺栓连接。夹具表面处理，均匀涂抹脱模剂，连接夹具夹持与缠绕机上，不同角度碳纤维丝铺层，取下包裹毛毡及真空袋抽真空，同模具一同放入烤箱高温固化，按设定温度调整固化，成型取出。拆卸夹具及螺栓，安装夹具施力于夹具，方形块8套于一端类六边形截面模具上脱出部分碳管，即可完整脱出碳纤维管。切割两端不平整处（模具长度有余量）。

本发明提供的连接方式，碳纤维管内层表面处理，用高强度胶均匀涂抹于接头处，并依靠胶槽确定厚度，三球销柱上安装滚针和球环，用卡簧定位，即可将碳纤维传动轴总成应用于车辆上。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种碳纤维缠绕铺层变截面胶粘传动轴及其组合式模具，包括碳纤维管和一体式接头及其组合式模具；其特征在于，所述碳纤维管为不同角度铺层，变截面管，该碳纤维管由碳纤维丝沿组合式模具按不同角度缠绕固化脱模而成，与一体式无花键接头进行胶粘连接。

2.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕铺层变截面胶粘传动轴及其组合式模具，其特征在于，所述的碳纤维管1中心截面为环形，两端平滑过渡为类六边形，类六边形棱角处以一定半径圆弧优化分散载荷，与一体式接头2型面配合连接；抗扭截面形状，平滑过渡，使碳纤受力均匀；中间平滑过渡为环形截面碳纤维层，环形内切于类六边形，直径小于类六边形并有过渡，便于模具脱出。

3.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕铺层变截面胶粘传动轴及其组合式模具，其特征在于，所述的碳纤维管1铺层为根据碳纤维各向异性及铺层原则和仿真设计出足够强度的最小厚度。

4.根据权利要求1所述的或要求2所述的碳纤维缠绕铺层变截面胶粘传动轴及其组合式模具，其特征在于，所述的碳纤维管1与一体式接头2用高强度胶粘而非螺栓连接，且机械防松，形状特性加强了连接作用。

5.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕铺层变截面胶粘传动轴及其组合式模具，其特征在于，所述一体式接头2粘接部分，类六边形薄壁粘接碳纤维管，薄壁上有胶槽，厚度为实验所得最佳厚度0.2mm，确保胶以均匀厚度分布于环向；有挡肩用以定位碳管；万向部分设计三球销柱及其卡簧槽，与球环4和滚针轴承3配合，卡簧限位，无花键连接，简化结构，高度集成。

6.根据权利要求1所述碳纤维缠绕铺层变截面胶粘传动轴及其组合式模具，其特征在于，所述一体式接头2，类六边形薄壁中空减重，三销柱、主轴通孔减重，球环等校核强度优化设计减重；各尺寸截面、壁厚变化、尖角部分设计平滑过渡，保证强度和减轻重量同时简化设计，适于加工。

7.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕铺层变截面胶粘传动轴及其组合式模具，其特征在于所述的组合式模具，两端类六边形截面模具6凹槽和中间圆形截面模具7方形凸台形定位销连接并定位，凸台与凹槽均有螺纹，从中空的两端类六边形截面模具6内用螺栓连接三部分并固定；高温固化成型后，拆下螺栓先脱一端的类六边形截面模具，其余部分可取出。

8.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕铺层变截面胶粘传动轴及其组合式模具，其特征在于所述的组合式模具，两端圆柱形夹具5，一端表面有螺纹与模具连接，另一端表面有凹槽可夹持。

9.根据权利要求1所述的碳纤维缠绕铺层变截面胶粘传动轴及其组合式模具，其特征在于所述的组合式模具，方形块8中心孔比模具类六边形截面尺寸略大一定厚度（视碳纤维层厚度及高温固化后取出热膨胀而定），与夹具配合辅助脱模。