一种用于碳纤维复合材料传动轴与金属法兰的Z-pin联接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及碳纤维复合材料零件设计制造技术领域，特别是一种用于碳纤维复合材料传动轴与金属法兰的Z-pin联接方法。
【背景技术】
[0002]目前，树脂基碳纤维复合材料质量轻、比强度大、比模量大、热膨胀系数小等优异性使它在减重、减震等方向逐渐占有更大的比重，它不仅在航空、航天等高新技术方面，而且在汽车、建筑、医疗等民用方面也开始有广泛的应用。传动轴在机械工程零件中占有核心地位，为了能满足强度、转速、振动等方面更高标准的需求，部分有特殊要求的传动轴的生产材料已开始从传统材料过渡为优异的碳纤维复合材料。
[0003]使用碳纤维材料传动轴需与金属法兰联接以传递扭矩，目前，常用的联接方式有胶联接、机械联接(螺栓联接、铆钉联接等)、成型联接、焊接(钎焊、扩散焊等)等。胶联接的特点是不破坏纤维，避免应力集中，但是胶联接粘接面强度不均，传递载荷取决于胶的剪切强度，传递载荷不大；机械联接能传递大载荷，便于装卸，但是机械联接接会破坏纤维，存在应力集中，联接效率低；成型联接加工制造复杂；焊接需要表面预处理，工艺复杂。近年Z-pin增强技术应用逐渐广泛，但Z-pin联接增强目前还仅使用非金属Ζ-pin、仅应用于碳纤维之间的联接。综上，目前的联接形式或工艺复杂，或还不能够完全发挥碳纤维的优异性會泛。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是:为了克服现有碳纤维复合材料传动轴与金属法兰联接的不足，通过Z-pin套筒和针形金属Z-pin，提供用于碳纤维复合材料传动轴与金属法兰的Z-pin联接方法，以便保证纤维的连续性，而且能够传递更大扭矩，提高碳纤维传动轴与金属法兰之间的联接可靠性。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]本发明提供的用于碳纤维复合材料传动轴与金属法兰的Z-pin联接方法，具体是:碳纤维复合材料传动轴与金属法兰联接处增加了过渡零件Z-pin套筒，碳纤维复合材料传动轴与Z-pin套筒通过纤维缠绕的方式形成一体，并且一起固化。该方法可用现有的纤维缠绕工艺和装备，制造成本低，锥形Z-pin套筒和芯轴过渡头使缠绕工艺简单，可实现自动化。
[0007]所述的Z-pin套筒，其表面用焊接或过盈配合植入针形金属Z-pin，以便碳纤维缠绕时贴紧Z-pin套筒并且包覆Z-pin，增加碳纤维与Z-pin套筒的接触面。
[0008]所述的Z-pin套筒，其外表面为锥形，能使碳纤维平顺地从芯轴过渡到Z-pin套筒。
[0009]所述的Z-pin套筒，其依靠芯轴过渡头在芯轴端部实现定位，依靠缠绕过程中纤维对Z-pin套筒的锥面的压力实现自动夹紧。
[0010]所述的Z-pin套筒，其端面有多个轴向销孔，用以通过销与金属法兰实现联接。[0011 ] 所述的芯轴过渡头，设有使该芯轴过渡头能定位在芯轴上的止口。
[0012]所述的芯轴过渡头，设有使碳纤维能在缠绕过程中自然换向的球形过渡面。
[0013]所述的芯轴过渡头，设有便于切割固化后碳纤维的切割槽。切割后沿轴向依次可分离芯轴过渡头、芯轴，以实现碳纤维复合材料传动轴的脱模。
[0014]本发明在联接工艺过程中碳纤维复合材料传动轴与Z-pin套筒通过纤维缠绕的方式形成一体，并且一起固化。
[0015]本发明提供的上述的联接方法，使碳纤维传动轴能够传递更大扭矩，提高了碳纤维传动轴与金属法兰联接的可靠性，促进了碳纤传动轴在汽车、机床行业中的应用。
[0016]本发明与现有技术相比，主要有以下的优点:
[0017]1.不破坏纤维连续性，能够充分发挥碳纤维材料的优异性能。
[0018]2.在碳纤维复合材料传动轴工作过程中，碳纤维复合材料传动轴与金属法兰不直接传递载荷，碳纤维复合材料传动轴将载荷传递到Z-pin套筒，Z-pin套筒通过销将载荷传递到金属法兰，可提高碳纤维传动轴与金属法兰联接处的承受载荷能力，从而能更加发挥碳纤维的优异性能。
[0019]3.在工艺过程中，碳纤维复合材料传动轴与Z-pin套筒通过纤维缠绕的方式形成一体，并且一起固化。该方法可用现有的纤维缠绕工艺和装备，制造成本低，锥形Z-pin套筒和芯轴过渡头使缠绕工艺简单，可实现自动化。
[0020]4.提高了碳纤维传动轴与金属法兰联接的可靠性，促进了碳纤传动轴在汽车、机床行业中的应用。
【附图说明】
[0021]图1是本发明联接方法中所用的Z-pin套筒主视图的结构示意图。
[0022]图2是图1的左视图。
[0023]图3是图1的I处放大图。
[0024]图4是图1的II处放大图。
[0025]图5是本发明联接方法中所用的芯轴示意图。
[0026]图6是本发明联接方法中所用的芯轴过渡头主视图的示意图。
[0027]图7是图6的左视图。
[0028]图8是本发明联接方法中所用的法兰主视图的示意图。
[0029]图9是图8是左视图。
[0030]图10是本发明联接方法工艺过程，Z-pin套筒装夹在芯轴后示意图。
[0031]图11是本发明联接方法工艺过程，碳纤维缠绕过程示意图。
[0032]图12是本发明联接方法工艺过程，碳纤维缠绕完毕示意图，碳纤维复合材料传动轴与Z-pin套筒形成一体。
[0033]图13是本发明联接方法工艺过程，碳纤维复合材料传动轴与Z-pin套筒一起固化，然后切割多余碳纤维示意图。
[0034]图14是本发明联接方法工艺过程，带有Z-pin套筒的碳纤维传动轴脱模后示意图。
[0035]图15是本发明联接方法工艺过程，金属法兰与去模具后的组件装配后示意图。
[0036]图中:1.Z-pin套筒；2.芯轴；3.芯轴过渡头；4.碳纤维复合材料传动轴；5.金属法兰；6.销；11.Z-pin ;12.锥面；13.销孔；31.止口 ；32.球形过渡面；33.切割槽；41.碳纤维丝；51.销孔。
【具体实施方式】
[0037]本发明的技术方案是:碳纤维复合材料传动轴与金属法兰不直接接触，而是在联接处增加一个锥形Z-pin套筒过渡零件，其中芯轴过渡头使Z-pin套筒定位在芯轴端部，然后缠绕碳纤维、一同固化、切割、去模具，最后再用销把金属法兰与去模具后的组件联接起来。该方法可用现有的纤维缠绕工艺和装备，制造成本低。本发明涉及一种用于碳纤维复合材料传动轴与金属法兰的Z-pin联接方法，它在工艺过程中增加了 Z-pin套筒和芯轴过渡头两个零件。Z-pin套筒在其锥面植入针形金属Z-pin，既能使碳纤维更好地从芯轴过渡到Z-pin套筒且能传递更大载荷，并使模具简化、易于脱模。芯轴过渡头有止口、球形过渡区、切割槽等结构特点。由于锥形Z-pin套筒和芯轴过渡头的加入使缠绕工艺简单，可实现自动化。
[0038]下面结合实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
[0039]本发明提供的联接方法中，使用了 Z-pin套筒1，如图1至图4所示，是一种用于联接金属法兰5与碳纤维复合材料传动轴4的Z-pin套筒，它是在金属法兰5与碳纤维复合材料传动轴4的联接处所增加的一个过