CN110454491A - 一种带有花键的碳纤维空心传动轴及其成型方法 - Google Patents

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Abstract

一种带有花键的碳纤维空心传动轴及其成型方法，由多块碳纤维布沿传动轴侧壁的厚度方向依次铺设而成，多块碳纤维布的长度均等于传动轴的长度，相邻两块碳纤维布之间均填充有环氧树脂；位于传动轴内外壁表面的碳纤维布均为碳纤维斜纹布，位于传动轴内外壁之间的碳纤维布均为碳纤维单向布，沿厚度方向依次相邻的碳纤维单向布的布纹方向均不同；多块碳纤维单向布中与花键的键槽槽底端面或键凸外侧端面相平行的部分内均填充有碳纤维增强条，碳纤维增强条均与其对应的花键端面平行设置，且碳纤维增强条均与传动轴的长度方向垂直。本发明能够通过模具直接加热成型，能够提升碳纤维空心传动轴的传动性能。

Description

一种带有花键的碳纤维空心传动轴及其成型方法
技术领域
本发明涉及空心传动轴领域，尤其涉及一种带有花键的碳纤维空心传动轴及其成型方法。
背景技术
传动轴在工作过程中会受到很大的扭矩，为了传递扭矩常用键与键槽配合的结构，其中花键配合结构是传动性能较好的一种，尤其对于内外侧都需要进行传动的空心轴，在内外侧分别开设花键是一种常见的传动形式。空心传动轴在运行过程中容易产生共振，共振会使机械零部件产生松动或发生疲劳破坏，产生噪声，影响机械的运转精度；碳纤维管材的抗震性好，不易发生共振，转速快，密度只有1.5 g/cm3，抗拉强度却在3000MPa以上，实现轻量化的同时确保安全性，并具有膨胀系数低、对环境的适应性强等优点，因此现有技术中已经出现了采用碳纤维制成的空心传动轴。
现有技术中常见的碳纤维空心传动轴一般为先在轴两端连接过渡连接件，然后再通过过渡连接件与需要旋转的零部件配合连接传动，主要包括以下几种连接方式：在碳纤维管两端***轴封，然后在圆周方向上***销钉，来限制其旋转方向相对转动，工作时销钉将承受一定扭力，同时也使碳纤维管上穿销轴处局部受力较大；在制作碳纤维轴的同时将带有法兰金属连接头缠绕包裹在层间并置于轴的两端，再通过法兰连接其他部件；碳纤维轴和两端的金属件分别带有仿键凸起和凹槽结构，类似双手手指水平交叉样式进行过渡连接；将碳纤维管两端的金属件***到碳纤维管中，在接触面涂刷树脂胶粘剂，通过粘结的方式进行固定，再在外圆套上一个带槽定位圈，最后通过销轴进行固定。通过以上几种方式传动的碳纤维空心传动轴，在工作过程中容易出现粘结松动或销轴因长时间受力而使销轴孔扩大等情况，使空心传动轴与传动零件之间的连接发生松动，同时销钉或螺钉孔会将碳纤维丝切断，破坏了碳纤维沿着碳纤维方向上的各向同性，降低了碳纤维空心传动轴的抗扭转强度等力学性能，难以满足使用要求。
发明内容
为解决上述现有的碳纤维空心传动轴难以满足使用要求的问题，本发明提供了一种带有花键的碳纤维空心传动轴及其成型方法。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种带有花键的碳纤维空心传动轴，由多块碳纤维布沿传动轴侧壁的厚度方向依次铺设而成，多块碳纤维布的长度均等于传动轴的长度，相邻两块碳纤维布之间均填充有用于固化粘接的环氧树脂；位于传动轴内外壁表面的碳纤维布均为碳纤维斜纹布，位于传动轴内外壁之间的碳纤维布均为碳纤维单向布，沿厚度方向依次相邻的碳纤维单向布的布纹方向均不同；多块碳纤维单向布中与花键的键槽槽底端面或键凸外侧端面相平行的部分内均填充有碳纤维增强条，碳纤维增强条均与其对应的花键端面平行设置，且碳纤维增强条均与传动轴的长度方向垂直，同一块碳纤维单向布中与同一个花键端面平行的部分内填充的多个碳纤维增强条沿传动轴的长度方向均匀间隔设置。
优选的，沿厚度方向依次相邻的多块碳纤维单向布的布纹沿同一时针方向依次旋转15~45°。
一种带有花键的碳纤维空心传动轴的成型方法，预先准备与传动轴的内孔相匹配的芯模，芯模为一根长度不小于传动轴的芯轴，并预先准备与传动轴的外壁相匹配的外模，外模为由多个弧状外模板沿周向依次连接而成的分体式筒状结构；在芯模上先铺设一层碳纤维斜纹布，然后铺设多层碳纤维单向布，保证最外层碳纤维单向布的形状与传动轴外表面的形状相对应，并在多块碳纤维单向布中与花键的键槽槽底端面或键凸外侧端面相平行的部分内穿入碳纤维增强条，再在最外层的碳纤维单向布上铺设另一层碳纤维斜纹布，在相邻的碳纤维布之间填充环氧树脂，然后将多个弧状外模板压设到最外层的碳纤维斜纹布上，采用具有热收缩性的缠绕带在多个弧状外模板的外表面上缠绕并收紧，使多个弧状外模板沿周向依次连接成外模的筒状结构整体，并使外模将所有碳纤维布紧密压向芯模，然后将外模和芯模整体放入烘箱内加热，使环氧树脂受热固化并将相邻的碳纤维布粘接成型，将外模和芯模整体冷却至室温后，除去缠绕带并拆除弧状外模板，再通过拉模机将芯模从传动轴的内孔中拉出，即得到带有花键的碳纤维空心传动轴。
优选的，多个弧状外模板沿周向的弧长均相等。
优选的，所述缠绕带采用热缩式PE薄膜缠绕带。
根据上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明提供的带有花键的碳纤维空心传动轴，使用多块碳纤维布直接铺设成传动轴上的花键结构，可以大幅降低传动轴的重量，同时依靠碳纤维高模量、膨胀系数小、抗震性好的优点，可以有效减少传动过程中的震动。由于花键结构直接成型，所以在传动过程中就能直接通过花键配合，而无需在轴两端粘结或者通过销钉固定过渡连接件，就能避免由于上述带有过渡连接件的现有结构而产生粘接松动或者局部受力变形的情况，并且也不会损伤碳纤维，保证碳纤维空心传动轴的有效传动，提升了碳纤维空心传动轴在传动过程中的抗扭转强度等力学性能。
本发明中，位于传动轴内外壁表面的碳纤维布均为碳纤维斜纹布，碳纤维斜纹布能够承受多个方向的力，通过碳纤维斜纹布覆盖在空心传动轴表面并与需要传动的零件直接接触，能够提升空心传动轴的表面强度，也就能提升花键结构与需要传动的零件相接触时的强度和耐磨性，对空心传动轴的传动效率和使用寿命都更为有利；而位于传动轴内外壁之间的碳纤维布均为碳纤维单向布，且相邻碳纤维单向布的布纹方向均不同，能够降低空心传动轴的共振，提高传动过程的稳定性，避免共振对空心传动轴的寿命造成影响，并且能降低由于共振而产生的传动噪音。
本发明中，在碳纤维单向布中填充有碳纤维增强条，碳纤维增强条与传动轴的长度方向垂直，即碳纤维增强条的长度方向与键槽在传动时所受的切向力方向相对设置，并且沿传动轴的长度方向均匀间隔填充了多个碳纤维增强条，就能够提升花键结构整体沿切向的强度，从而提升空心传动轴能够传递的扭矩，保证了花键的键槽和键凸侧壁能够承受较大的力，使空心传动轴的可靠性、传动能力和使用寿命得到增强。本发明的成型方法操作简单，利用了缠绕带的热收缩性，能够保证缠绕带在加热过程中将一圈弧状外模板同时收紧，使多层碳纤维布能够紧密贴合，就能保证成型后碳纤维空心轴的尺寸以及碳纤维布之间的粘接强度，并且适用于具有不同花键结构的空心轴。
附图说明
图1为本发明的剖视示意图；
图2为图1的局部放大示意图；
图3为通过模具对本发明中具有一种花键结构的空心传动轴成型的示意图；
图4为通过模具对本发明中具有另一种花键结构的空心传动轴成型的示意图。
图中标记：1、碳纤维斜纹布，2、碳纤维单向布，3、碳纤维增强条，4、芯模，5、弧状外模板。
具体实施方式
参见附图，具体实施方式如下：
一种带有花键的碳纤维空心传动轴，由多块碳纤维布沿传动轴侧壁的厚度方向依次铺设而成，多块碳纤维布的长度均等于传动轴的长度，相邻两块碳纤维布之间均填充有用于固化粘接的环氧树脂；位于传动轴内外壁表面的碳纤维布均为碳纤维斜纹布1，位于传动轴内外壁之间的碳纤维布均为碳纤维单向布2，沿厚度方向依次相邻的碳纤维单向布2的布纹方向沿同一时针方向依次旋转15~45°；碳纤维斜纹布1和碳纤维单向布2都可以使用碳纤维预浸布。
多块碳纤维单向布2中与花键的键槽槽底端面或键凸外侧端面相平行的部分内均填充有碳纤维增强条3，碳纤维增强条3均与其对应的花键端面平行设置，且碳纤维增强条3均与传动轴的长度方向垂直，同一块碳纤维单向布2中与同一个花键端面平行的部分内填充的多个碳纤维增强条3沿传动轴的长度方向均匀间隔设置，以便于增强花键键槽和键凸的强度，提升传动性能。
一种带有花键的碳纤维空心传动轴的成型方法，预先准备与传动轴的内孔相匹配的芯模4，芯模4为一根长度不小于传动轴的芯轴，并预先准备与传动轴的外壁相匹配的外模，外模为由多个弧状外模板5沿周向依次连接而成的分体式筒状结构，多个弧状外模板5沿周向的弧长均相等。
在芯模4上先铺设一层碳纤维斜纹布1，然后铺设多层碳纤维单向布2，保证最外层碳纤维单向布2的形状与传动轴外表面的形状相对应，并在多块碳纤维单向布2中与花键的键槽槽底端面或键凸外侧端面相平行的部分内穿入碳纤维增强条3，再在最外层的碳纤维单向布2上铺设另一层碳纤维斜纹布1，在相邻的碳纤维布之间填充环氧树脂。
然后将多个弧状外模板5压设到最外层的碳纤维斜纹布1上，采用热缩式PE薄膜缠绕带在多个弧状外模板5的外表面上缠绕并收紧，使多个弧状外模板5沿周向依次连接成外模的筒状结构整体，并使外模将所有碳纤维布紧密压向芯模4，然后将外模和芯模4整体放入烘箱内加热，使环氧树脂受热固化并将相邻的碳纤维布粘接成型，在加热过程中，由于热缩式PE薄膜缠绕带的受热收缩特性，所以缠绕带会将多个弧状外模板5的外表面紧密缠绕，就能保证多层碳纤维布在加热过程中相互紧密贴合；加热完成后将外模和芯模4整体冷却至室温，除去缠绕带并拆除弧状外模板5，再通过拉模机将芯模4从传动轴的内孔中拉出，即得到带有花键的碳纤维空心传动轴。

Claims (5)

1.一种带有花键的碳纤维空心传动轴，其特征在于：由多块碳纤维布沿传动轴侧壁的厚度方向依次铺设而成，多块碳纤维布的长度均等于传动轴的长度，相邻两块碳纤维布之间均填充有用于固化粘接的环氧树脂；位于传动轴内外壁表面的碳纤维布均为碳纤维斜纹布（1），位于传动轴内外壁之间的碳纤维布均为碳纤维单向布（2），沿厚度方向依次相邻的碳纤维单向布（2）的布纹方向均不同；多块碳纤维单向布（2）中与花键的键槽槽底端面或键凸外侧端面相平行的部分内均填充有碳纤维增强条（3），碳纤维增强条（3）均与其对应的花键端面平行设置，且碳纤维增强条（3）均与传动轴的长度方向垂直，同一块碳纤维单向布（2）中与同一个花键端面平行的部分内填充的多个碳纤维增强条（3）沿传动轴的长度方向均匀间隔设置。
2.根据权利要求1所述的一种带有花键的碳纤维空心传动轴，其特征在于：沿厚度方向依次相邻的多块碳纤维单向布（2）的布纹沿同一时针方向依次旋转15~45°。
3.权利要求1所述的一种带有花键的碳纤维空心传动轴的成型方法，其特征在于：预先准备与传动轴的内孔相匹配的芯模（4），芯模（4）为一根长度不小于传动轴的芯轴，并预先准备与传动轴的外壁相匹配的外模，外模为由多个弧状外模板（5）沿周向依次连接而成的分体式筒状结构；在芯模（4）上先铺设一层碳纤维斜纹布（1），然后铺设多层碳纤维单向布（2），保证最外层碳纤维单向布（2）的形状与传动轴外表面的形状相对应，并在多块碳纤维单向布（2）中与花键的键槽槽底端面或键凸外侧端面相平行的部分内穿入碳纤维增强条（3），再在最外层的碳纤维单向布（2）上铺设另一层碳纤维斜纹布（1），在相邻的碳纤维布之间填充环氧树脂，然后将多个弧状外模板（5）压设到最外层的碳纤维斜纹布（1）上，采用具有热收缩性的缠绕带在多个弧状外模板（5）的外表面上缠绕并收紧，使多个弧状外模板（5）沿周向依次连接成外模的筒状结构整体，并使外模将所有碳纤维布紧密压向芯模（4），然后将外模和芯模（4）整体放入烘箱内加热，使环氧树脂受热固化并将相邻的碳纤维布粘接成型，将外模和芯模（4）整体冷却至室温后，除去缠绕带并拆除弧状外模板（5），再通过拉模机将芯模（4）从传动轴的内孔中拉出，即得到带有花键的碳纤维空心传动轴。
4.权利要求1所述的一种带有花键的碳纤维空心传动轴的成型方法，其特征在于：多个弧状外模板（5）沿周向的弧长均相等。
5.权利要求1所述的一种带有花键的碳纤维空心传动轴的成型方法，其特征在于：所述缠绕带采用热缩式PE薄膜缠绕带。
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