CN112123815A - 异形空心碳管管体及其制备工艺与异形碳纤维半轴总成 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及异形空心碳管管体及它的制备工艺、异形碳纤维半轴总成。异形空心碳管管体制备工艺包括制备金属模具,缠绕预浸制单向碳纤维丝,抽真空,放入热压罐加热加压处理,最后进行动平衡测试。异形接头碳纤维半轴总成,包括三球销1、异形接头碳纤维半轴2、三球销3、卡簧4。异形空心碳管管体与接头均采用异形结构,在制造碳纤维过程中不存在变截面问题,模具简易制作,易于脱模,是一种可靠并且可以实现传递大扭矩的方式。碳纤维半轴有很大的比强度、比模量,可以减小转动惯量,实现汽车轻量化,是碳纤维复合材料在电动方程式赛车上比较创新且具有良好的应用前景之一。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维半轴制造领域,具体而言,涉及异形空心碳管管体及其制备工艺、异形碳纤维半轴总成。
背景技术
碳纤维半轴质量轻,拥有良好的减震性能,以及本身较高的固有频率,相较于金属具有很大的比强度、比模量,可以减小转动惯量,从而减少能源消耗,减少环境污染,同时碳纤维材料具有很好的耐疲劳性和耐腐蚀性。碳纤维半轴是碳纤维复合材料在电动方程式赛车上比较创新且具有良好的应用前景之一。
相关技术中的碳纤维半轴接头方式,存在加工复杂,成本高,工作过程容易被破坏,模具要求高不易脱模等问题,影响碳纤维半轴的工作效率和寿命。
传统的齿纹式接头,其接头加工复杂成本高而且未考虑对碳管的破坏;销钉式接头,由于销钉与孔之间的作用会导致在行驶过程中导致孔口的扩大,破坏半轴。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题之一,为此本发明提出异形空心碳管管体及其制备工艺、异形碳纤维半轴总成,该碳纤维半轴具有可以承受大转矩,容易加工制造,方便粘接等优点。
本发明实现目的和解决其技术问题所采用的技术方案是:本发明提供异形空心碳管管体制备工艺具体过程包括:包括异形空心碳管管的金属模具的制备,将预浸制单向碳纤维丝缠绕在制备好的金属模具上,使用真空袋包裹缠绕好预浸制单向碳纤维丝的金属模具,进行抽真空,放入热压罐加热加压处理,最后进行动平衡测试。
制备所述异形空心碳管管体对应的金属模具,优选的,所述金属模具也是椭圆形,并将所述金属模具安装在碳纤维缠绕机上,并且在金属模具上涂上一层脱模剂。
所述预浸制单向碳纤维丝采用由30%的树脂,70%的碳纤维构成的复合材料,然后放入模具中抽真空,最后进行放入高压釜中以120~300℃高温和5~7MPa的高压中进行固化,去除该预浸制单向碳纤维丝中的空气残留物,待冷却后得到可用于直接制造的预浸制单向碳纤维丝。
所述异形空心碳管采用上述制成的预浸制单向碳纤维丝进行缠绕,经拉伸实验数据如下表1、2所示,为了得到材料的高模量,同时减小缠绕时的强度,应避开选择缠绕拉力为40~60N左右,尽量选择80N左右的缠绕拉力。因此按照68~85N预紧力大小将所述预浸制单向碳纤维丝均匀缠绕在所述的金属模具上,同时所述预浸制单向碳纤维丝按照仿真分析优化后的铺层顺序[45/-45/90/(15/-15)2/90/45/-45]s进行铺层,±15°铺层提高扭转刚度;±45°铺层提高抗扭性能,90°铺层主要防止周向的裂纹扩展。
表1
缠绕拉力/N | 15 | 30 | 40 | 60 | 80 | 90 |
拉伸强度/MPa | 4503.0 | 4493.5 | 4615.8 | 4673.5 | 4508.5 | 4511.5 |
表2
缠绕拉力/N | 15 | 30 | 40 | 60 | 80 | 90 |
拉伸模量/GPa | 242 | 240 | 239 | 241 | 244 | 244 |
所述异形空心碳管管体在完成制备与铺层后,使用真空袋包裹,进行抽真空,将每层碳纤维之间的空气排出。所述异形空心碳管管体在完成抽真空后,将真空袋包裹的异形空心碳管管体半成品置于设定在压强为0.5~1.5MPa以及温度为120~200℃的热压罐中,将每层碳纤维之间的空气再次排出,进一步压实碳纤维,同时加热异形空心碳管管体半成品,便于脱模。
所述异形空心碳管管体制备工艺,采用预浸制单向碳纤维丝为干式碳纤维工艺,该工艺相较于湿式碳纤维工艺,在承受同样扭矩的条件下,其所需碳纤维层数更少,因为预浸处理的单向碳纤维所含环氧树脂量较少,在成型过程中内部的紧密性好,不易形成气泡,同时采用干式碳纤维工艺碳纤维半轴转速可以更高,如下表3所示:
表3
本发明还提供异形空心碳管管体,为了满足使用要求提出一种可靠的并且可以传递大扭矩的方式,所述异形空心碳管管体为椭圆形或正多边形,由于椭圆或正多边形的形状的可使接头的传递动力将纯剪切应力一部分转化为压应力。同时整个异形空心碳管无变截面,模具简易,易于脱模,解决脱模难的问题。
本发明还提供异形接头碳纤维半轴总成,包括:所述异形空心碳管管体、粘胶、前金属接头、后金属接头、三球销、卡簧。
所述异形空心碳管管体,具有沿管体两端的前胶接口和后胶接口;
所述前金属接头和后金属接头,与所述异形空心碳管管体的前胶接口和后胶接口胶接,同时在所述前金属接头和后金属接头两端均有外花键;
所述粘胶,起连接作用,连接异形空心碳管管体和前金属接头、后金属接头;
所述三球销,与所述前金属接头和后金属接头通过所述花键连接,并且利用所述卡簧对三球销进行限位。
动力传递路线从发动机/电机经减速器传递到所述前金属接头连接的三球销上,然后传递到所述异形空心碳管管体,最后传递到所述后金属接头连接的三球销上输出扭矩到轮边。
所述前金属接头和后金属接头与异形空心碳管管体配合处形状一致,间隙为0.1mm-0.25mm,所述前金属接头和后金属接头两端为外花键,与所述三球销内花键进行配合,同时所述前金属接头和后金属接头中间设有减重通孔,所述前金属接头和后金属接头长度经公式校核得到。
所述前金属接头和后金属接头与所述异形空心碳管管体采用粘接的方式,所述粘胶采用DP460,粘接层厚度为0.1mm-0.25mm,若粘接层厚度过大可能导致气泡现象使得连接强度有所降低;若粘接层厚度过小则胶接件的要求大大提高。同时保证胶层厚度保持均匀。
所述的异形接头碳纤维半轴,具有能够承受大转矩,方便粘接使用、机加工、甚至铺模使用半轴方便的优点。
本发明与现有技术相比较,主要有以下的优点:
1.相比于齿纹式,其接头加工复杂成本高而且未考虑对碳管的破坏;本发明采用椭圆或正多边形接头,其形状简单,加工简易,同时不会对碳管造成破坏。
2.相比于销钉式,由于销钉与孔之间的作用会导致在行驶过程中导致孔口的扩大,破坏半轴;本发明采用粘接方式,对所述异形空心碳管管体和所述前后金属接头进行连接,不对管体和接头加工出孔口,不会破坏半轴。
3.相比于普通圆形碳管,本发明所述异形空心碳管管体的中间为椭圆形或者正多边形,可以传递更大的扭矩。
4.相比于正六边型过渡接头,中间为圆形,两端为正六边型,变截面对于模具的要求较高、复杂,模型不易脱模;本发明所述异形空心碳管管体的中间为椭圆形或正多边形,接头也为椭圆形或正多边形接头,无变截面,模具简易,易于脱模。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述变得明显和容易理解,其中:
图1是根据本发明实施例的异形接头碳纤维半轴总成的轴测图。
图2是根据本发明实施例的异形接头碳纤维半轴的剖视图。
图3是本发明实施例的前金属接头的三维立体图。
图中:1-三球销、2-异形接头碳纤维半轴、3-三球销、4-卡簧;2-异形接头碳纤维半轴包括:201-前金属接头,202-粘胶层,203-异形空心碳管管体,204-粘胶层,205-后金属接头,206-外花键。
具体实施方式
下面以我们具体实施的方案作为实施例和附图对本发明作进一步的详细说明,下面是以椭圆为异形空心碳管管体及其制备工艺、以及椭圆异形碳纤维半轴总成为实施例,实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
请参阅说明书附图1,异形接头碳纤维半轴总成,包括三球销1、异形接头碳纤维半轴2、三球销3、卡簧4。
请参阅说明书附图2,异形接头碳纤维半轴,包括前金属接头201,粘胶层202,异形空心碳管管体203,粘胶层204,后金属接头205,外花键206。
异形空心碳管管体制备工艺,具体过程包括:包括异形空心碳管管的金属模具的制备,将预浸制单向碳纤维丝缠绕在制备好的金属模具上,使用真空袋包裹缠绕好预浸制单向碳纤维丝的金属模具,进行抽真空,放入热压罐加热加压处理,最后进行动平衡测试。
制备异形空心碳管管体对应的金属模具,金属模具也是椭圆形,且为实心模具,在本实施例中,椭圆最外圈长轴长为16mm,短轴长为11mm,长度为200mm,并将所述金属模具安装在碳纤维缠绕机上,并且在金属模具上涂上一层脱模剂。
本实施例中,预浸制单向碳纤维丝使用T700-24K碳纤维,制作过程如下:将T700-24K碳纤维铺放在平板模具上,抽真空,最后进行放入高压釜中以250℃高温和7MPa的高压中进行固化,去除该预浸制单向碳纤维丝中的空气残留物,待冷却后得到可用于直接制造的预浸制单向碳纤维丝。
异形空心碳管采用上述制成的预浸制单向碳纤维丝进行缠绕,经拉伸实验数据,按照80N预紧力大小将预浸制单向碳纤维丝均匀缠绕在所述的金属模具上,同时预浸制单向碳纤维丝按照仿真对比分析[45/-45/90/(15/-15)2/90/45/-45]s与[90/-45/-45/90/45/45/90/45/-45/0]s结果如下:前者最大失效系数为0.76591,后者最大失效系数为0.85229,因此前者[45/-45/90/(15/-15)2/90/45/-45]s的在同样用材情况下更安全。
异形空心碳管管体在完成制备与铺层后,使用真空袋包裹,进行抽真空,将每层碳纤维之间的空气排出。异形空心碳管管体在完成抽真空后,将真空袋包裹的异形空心碳管管体半成品置于设定在压强为1.2MPa以及温度为120℃的热压罐中,将每层碳纤维之间的空气再次排出,进一步压实碳纤维,同时加热异形空心碳管管体半成品,便于脱模。
为了满足使用要求提出一种可靠的并且可以传递大扭矩的方式,异形空心碳管管体为椭圆形,因为椭圆的形状的可使接头的传递动力将纯剪切应力一部分转化为压应力。同时整个异形空心碳管无变截面,模具简易,易于脱模,解决脱模难的问题。
异形接头碳纤维半轴总成,包括:三球销1、异形接头碳纤维半轴2、三球销3、卡簧4;异形接头碳纤维半轴2包括:前金属接头201,粘胶层202,异形空心碳管管体203,粘胶层204,后金属接头205,外花键206。
所述异形空心碳管管体203,具有沿管体两端的前胶接口和后胶接口;
所述前金属接头201和后金属接头205,与所述异形空心碳管管体203的前胶接口和后胶接口胶接,同时在所述前金属接头201和后金属接头205两端均有外花键206;
所述三球销3,与所述前金属接头201和后金属接头205通过花键连接,并且利用卡簧4对三球销3进行限位。
动力传递路线从发动机/电机经减速器传递到前金属接头201连接的三球销上,然后传递到异形空心碳管管体203,最后传递到后金属接头205连接的三球销上输出扭矩到轮边。
前金属接头201和后金属接头205与异形空心碳管管体203配合处形状一致,间隙为0.2mm,前金属接头201和后金属接头205两端为外花键,花键齿数为18齿,与1-三球销内花键进行配合,同时201-前金属接头和205-后金属接头中间设有减重通孔,前金属接头201和后金属接头205长度经公式校核后,计算得到均为50mm。
前金属接头201和后金属接头205与异形空心碳管管体203采用粘接的方式,粘胶采用DP460,粘接层厚度为0.2mm,若粘接层厚度过大可能导致气泡现象使得连接强度有所降低;若粘接层厚度过小则胶接件的要求大大提高。同时保证胶层厚度保持均匀。
本发明所述异形空心碳管管体的中间为椭圆形,可以传递大的扭矩,接头可靠,同时接头也为椭圆形接头,无变截面,模具简易,易于脱模。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.异形空心碳管管体制备工艺,其特征在于,包括制备金属模具,缠绕预浸制单向碳纤维丝,抽真空,放入热压罐加热加压处理,最后进行动平衡测试。
2.根据权利要求1所述的异形空心碳管管体制备工艺,其特征在于,制备异形空心碳管管体对应的所述金属模具,将所述金属模具安装在碳纤维缠绕机上,并且在所述金属模具上涂上一层脱模剂。
3.根据权利要求1所述的异形空心碳管管体制备工艺,其特征在于,所述异形空心碳管管体采用所述预浸制单向碳纤维丝,采用缠绕工艺,按照68~85N预紧力将所述预浸制单向碳纤维丝均匀缠绕在所述金属模具上,同时所述预浸制单向碳纤维丝按照仿真分析优化后的铺层顺序[45/-45/90/(15/-15)2/90/45/-45]s进行铺层。
4.根据权利要求1所述的异形空心碳管管体制备工艺,其特征在于,所述异形空心碳管管体在完成制备与铺层后,使用真空袋包裹,成为所述异形空心碳管管体半成品,进行抽真空,将每层碳纤维之间的空气排出。
5.根据权利要求1所述的异形空心碳管管体制备工艺,其特征在于,所述异形空心碳管管体在完成抽真空后,将所述异形空心碳管管体半成品置于设定在压强为0.5~1.5MPa以及温度为120~200℃的热压罐中,将每层碳纤维之间的空气再次排出,进一步压实碳纤维,同时加热异形空心碳管管体半成品,便于脱模。
6.异形空心碳管管体,其特征在于,包括根据权利要求1-5中任一项所述的制备工艺制造而成。
7.根据权利要求6所述的异形空心碳管管体,其特征在于,所述异形空心碳管管体为椭圆或正多边形。
8.异形碳纤维半轴总成,其特征在于,包括:所述异形空心碳管管体、粘胶、前金属接头、后金属接头、三球销、卡簧。
所述异形空心碳管管体,具有沿管体两端的前胶接口和后胶接口;
所述前金属接头和后金属接头,与所述异形空心碳管管体的前胶接口和后胶接口胶接,同时在所述前金属接头和后金属接头两端均有花键;
所述粘胶,起连接作用,连接异形空心碳管管体和前金属接头、后金属接头;
所述三球销,与所述前金属接头和后金属接头通过所述花键连接,并且利用所述卡簧对三球销进行限位。
9.根据权利要求8所述的异形碳纤维半轴总成,其特征在于,所述前金属接头和后金属接头与异形空心碳管管体配合处形状一致,间隙为0.1mm-0.25mm,所述前金属接头和后金属接头两端为外花键,与所述三球销内花键进行配合,同时所述前金属接头和后金属接头中间设有减重通孔。
10.根据权利要求8所述的异形碳纤维半轴总成,其特征在于,所述前金属接头和后金属接头与所述异形空心碳管管体采用粘接的方式,粘接层厚度为0.1mm-0.25mm。
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