变直径复合材料轴管的结构优化及应用验证.pdf

Automobile Parts 2023.06047Structural Optimization and Application Verification of Variable Diameter Composite Tube变直径复合材料轴管的结构优化及应用验证收稿日期:2022-10-10作者简介:朱卓选(1965),男,硕士,教授级高级工程师,主要从事汽车传动系统的研发及试验工作。E-mail:。DOI:10.19466/ki.1674-1986.2023.06.009变直径复合材料轴管的结构优化及应用验证朱卓选上海纳铁福传动系统有限公司,上海 201315摘要:由于缺乏有效解决变直径复合材料轴管成形模具脱模问题的技术方案,目前的汽车动力传动轴使用的还是等直径的复合材料轴管。针对这些问题对变直径复合材料轴管的弯曲振动频率进行了计算,并对变直径复合材料轴管的结构尺寸进行了优化。完成了变直径复合材料轴管成形模具的设计,并通过了应用验证。结果表明:通过改变变直径复合材料轴管各管段的直径或各管段的长度,可以非常容易地按照汽车整车的 NVH 性能需求调整匹配变直径复合材料轴管的弯曲振动频率,还可以更加充分地发挥其高强度、高刚度、轻量化的性能优势;将变直径复合材料轴管成形模具的本体周向分割成多个分体,在变直径复合材料轴管成形之后可以方便地实现成形模具的脱模功能,使变直径复合材料轴管在汽车动力传动轴领域的推广应用成为可能。关键词:动力传动轴;变直径轴管;复合材料;成形模具中图分类号:TH113Structural Optimization and Application Verification of Variable Diameter Composite TubeZHU ZhuoxuanShanghai GKN HUAYU Driveline Systems Co.,Ltd.,Shanghai 201315,ChinaAbstract:Because of a lack of technical solutions to effectively solve the demoulding problem of the variable diameter composite tube form-ing die,the current automobile power drive shaft still uses the uniform diameter composite tube.The bending vibration frequency of variable diameter composite tube was calculated,and the structural size of variable diameter composite tube was optimized.The design of the variable diameter composite tube forming die was completed and passed the application verification.The results show that by changing the partition tube diameter or the partition tube length,the bending vibration frequency of the variable diameter composite tube can be easily adjusted to accurately match the automobile NVH performance,and its performance advantage of high strength,high stiffness and light weight of variable diameter composite tube can also be more sufficiently utilized.The main body of the variable diameter composite tube forming die is circumferentially divided into several parts.The demoulding function of the forming die can be easily realized after the variable diameter composite tube is formed,which makes it possible to popularize and apply the variable diameter composite tube in the field of automobile power drive shaft.Keywords:power drive shaft;variable diameter tube;composite material;forming die0 引言传动轴是汽车底盘中动力扭矩传递的关键零部件。复合材料轴管具有高强度、高刚度、轻量化等综合优势,使用复合材料轴管的汽车动力传动轴具有广阔的发展前景1。目前,可用于汽车动力传动轴的复合材料轴管主要是等直径轴管。由于周围工作空间和干涉情况限定了轴管直径的大小,汽车动力传动轴所用的等直径复合材料轴管的弯曲振动频率不容易调整变化,影响了汽车动力传动轴的弯曲振动频率与其应用场景所需要的噪声、振动、异响(NVH)性能的匹配调校效果2。变直径复合材料轴管是具有单峰鼓形、双峰鼓形、波浪式多峰鼓形等轮廓形状的变直径的轴管。变直径复合材料轴管的弯曲振动频率很容易按照应用场景灵活设计及调整变化。复合材料轴管通常由纤维丝束在相应的成形模具上缠绕并黏结固化而成,其缠绕成形方法通常为:用清洁剂将成形模具表面清理干净,将脱模剂均匀涂覆于成形模具表面,以适当的速度和张力将预浸胶的纤维丝束按照一定的路径方案缠绕于成形模具的外周面上形成复合材料层,按照一定的升温速率升温至一定温度并保温一定时间,再冷却至室温后脱模得到复合材料轴管。等直径复合材料轴管在其模具上成形后,比较容易将模具从成形后的复合材料轴管内部脱出,即容易脱模;而变直径复合材料轴管在其模具上成形后,其模具的脱模则相对困难。查阅资料,鲜有报道能够有效解决变直径复合材料轴管成形模具脱模问题的技术方案,制约了复合材料轴管在汽车动力传动轴领域的推广应用。2023.06 Automobile Parts048研究与开发Research&Development1 变直径复合材料轴管1.1 变直径复合材料轴管结构图 1 为变直径复合材料轴管结构。该轴管主要用于汽车动力传动轴,具有前端管段和后端管段,并且在前端管段和后端管段之间有多个不同直径、不同长度的中部管段和圆锥管段。前端、中部和后端管段均为圆柱管段,相邻两个圆柱管段之间由圆锥管段光滑过渡。由轴管结构可知,汽车动力传动轴的前万向节对接于前端管段的左侧,后万向节对接于后端管段的右侧,前端管段和后端管段之间是 3 个不同直径、不同长度的中部管段以及 4 个圆锥管段。考虑到生产制造工艺的制约以及成本经济性的要求,前万向节及后万向节通常直接选用标准化系列的结构形式,其大小根据汽车整车的动力参数分析计算后确定为标准化系列产品中的某一具体规格。因此,当前万向节与后万向节的具体规格确定后,前端管段和后端管段的直径也相应确定下来且不再变动,而中部管段的直径可以在周围空间干涉约束的许可范围内进行局部调整,各圆柱管段的长度也可以依据实际需要进行变动,从而可以调整变直径复合材料轴管的弯曲振动频率,以便匹配并改善汽车整车的 NVH 性能。考虑到生产制造工艺及变直径复合材料轴管综合性能的实际需要,各圆锥管段的圆锥半角一般设计为不大于 15。图 1 变直径复合材料轴管结构1.2 变直径复合材料轴管弯曲振动频率汽车动力传动轴的弯曲振动频率主要由其所用的变直径复合材料轴管的弯曲振动频率决定,只要使变直径复合材料轴管的弯曲振动频率可以灵活调整变化,就能实现汽车动力传动轴的弯曲振动频率与汽车整车 NVH性能需求的恰当匹配。1.2.1 变直径复合材料轴管结构简化为了方便分析计算汽车动力传动轴所用的变直径复合材料轴管的弯曲振动频率,对图 1 中的变直径复合材料轴管结构进行等效简化。图 2 为变直径复合材料轴管的等效简化结构。简化方式为:保持图 1 中的各圆柱管段的直径不变,将各圆锥管段等效到与其左右相邻的圆柱管段上,将图 1 中的变直径复合材料轴管等效简化为图 2 所示的阶梯式轴管。此时,各圆柱管段的长度分别向原本为圆锥管段所在的区段延长,变直径复合材料轴管的总长维持不变,并且各圆柱管段的内径及外径也维持不变3。图 2 变直径复合材料轴管的等效简化结构1.2.2 变直径复合材料轴管弯曲振动频率计算变直径复合材料轴管的弯曲振动频率的计算方法如下:(1)设计变直径复合材料轴管选用的复合材料的铺层结构方案。(2)取得变直径复合材料轴管的材料试样,制作NOL(naval ordnance laboratory)环 试 样,根 据 GB/T 1458 纤维缠绕增强塑料环形试样力学性能试验方法对 NOL 环试样进行拉伸性能试验,获得变直径复合材料轴管材料的弹性模量 Ex。(3)基于图 2 所示的等效简化后的变直径复合材料阶梯式轴管结构,按式(1)分析计算变直径复合材料轴管的弯曲振动频率(忽略阻尼影响)。f=123 Ex5i=1(D4i-d4i)5i=1L3i5i=1Li(D2i-d2i)(1)式中:f 为变直径复合材料轴管的弯曲振动频率(Hz);为变直径复合材料轴管的体密度(kg/mm3);Ex为变直径复合材料轴管的弹性模量(GPa);Di为各圆柱管段的外径(mm);di为各圆柱管段的内径(mm);Li为等效简化后各圆柱管段的长度(mm)。从式(1)可以看出,变直径复合材料轴管的弯曲振动频率与其上各圆柱管段的外径正相关,而与各圆柱管段的长度负相关。因而,在汽车动力传动轴周围工作空间干涉约束的许可范围内,通过调整变直径复合材料轴管上各中部管段的外径和/或各圆柱管段的长度,即可以灵活调整变直径复合材料轴管的弯曲振动频率,从而可以合理调整汽车动力传动轴的弯曲振动频率,以便恰当匹配汽车整车在实际行驶工况下所需要的 NVH 性能。Automobile Parts 2023.060491.3 变直径复合材料轴管尺寸优化在依据弯曲振动频率所确定的变直径复合材料轴管的结构尺寸的许可变动范围内,根据汽车的动力参数,计算校核变直径复合材料轴管的扭转强度、扭转刚度及扭转屈曲,迭代优化变直径复合材料轴管各中部管段的直径和/或各圆柱管段的长度尺寸分布;根据汽车的最高车速,计算校核变直径复合材料轴管的临界转速,迭代优化变直径复合材料轴管各中部管段的直径或各圆柱管段的长度尺寸分布;按照轻量化设计目标,迭代优化变直径复合材料轴管各中部管段的直径或各圆柱管段的长度尺寸分布。如此循环迭代,便可以在匹配满足整车对动力传动轴的弯曲振动频率要求的同时,进一步优化并最终确定变直径复合材料轴管的结构尺寸。2 变直径复合材料轴管成形模具成形模具是生产制造变直径复合材料轴管的核心技术手段,其结构设计方案决定着能否成功生产制造用于汽车动力传动轴的变直径复合材料轴管的工程可行性。2.1 变直径复合材料轴管成形模具结构图 3 为变直径复合材料轴管成形模具结构,主要由本体、左圆盘和右圆盘构成,本体与左圆盘及右圆盘紧密插接装配在一起。本体为变直径复合材料轴管成形过程中的实际工作部分,其外轮廓与所需成形的图 1 中的变直径复合材料轴管的内轮廓完全相同。实际工作时,通过在本体的外周面上缠绕纤维丝束,就能够成形与本体的外轮廓完全相同的变直径复合材料轴管的轮廓形状,顺利完成变直径复合材料轴管的成形制造工作。图