大学生方程式赛车用碳纤维传动轴成型与制备方法与流程

本发明属于复合材料和传统机械加工领域，具体涉及了碳纤维轴状类产品的成型工艺和回转体零件的机械加工工艺，具体指一种大学生方程式赛车用碳纤维传动轴成型与制备工艺。
背景技术：
：碳纤维是由碳元素组成的一种特殊纤维，具有一般碳素材料耐磨擦、导电、导热等特性，同时也具有各向异性的特点。它比金属铝的密度小，比量高，耐钢的比强度高，模腐蚀性好，耐疲劳强度好。在碰撞过程中，碳纤维复合材料对能量的吸收能力是钢铁的5～6倍。由于其优越的性能，碳纤维已经被广泛应用到军工国防和国民生产中。而碳纤维复合材料传动轴由于其质量轻，能大大减轻普通金属传动轴的质量，能提高输出功率等特点，碳纤维传动轴在汽车尤其是高档汽车和赛车中有大量应用。大学生方程式赛车大都采用传统的钢制传动轴，其耐腐蚀性差，传动不平稳并且质量大，转动惯量高，这些都不利于动力的传输，影响赛车的动力的极致发挥。碳纤维传动轴质量轻，固有频率高，耐腐蚀等特点解决了这个问题，较大地提高了赛车的传动性能。技术实现要素：本发明提供了一种大学生方程式赛车用碳纤维传动轴成型与制备方法，其目的在于克服传统碳纤维轴身与金属连接端胶接不稳固的缺陷以及大学生方程式赛车传统钢制传动轴在质量和耐腐蚀等性能上的不足。提供了一种“双搭接-机械连接”的混合连接方式来连接碳纤维传动轴轴身和金属连接头，解决了现有的连接不稳固的问题；同时碳纤维传动轴质量轻，转动惯量小，固有频率高等特点弥补了传统钢制传动轴的不足，较大的提高了赛车的传动性能。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种大学生方程式赛车用碳纤维传动轴成型与制备方法，其特征包括以下步骤：（1）裁布：准备不同铺层角度的碳纤维预浸料布，根据铺层的角度和传动轴轴身长度对碳纤维预浸料布进行裁剪；（2）制模：预备轴杆状高强度泡沫芯模，所述芯模设置为适宜于后期缠绕铺层和打蜡处理，且便于脱模；（3）第一阶段铺布：使用缠绕机将步骤（1）中裁剪好的碳纤维预浸料按照设计的铺层角度在芯模上缠绕以进行第一阶段铺层，形成传动轴初样；（4）接头加工：加工金属连接端和花键端；（5）压接头：将步骤（2）的传动轴初样的芯模定心插入金属连接端内，使芯模上第一阶段铺层的外表面的一段与金属连接端内壁紧密贴合，形成芯模金属连接端一体台阶结构；（6）第二阶段和第三阶段铺步：使用缠绕机将步骤（1）中裁剪好的碳纤维预浸料按照设计的铺层角度进行第二阶段和第三阶段的铺层，先在步骤（5）中的芯模金属连接端一体台阶结构的第一铺层外表面进行第二阶段铺层，使第二阶段铺层与金属连接端外表面平齐，之后再在第二阶段铺层和金属连接端外表面的外表面上再进行整体第三阶段铺层，得到传动轴制备件；（7）固化成型：将步骤（6）得到的传动轴制备件进行固化处理，在热烘箱内加热固化，在加热固化的同时使用真空泵抽真空；（8）脱模：步骤（7）固化处理后进行脱模处理使芯模脱离传动轴制备件，得到碳纤维传动轴轴身-金属连接端一体化的传动轴；（9）装配：将花键端与步骤（8）的得到的传动轴进行装配得到一体化传动轴。进一步的，步骤（1）中的碳纤维预浸料布为碳纤维干布已经和相对应树脂配好的碳纤维布，不需要配置设定比例的树脂；单向碳纤维预浸料布用于90°铺层，裁剪单向碳纤维预浸料布得到±15°的碳纤维预浸料，裁剪编织碳纤维预浸料得到±45°的碳纤维预浸料。进一步的，碳纤维轴身缠绕的材料为单向碳纤维预浸料布和各种角度的碳纤维预浸料布，通过缠绕机进行各阶段铺层缠绕，通过缠绕机向各铺层施加设定的张紧力。进一步的，碳纤维传动轴轴身与金属连接端的连接方式为双搭接-机械连接的混合连接；其中，金属连接端用棒料的合金钢加工并进行热处理；金属连接端与花键端的法兰进行配合加工，各法兰边上设计定位孔用于固定连接；金属连接端的内胶合面和外胶合面分别有2道沿碳纤维传动轴轴线呈45°的沟槽，沟槽深0.1mm～0.12mm，在固化后碳纤维与连接端的胶接面积增大，并且部分碳纤维压入沟槽槽内以形成机械连接；金属连接端的内外表面均用400目的砂纸进行打磨，并且使用浓硝酸进行表面的化学处理，增大搭接的表面积，增大与碳纤维传动轴轴身的固化面积。进一步的，碳纤维传动轴轴身的缠绕分为三个阶段，每一个阶段按照设计的不同角度进行铺层缠绕，碳纤维传动轴轴身共20层铺层，每铺层0.2mm。进一步的，碳纤维传动轴身的固化成型是放入120℃的烘箱中加热固化2小时，再在常温固化24h以上。进一步的，花键端用合金钢棒料加工，在花键端的法兰端面中心有凸台，用于轴向定心；花键端设计凸台以对三球销进行轴向限位，设计卡簧槽对三球销进行轴向限位。本发明大学生方程式赛车用碳纤维传动轴成型与制备方法，利用碳纤维预浸料缠绕芯模后与连接端对接后继续缠绕，经过缠绕后固化脱模去除芯模，之后连接花键端形成一体轴，碳纤维轴身为三个阶段的对称角度铺层，金属连接端分为为法兰边与内外胶合部分，花键端分为法兰边与花键部分，碳纤维轴身与金属连接端采用“双搭接-机械连接”的连接方式，使用螺栓通过法兰边的孔将金属连接端与花键端固定。本发明的所述的传动轴更换花键端就可用于多种用途，传动轴耐用性高，纤维含量高，金属连接端与碳纤维轴身连接强度高，传动轴质量低，转动惯量小，固有频率高。相对于现有技术的优点及有益效果如下：1.传统的钢制传动轴都是用整根的棒料合金钢制成，为了达到设计目标的扭转强度，必须依靠增大其重量来达到设计的扭转强度，往往得到的钢制传动轴重量超过1.321kg,重量上升导致其转动惯量大，降低了传动系统的传动性能。本发明中采用质量轻的碳纤维作为轴身的材料，制作空心的传动轴，质量0.704kg，质量降低了46.71%，转动惯量相应减小，较大程度上提高了传动系统的传动性能。2.传统的钢制传动轴都是用合金钢制成，传动轴工作环境往往比较恶劣，受到雨水、灰尘等恶劣自然环境的影响，导致传动轴表面生锈，传动轴表面受到破坏，其疲劳强度降低，导致传动轴的耐用性大大降低。传动轴表面被腐蚀，本身钢制传动轴的固有频率就低，再加上传动轴表面受到破坏，在方程式赛车长时间高于8000r/min的转速的工况下，传动轴的震动非常大，传动系统受到较大的影响。本发明采用碳纤维作为传动轴轴身，碳纤维良好的抗腐蚀性让传动轴在恶劣的环境中也能保持长久的使用，大大提高了传动轴的耐用性。碳纤维传动轴采用不同角度的铺层，尤其是±15°的铺层更提高了传动轴的固有频率，不易发生共振现象，使传动轴的传动性能得到了较大的提高。3.传统的碳纤维轴轴身与金属连接端的连接方式主要分为三种：机械连接、铆接、胶接。机械连接的方式优点是其通过键或者槽连接，可以很大程度上提高连接处的扭转强度，但是碳纤维的成型往往是曲率较大的圆角以及平面，要将碳纤维做成具有直角或者锐角形状的键或者槽非常困难，目前这种技术还不成熟。铆接是在制备好的碳纤维传动轴上钻孔，然后通过铆钉或者螺栓将传动轴与金属连接端连接，这种方法虽然提高了连接处的扭转强度，但是将碳纤维丝切断，破坏了碳纤维沿着碳纤维方向上的各向同性，降低了碳纤维传动轴的抗扭转强度等方面的力学性能。胶接是目前技术上比较常用的连接方式，常用的粘接剂是环氧树脂胶，但还没有发现一种非常适合粘接碳纤维材料与金属材料的胶水，传统的单搭接粘接方式往往存在粘接强度不够的情况，一般往往以增加胶接的面积来增大连接端的胶接强度，导致金属连接端的尺寸较大，不利于传动轴的轻量化。本发明将金属连接端的内外表面都进行胶接，增大其胶接面积，并且在金属连接端盘接头内外表面的宽0.5mm深0.1mm～0.12mm的45°沟槽不仅增大了胶搭接的接触面积，而且在抽真空加热固化的过程中将碳纤维预浸料压入沟槽中，固化后碳纤维凸起与金属连接端的沟槽形成机械连接。两种连接方式的结合形成了“双搭接-机械连接”混合连接方式，大大增强了在连接部分的连接强度。4.传统金属连接端与碳纤维传动轴轴身的连接过程中往往是直接压入粘接，没有注意金属连接头的轴线与碳纤维传动轴轴身轴线重合的重要性，本发明制作的芯模不仅作为碳纤维传动轴轴身的模具，同样作为了金属连接头与碳纤维传动轴轴身的轴线相重合的工具，芯模起到碳纤维传动轴轴身与金属连接端定心的作用。5.与传统的碳纤维管成型方法为湿法缠绕或者半干湿法缠绕，两种方法的效率极低，并且树脂的含量控制不均匀。本发明使用缠绕机进行缠绕，将提前剪好的预浸料通过缠绕机进行缠绕，碳纤维预浸料是已经配好的树脂与碳纤维干布融合，其树脂含量非常均匀，在固化后碳纤维传动轴轴身的厚度更加均匀，形成的碳纤维传动轴表面质量非常高。缠绕机主动轮（芯模）单向转动360°，即完成了一层缠绕，工作效率非常的高，适合大批量生产。对碳纤维预浸料原材料端（从动轮）施加阻力，阻止其转动，碳纤维预浸料产生600n～800n的张紧力，张紧力的作用是让缠绕更加紧密，在缠绕过程中相邻两层碳纤维预浸料之间无气泡，固化形成的碳纤维传动轴轴身的质量非常高。6.本发明固化过程中采用边加热边抽真空的方法，制作真空袋，覆盖在碳纤维传动轴表面对其进行抽真空，中间通过溢流瓶收集多余的树脂。使用边加热边抽真空的方法，真空度低于600torr，温度为120℃，时间为2h。7.本发明用用浓硝酸对连接端表面进行化学处理，可形成好氧的一层膜，增大胶与金属的亲和程度，以增大了粘接强度，根据实验表明，浓硝酸化学处理过的金属连接头相比未处理过的金属连接头其胶接强度提高了18%。8.传统碳纤维传动轴轴身与金属连接端的固定，并没有解决碳纤维传动轴轴身与金属连接端轴线相重合的问题，本发明设计的芯模不仅具有碳纤维预浸料在其表面铺层作为模具的功能，还起到了定心的功能，通过该芯模将碳纤维传动轴轴身的轴线与金属连接端轴线相重合，解决了传统连接技术难以定心这个难题。9.传统的碳纤维传动轴制作完成后往往只用于一种工况，当三球销的型号改变后就需要重新制作一根传动轴。本发明中采用连接端与花键端的连接通过过盈配合和螺栓连接，通过更换不同的花键端即可适用于不同型号的三球销，具有良好的互换性。附图说明图1为本发明传动轴立体结构示意图。图2为本发明传动轴一端剖视图。图3为本发明传动轴轴身铺层示意图。图4为金属连接端结构示意图。图5为图4的剖视图。图6内外环槽局部放大图。图7连接端压入示意图。图8花键端立体结构示意图。图9缠绕机铺层示意图。图10为单向布碳纤维预浸料8。图11为按照图10的裁剪线5裁剪后的得到方形预浸料9。图12为图11顺时针旋转15°得到的±15°铺层角度的碳纤维预浸料10。具体实施方式下面结合实施例和附图1-12对本发明做详细叙述。图1所示的大学生方程式赛车用碳纤维传动轴包括碳纤维传动轴轴身1、金属连接端2、花键端3。碳纤维传动轴轴身1呈空心状，其主要分为三个阶段的铺层。图4所示的金属连接端2呈回转体套筒状，金属连接端2分为两部分，一部分为法兰端2.1，另一部分为胶接端2.2，在其法兰2.1的端面上有均匀分布的6个m6的孔2.5，其中心部分有一个直径30mm的孔2.6。图8所示的花键端3分为两部分，一部分是根据三球销设计的花键3.3，另一边是与金属连接端相配合的法兰3.1，法兰的端面上有均匀分布的6个m6的孔3.6，其中心部分有一个外径30mm、内径24mm、高5mm的凸台3.7。碳纤维传动轴轴身1与连接端2之间通过“双搭接-机械连接”的混合连接方式进行固定，连接端和花键端通过凸台3.7与孔2.6的过渡连接和螺栓连接。本发明采用t800-s级别的碳纤维预浸料制备碳纤维传动轴轴身1，传动轴轴身1内径30mm，外径38mm，长度500mm，极限抗扭转力600n*m以上。大学生方程式大赛中方程式赛车最大扭力480n*m，本发明提供的一种大学生方程式赛车用碳纤维传动轴扭转极限600n*m以上。本发明大学生方程式赛车用碳纤维传动轴成型与制备方法包括以下步骤：（1）裁布：准备t800-s单向布碳纤维预浸料8、±45°的预浸料和±15°的预浸料10。单向布碳纤维预浸料8为90°铺层和，±15°铺层角度的碳纤维预浸料的裁剪方法如下：如图10所示将单向碳纤维预浸料8平铺，按照裁剪线5所示方向在与碳纤维丝的方向呈15°画直线，得到如图11所示的的预浸料，将如图11顺时针旋转15°得到的±15°的预浸料10。将裁剪完毕的单向碳纤维预浸料8、±45°的预浸料、±15°的预浸料10卷成螺旋状，得到不同角度的卷层碳纤维预浸料6，为后面的三个阶段的铺层做准备。各角度预浸料形成的卷层碳纤维预浸料6宽500mm。（2）制模：高强度泡沫芯模4在完成后需要在芯模4表面缠绕脱模布或者做打蜡处理，以便后期脱模，使用泡沫材料也是防止在脱模过程中当无法脱模后可直接破坏模具，直接脱模。（3）铺布缠绕：图9所示为碳纤维铺层图，碳纤维预浸料的缠绕方式为螺旋缠绕，先将芯模固定在缠绕机的主动旋转端4，将卷为管状的卷层碳纤维预浸料6固定在从动件端7。碳纤维预浸料螺旋缠绕方式即将卷层碳纤维预浸料6开始端固定在芯模4表面，芯模4作为主动件，芯模4的单向匀速转动，同时向被缠绕的卷层碳纤维预浸料6施加600n～800n的张紧力，施加力的方式是对缠绕机从动旋转端7施加阻力，主动轮带动芯模4匀速转动，即在被缠绕的卷层碳纤维预浸料6上有600n～800n的张紧力。芯模4单向匀速转动360°后即完成了一层铺层，在缠绕过程的同时对碳纤维预浸料6上下表面的纸皮和薄膜进行去除。不同角度的预浸料则更换不同的卷层碳纤维预浸料6进行铺层缠绕。每一层预浸料铺层厚0.2mm，第一阶段共5层铺层（如图3的第一阶段第一铺层1.20、第一阶段第二铺层1.19，…..，第一阶段第五铺1.16），铺层角度为90°x1、±45°x2，第一阶段铺层整体厚度为1mm。第二阶段包括共10层铺层（依次为附图3中的附图标记第二阶段第一铺层1.15，第二阶段第二铺层1.14，…第二阶段第十铺层1.6所示）；第二阶段共10层铺层的各铺层角度为±45°x1、±15°x1、90°x2、±15°x1、±45°x1，第二阶段铺层厚度为2mm。第三阶段共5层铺层（依次为附图3中的附图标记第三阶段第一铺层1.5-第三阶段第五铺层1.1所示），铺层角度为±45°x2、90°x1，第三阶段铺层厚度为1mm。其中轴向为0°，顺时针为负角度，逆时针为正角度，±45°x2表示+45°、-45°、+45°、-45°的铺层顺序。传动轴轴身1总共铺层为20层，总厚度为4mm。结合图3对铺层顺序做如下表1的解释：表1：铺层顺序铺层角度铺层阶段对应图3190°第一阶段1.202+45°第一阶段1.193-45°第一阶段1.184+45°第一阶段1.175-45°第一阶段1.166+45°第二阶段1.157-45°第二阶段1.148+15°第二阶段1.139-15°第二阶段1.121090°第二阶段1.111190°第二阶段1.1012-15°第二阶段1.913+15°第二阶段1.814-45°第二阶段1.715+45°第三阶段1.616-45°第三阶段1.517+45°第三阶段1.418-45°第三阶段1.319+45°第三阶段1.22090°第三阶段1.1（4）连接端2和花键端3加工：如图4，连接端2的胶接端2.2长度为65mm,内径32mm，外径36mm，与碳纤维传动轴轴身双搭接的表面均有沿轴线呈45°的环槽，环槽有外环槽2.3和内环槽2.4，外环槽2.3和内环槽2.4各2道，沿轴线对称分布，共4道环槽，环槽深度为0.1mm～0.12mm，宽度为0.5mm。胶接端2.2与法兰2.1过渡处有半径为1mm的倒角，在胶接端2.2内径32mm的圆弧过渡区有0.5mm的倒角。法兰2.1的端面上有均匀分布的6个m6的孔2.5，其中心部分有一个直径30mm的孔2.6，法兰外径60mm，长5mm。花键端3分为两部分，一部分为根据三球销设计的花键部分3.3，花键部分3.3长度48mm，限位凸台3.5直径23mm，长48mm,另一部分法兰部分3.1，法兰3.1的端面上有均匀分布的6个m6的孔3.6，其中心部分有一个外径30mm、内径24mm、高5mm的凸台3.7，法兰3.1外径60mm，长5mm。金属连接端2和花键端3法兰上的凸台3.7与连接端2的孔2.6为过渡配合。起金属连接端与花键端定心的作用，防止在高速旋转的情况下摆动。（5）压接头：如图7所示为压接头的示意图，金属连接端2的内胶合区2.8与碳纤维传动轴轴身1第一阶段第一铺层1.1外壁紧贴。先对金属连接端2的外胶合区2.2和内胶合区2.8用400目砂纸打磨，再用浓硝酸进行表面化学处理，浓硝酸的规格为16mol/l。400目砂纸打磨的目的是增大金属连接头的粘接面积，浓硝酸处理后在金属表面形成一层好氧膜，表面一些基团如甲基等在浓硝酸的硝化作用下，使之转化为-oh,-cooh等极性基团，表面的含氧基团增加，使碳纤维和环氧树脂的结合能力增加，使得胶层的抗剪切能力增强。将金属连接端2的内胶合区2.8压在传动轴轴身1端头的第一阶段第一铺层1.1表面，金属连接端2内径30mm的孔2.6中穿设芯模4，金属连接端2沿着芯模4轴线方向压在碳纤维传动轴轴身1的第一阶段第一铺层1.1的表面，金属连接端2的轴线与碳纤维传动轴轴身1重合，保证固化后金属连接端2与传动轴轴身1的同轴度。（6）铺布：步骤（1）中裁剪好的预浸料8、、±45°的预浸料、±15°的预浸料10分别卷成螺旋状，形成卷层碳纤维预浸料6，将卷层碳纤维预浸料6通过缠绕机按照步骤（3）的铺布缠绕的铺层角度和铺层方法按照表1进行第二阶段和第三阶段铺层。（7）固化：将已经铺完布的碳纤维传动轴身1表面缠绕一层脱膜布和吸胶毡，再放入真空袋中抽真空，在真空泵与制备件中间安装溢流瓶，再将制备件放入热烘机进行加热固化。加热固化流程如下：a.在低于600torr的压力下抽真空，时间1h～2小时。b.持续抽真空，将制备件放入热烘机中加热，缓慢升温75～85℃，升温速率1-3℃/min。c.在75℃～85℃持温1小时。d.升温至120℃，升温速率2-3℃/min。e.缓慢降温至室温，降速率2-5℃/min，并在室温中放置24h以上。（8）脱模：经过步骤（7）固化处理后进行脱模处理，去除芯轴4，得到碳纤维传动轴轴身1、金属连接端2一体化的传动轴。（9）装配：花键端3与金属连接端2装配，将花键端3的凸台3.7与金属连接端2的孔2.6过渡配合，花键端的轴线与碳纤维传动轴的轴线重合，用6颗m6的螺栓将两部分固定。根据上述方法得到的碳纤维复合材料传动轴表面光滑平整，耐用性高，孔隙率低，纤维含量高，金属连接端与碳纤维传动轴轴身连接强度高，传动轴质量低，转动惯量小，固有频率高，不易发生共振现象。从下列表2可以看出，500mm长度的碳纤维传动轴的质量只有传统钢制传动轴的53.29%，减重46.71%，轴身部分碳纤维的密度只有20crmnti的21%，极限抗扭力矩与传统钢制传动轴相当，符合大学生方程式赛车使用条件。表2：当前第1页12