一种三维编织复合材料汽车传动轴的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种汽车传动轴技术领域，特别涉及一种应用于不同车型的三维编织纤维织物结构的复合材料汽车传动轴。
【背景技术】
[0002]传动轴作为汽车传动系统中的重要传递动力的部件，其作用是主要与变速箱、驱动桥一并将发动机运转过程中产生的动力有效传递给车轮以使得汽车产生驱动力。经过研究表明，传动系统自身运转过程中由于自重的原因将消耗掉发动机能量的17-22%，而目前采用的金属材质的传动轴，由于金属本身较大的体密度而将造成发动机能量利用效率的较大负担。除此以外，金属材质传动轴部件在运行过程中，在轴管、万向节以及伸缩套之间各个部件的摩擦也带来了较大的阻力，这对于发动机能量的消耗也有不容忽视的负担。
[0003]复合材料材质的汽车传动轴具有重量轻、强度高、耐磨擦等优势，可以适用于较大扭矩、较高转速以及较长跨距的应用，除此以外，复合材料的热膨胀系数较低，可以隔绝噪声和振动，能够大大减轻汽车发动机的能量消耗，明显降低油耗而提升燃油效率。传统的复合材料传动轴较多采用二维缠绕方式制备，在制备过程中通过高性能纤维长丝的螺旋缠绕提高轴体强度和刚度。而这种纤维结构复合材料的汽车传动轴存在较大问题，首先缠绕过程中的纤维的排布属于二维平面排布，这对于重型汽车要求的大扭矩或长跨距的轴体要求显然满足不了，此外，缠绕工艺制备的复合材料传动轴部件也存在刚度和强度不稳定的问题而带来使用寿命的无法保证。
[0004]虽然文献《气囊/VARTM工艺成型三维复合材料传动轴》公开的是采用三维玻璃纤维编织物，但是玻璃纤维的比强度和化学稳定性较弱，尤其是对碱性介质而言，所以在制备得到的三维复合材料传动轴的力学性能并不理想，不能满足较大扭矩的使用要求。
【实用新型内容】
[0005]针对目前传统金属材质以及二维缠绕复合材料材质汽车传动轴的重量大、油耗高、刚度以及寿命稳定性不高的种种问题，本实用新型提供了一种三维编织织物增强复合材料汽车传动轴的结构设计和真空导入快速固化的成型技术，可以通过三维织物结构将传动轴管及万向节等重要汽车传统结构零部件达到均质高强、高刚度以及减震性能优异的综合特性提升的目的，具有实际应用价值。
[0006]本实用新型采用以下技术方案:
[0007]—种三维编织复合材料汽车传动轴，括三维编织复合材料传动轴管、三维编织复合材料万向节和三维编织复合材料连接套筒；
[0008]所述三维编织复合材料传动轴管的两端部轴管壁内设有若干个第一内滑动花键槽；
[0009]所述三维编织复合材料万向节是由万向节端头和与万向节端头相连万向节套管组成，所述万向节套管的壁内设有若干个第二内滑动花键槽；
[0010]所述三维编织复合材料连接套筒的筒壁设有若干个与第一内滑动花键槽和第二滑动花键槽相匹配的外滑动花键，所述外滑动花键与所述筒壁连接处设有金属增强件。
[0011]优选的，所述三维编织复合材料传动轴管是由第一三维立体编织预制体、第一铺缝结构和热固性树脂复合成型，所述第一铺缝结构是铺缝纤维沿所述三维立体编织预制体中的第一内滑动花键槽部位处预制体厚度方向铺缝所形成的结构。
[0012]所述第一三维立体编织预制体为常规现有技术，由常规纤维编织制成，本领域的技术人员容易制得。另外，所述第一三维立体编织预制体也可由高刚度纤维混杂制成，所述高刚度纤维选用高模量碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维等其中的两种或两种以上混杂组合，高模量碳纤维为M40J碳纤维和/或M60J碳纤维，所述高模量碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维的混杂比例根据实际工况要求灵活调整，可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种三维编织结构进行组合编织。为进一步提高传动轴管的力学性能，所述高模量碳纤维与碳化硅或氧化铝纤维或玄武岩纤维的体积比例为I?6:1 ο
[0013]优选的，所述三维编织复合材料万向节是由第二维立体编织预制体、第二铺缝结构和热固性树脂复合成型，所述第二铺缝结构是铺缝纤维沿所述三维立体编织预制体中的第二内滑动花键槽部位处预制体厚度方向铺缝所形成的结构。
[0014]所述第二三维立体编织预制体为现有技术，由常规纤维编织制成。另外，所述第二三维立体编织预制体也可由高刚度碳纤维和高强高韧性纤维混杂制成，所述高刚度碳纤维为高模量碳纤维(M40J、M60J)、碳化硅纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维中的任意一种，高强高韧性纤维为高强度纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维中的任意一种，高强度碳纤维为T300及其以上的碳纤维，主要包括T300、T700和T800。所述万向节端头与万向节端头采用一体化编织成型的方式，内外径规格、厚度以及长度根据车辆要求而灵活调整。万向节端头选用十字轴式、球笼式、球叉式等各种不同类型。高刚度纤维和高强高韧性纤维的混杂比例根据实际工况要求灵活调整，可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种三维编织结构进行组合编织。根据万向节的受力特点，进一步提高万向节的力学性能，所述高刚度纤维与高强高韧性纤维的体积比例为1:1?3。
[0015]优选的，所述三维编织复合材料连接套筒是由第三三维立体编织预制体、第三铺缝结构和热固性树脂复合成型，所述第三铺缝结构是铺缝纤维沿所述三维立体编织预制体中的外滑动花键部位处预制体厚度方向铺缝所形成的结构。
[0016]所述第三三维立体编织预制体为现有技术，由常规纤维编织制成。另外，所述第三三维立体编织预制体也可由高强高韧纤维混杂制成，所述高强高韧性纤维为高强度纤维、芳纶纤维、UHMWPE纤维中的任意两种进行混杂组合，高强度碳纤维是指Τ300及其以上的碳纤维，主要包括Τ300、Τ700和Τ800。两种纤维的混杂比例根据实际工况要求灵活调整，可选用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的一种或多种三维编织结构进行组合编织。在复合材料套筒花键与套筒主体连接部位的三维预制体织物内嵌入金属增强件。
[0017]优选的，所述铺缝结构所用的铺缝纤维为高强度碳纤维，高强度碳纤维为Τ300及其以上的碳纤维。所述铺缝结构的铺缝纤维占整个三维立体编织预制体纤维的重量比为5?50% ο
[0018]优选的，所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂的任意一种，最终制得的三维编织复合材料汽车传动轴树脂的含量为35?50%。
[0019]所述的汽车传动轴的三维编织复合材料传动轴管和万向节套管端的连接通过带有滑动花键的三维编织复合材料连接套筒形成整体，三维编织复合材料连接套筒两端分别套入三维编织复合材料传动轴管和万向节套管端完成二者之间连接。三维编织复合材料滑动套筒的内外径规格、厚度以及长度根据车辆要求而灵活调整。
[0020]汽车传动轴为主承力结构件，在使用过程中会受到非常大的扭矩和弯矩，其转速高、离心力大、扭振较大，故其强度和刚度是表明汽车传动轴性能是否优异的重要指标，强度是传动轴在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力(永久变形、断裂)，它是衡量传动轴本身承载能力(即抵抗失效能力)的重要指标。刚度是指材料在受力时抵抗弹性变形的能力(抵抗弹性变形)。本实用新型的传动轴管、万向节和连接套筒的三维立体编织预制体的纤维类型、比例以及排布方向组合是根据汽车传动轴传动过程的受力特点而特定选择的，是实用新型人经过长期的实验测试得到的，本实用新型通过恰当地选择各个部件的纤维混杂类型以及比例，既保证了较高的刚度，也具有较高的强度。具体而言:
[0021]传动轴管具有质量轻但能传递较大的扭矩，本实用新型的传动轴管特别选用高模量碳纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维中的两种或两种以上混杂组合，其中高模量碳纤维具有轻质、高强、超高模、高导热、高导热、低热膨胀系数的特性，广泛应用在航天、航空、运动器材等先进复合材料的增强体。碳化硅纤维是以有机硅为原料经纺丝、碳化或气相沉积制得具有碳化硅结构的无机纤维，属于陶瓷类纤维，碳化硅纤维具有较高的比强度和比模量高、高温性能好;碳化硅纤维的热膨胀系数比金属小，因此具有良好的尺寸稳定性能;碳化硅纤维性能稳定，不存在吸潮、老化、分解等问题，保证了使用和可靠性;碳化硅纤维具有较好的界面结构，有效阻止裂纹的扩散，具有优良的抗蠕变和抗疲劳性能。氧化铝纤维具有质量轻、高强度、高模量、高耐热性、低变形、耐腐蚀，易于与各种纤维复合，抗震性好，具有抗拉强度和疲劳强度高、线性