摘 要

传统的金属传动轴因其质重大，轴承间跨距大，同轴度误差大，造成传动精度差，导致机床的加工精度降低。碳纤维复合材料传动轴不仅质量轻、强度高，还具有很好的耐疲劳性和耐腐蚀性，而且噪声小、震动衰减性好、安全性好、使用寿命长，特别适用于大型重载机械传动轴。因此本文对碳纤维复合材料重型机床传动轴的设计研究有着极其重要的意义。

本文设计了碳纤维复合材料重型机床传动轴的基本结构形式，选用了膜片联轴器作为传动件的连接件，并由传动轴的工作载荷设计出了其各项参数。通过有限元软件ANSYS，沿用层合板设计理论，分析了碳纤维圆管的铺层角度、铺层顺序、铺层比例、铺层厚度等参数对其各项力学性能的影响。通过修改参数重复实验进行分析，得到了铺层设计的最优方案。根据推导常用轴类零件的临界转速公式，计算出了碳纤维复合材料传动轴的临界转速。

本文分析了复合材料与金属件常用的连接方式，对比其适用场合，选择了国内外使用最广泛的混合连接方式。根据经验公式对混合连接的有关参数进行了计算，并由剪切强度校核公式，对胶接的套合长度和机械连接的螺钉直径进行了校核。

关键词：碳纤维，传动轴，有限元分析，铺层设计，连接设计

Abstract

For heavy-duty machine tools, the traditional metal driveshaft is of great quality, the span between the bearings is large, and the error is large, resulting in poor transmission accuracy, which leads to a decrease in the machining accuracy of the machine tool. Carbon fiber epoxy resin composite material has become the new darling of today's heavy-duty machine tool drive shaft materials .Carbon fiber composite material transmission shaft is not only light weight, high strength, but also has good fatigue resistance and corrosion resistance, and has low noise, good vibration attenuation, good safety, long service life, especially suitable for large heavy-duty mechanical transmission axis. Therefore, this paper has a very important significance for the design and research of the carbon fiber composite heavy-duty machine tool drive shaft.

This paper designs the basic structure of the carbon fiber composite heavy-duty machine tool drive shaft, chooses the diaphragm coupling as the connecting part of the transmission part, and designs its parameters from the working load of the drive shaft. Based on ANSYS and the theory of laminate design, the effects of various parameters such as the ply angle, layup sequence, layup ratio, and ply thickness on the mechanical properties of the carbon fiber tube were analyzed. By repeating the experiment by modifying the parameters, the optimal design of the ply design is obtained. According to the derivation of the critical speed formula for the commonly used shaft parts, the critical speed of the carbon fiber composite shaft was calculated.

This article analyzes the common connection methods of composite materials and metal parts. Compared with its application occasions, it selects the most widely used hybrid connection methods at home and abroad. The relevant parameters of the hybrid connection were calculated based on the empirical formula, and the shear strength verification formula was used to verify the glued joint length and mechanically connected screw diameter.

Key Words：Carbon fiber，Transmission shaft，Finite element analysis ，Laminate design，Connection design

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2碳纤维复合材料传动轴的国内外应用现状 1

1.3我国重型机床传动系统的发展概况及存在问题 2

1.4碳纤维复合材料重型机床传动轴的研究目的和意义 3

1.5本课题的主要研究内容及拟解决的关键问题 3

第2章 应用碳纤维复合材料设计的理论基础 5

2.1复合材料单层板的微观物理性能 5

2.2复合材料结构设计过程 5

2.2.1材料设计的选用原则 6

2.2.2铺层设计的一般原则 6

2.3碳纤维复合材料的力学分析 7

2.3.1一般层合板的刚度分析 7

2.3.2一般层合板的强度分析 8

2.4本章小结 8

第3章 碳纤维传动轴的仿真分析和铺层设计 10

3.1碳纤维传动轴的设计要求 10

3.2碳纤维管的材料选用及其性能指标 10

3.3碳纤维层压板的有限元分析法 11

3.3.1选择合适的单元类型 11

3.3.2操作步骤 11

3.4碳纤维层压板强度失效准则 14

3.5碳纤维圆管铺层设计与分析 15

3.5.1铺层厚度设计 16

3.5.2铺层角度设计 17

3.5.3铺层比例设计 18

3.5.4铺层顺序设计 19

3.6碳纤维复合材料传动轴的临界转速分析 20

3.7本章小结 20

第4章 碳纤维复合材料传动轴的连接设计 22

4.1联轴器的选型 22

4.2连接方式的介绍 22

4.2.1胶合连接 22

4.2.2机械连接 24

4.2.3混合连接 25

4.3连接设计计算 25

4.3.1胶合连接设计计算 25

4.3.2机械连接设计计算 26

4.4本章小结 27

第5章 总结与展望 28

5.1总结 28

5.2展望 28

参考文献 30

第1章 绪论

1.1 引言

众所周知，材料、信息和能源是现代科学技术的中流砥柱。材料科学作为当今世界科学发展的主要学科之一，对其深入学习和研究有着极其重要的价值。复合材料是材料学领域里一颗冉冉升起的新星，它的出现导致了材料学领域的重大变革，其与相关学科的交叉衍生，形成了无机材料、金属材料、高分子材料和复合材料共同发展的局面。

碳纤维复合材料因其代表性一直是科研人员关注的焦点，它是由加热后不会熔融的，含碳量较高的人造碳纤维，经特殊处理后与金属、树脂、陶瓷等基体复合加工制成的。其中碳纤维材料中碳含量高于90%的无机高性能纤维是最现今一代增强纤维。将无机高性能纤维与环氧树脂相复合，制成碳纤维增强环氧树脂复合材料，其材料特性不仅表面柔软，有显著的各向异性，可加工性，轴向强度高，还拥有现有结构材料中较高的比强度、比模量，且耐摩擦、耐高温、耐腐蚀，在对密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域或要求高温高压、化学稳定性高等场合都颇具优势。

将碳纤维应用于工业、科研甚至日常生活中已经不再罕见。碳纤维产生于50年代初，最初应用于航空航天、火箭飞船等尖端科学技术，现在却在体育器械、纺织器械、化工机械及医疗器械上广泛使用。随着顶尖科技的发展需求，科研人员们对各种新材料技术性能的要求也日益苛刻。碳纤维增强复合材料产生于80年代初期，其标志着对碳纤维材料的研究和生产已进入一个高级阶段，这在材料科学技术是一次重大的飞跃。举个例子，航天器材的关键部件如火箭推进器或导弹发射管等就是用先进的碳纤维环氧树脂制成的。因为航空航天飞行器的结构重量每减少1公斤，运载火箭的整体重量都会大大降低，这样极大地节省了燃料。从中可以看出，由碳纤维和环氧树脂基体结合成的复合材料，因其比重小、刚性好和强度高的特性在航空航天工业中被争相采用。可见，在当今社会碳纤维复合材料的用途非常之广。

1.2碳纤维复合材料传动轴的国内外应用现状

由于我国在新型材料领域的研究中起步较晚，从而大部分碳纤维材料的应用都模仿或者沿用国外的产品实例，虽碳纤维材料的应用领域非常广泛，但我国主要在航空航天和体育器材这两个领域里市场比较成熟，各方面产品性能也能达到国际水平，而其他工业领域市场才刚刚兴起，还有许多碳纤维产品有待开发。

针对碳纤维轴类产品而言，我国主要将其应用于军用设备，工业设备和大型工程项目这三大块。例如，在工业设备领域中具有代表性的由南京白港公司生产的碳纤维复合材料传动轴，其特制于国内某高速铣床。对比其与传统金属轴的差别，其弯扭强度与金属轴差不多，但其长轴阻尼高、抗震强、质量轻，能够有效提高机床的传动精度。关于国内碳纤维复合材料的工业生产状况，目前T700级碳纤维尚处于工程化研究阶段，T800、MJ系列碳纤维尚在攻关，市面上只有等于或次于T300级碳纤维的产品，而且牌号、规格单一。因此在碳纤维复合材料实际应用上，我国高性能产品主要依赖进口，低端产品成本差异太大，没有市场竞争力。

相对而言，国外就有着成熟的碳纤维传动轴等产品应用市场，主要体现在军用、民用两个领域中。例如，在军用领域，美国RAH66“科曼奇”直升机，所用复合材料占整机结构重量的51%，其传动系统使用了复合材料传动轴，主减速器箱也用复合材料制成；瑞典、挪威等欧洲国家也在其快速巡逻艇上装配有复合材料推进轴，以减小传动阻力，提高传动效率。在民用领域，美国摩里逊公司率先开展了实验运用碳纤维复合材料汽车传动轴的工作，而后其生产的碳纤维传动轴供通用汽车公司载重汽车应用；德国某公司自90 年代开始制作碳纤维复合材料传动轴，其生产的船用碳纤维传动轴产品的长度最大达20多米，能承受比相同长度下的金属轴高4倍的扭矩和高3倍的转速。总之，国外目前已经研究生产出各种规格的复合材料传动轴在工程机械、建筑加固、风力发电、钻井平台、新能源汽车、医疗器械等领域发挥着至关重要的作用。

1.3我国重型机床传动系统的发展概况及存在问题

经过近年来的飞速发展，虽然我国重型机床行业在产能和技术上取得了极大进步，但宏观整个行业，国产重型机床的综合实力距离国际先进水平依然有很大差距，仍然处于国际机床产业链的中低端。究其原因，国产重型机床与国际先进产品相比的不足主要体现在这几个方面：机床的可使用性和稳定状态性不高，质量精度有所欠缺，核心运作部件的技术水平有待提升，以及多轴联动机床的研发不足，柔性制造技术和多功能加工中心的研发能力不足等方面。

影响机床的稳定性、可靠性和制造工艺水平主要因素为机床的传动系统和刀具精度。撇开刀具精度不谈，我国的机床传动系统自主创新能力太薄弱，关键核心技术的缺乏制约了行业发展水平。与国际上相比，我国缺少诸如日本东芝、松下、三菱等百年工业品牌。这是由于我国制造工业起步较晚，长期缺乏自主创新，无法掌握关键核心技术，在机床行业中还缺乏有创新能力的技术人才、素质过硬的技术工人，精益求精的企业文化。

现今，我国重型机床传动轴的设计更多采用传统材料力学简化计算与套用经验设计相结合的方法。由于过于保守，致使产品设计制造成本过高且产品没有新意。过去如果要提高传动轴精度，主要依靠提高传动轴的刚度，而提高传动轴刚度又只能通过加大加厚结构，其结果使传动轴在重量上大部分用于保证其刚度，只有少部分用于其运动，大大降低了传动效率。

因此，如何在保证传动轴刚度、强度、动态性能以及其他指标的条件下进行传动轴轻量化设计成为绿色制造中最为有意义的课题。

1.4碳纤维复合材料重型机床传动轴的研究目的和意义

工科生都明白一般金属传动轴质量重且易磨损，磨损后又会产生误差，引起震动、噪音和能量损失，大大缩短了其使用寿命。如果用碳纤维材料代替金属材料，由于碳纤维复合材料质量轻、强度大的特点，在满足结构件性能要求的同时对比于钢材可减重70%~80%，且强度刚度增大了数倍。金属传动轴在使用时需要定期注入润滑油，以保养其零部件，这样做既增加成本还浪费时间；相对而言碳纤维传动轴使用寿命长，能够减少不必要的维修，且碳纤维传动轴要比金属传动轴耐摩擦、耐腐蚀，在复杂工况下受到的损伤较小，并且碳纤维复合材料具有吸能抗震的特点，能够大大减小传动轴的噪音和震动，降低发动机的能量损失。实际情况表明，在达到相同转速和扭矩的情况下，碳纤维传动轴要比金属传动轴质量至少减轻40%，传动效率提高40%。可见碳纤维传动轴在实现装备轻量化的同时还能够达到节能省油的目的。

通过本文对碳纤维重型机床传动轴的研究，读者还可以从中借鉴到碳纤维圆管铺层设计的一些经验及方法，以及传动轴联轴器的选用方法。由此看来，研究使用碳纤维复合材料代替金属材料设计制作传动轴有着十分重要的意义。

1.5本课题的主要研究内容及拟解决的关键问题

本文主要研究碳纤维传动轴上碳纤维圆管的结构设计以及其与金属半联轴器间的连接设计，并绘制出了相关图纸。碳纤维圆管的结构设计主要包括碳纤维材料的铺层厚度设计、铺层角度设计、铺层顺序设计、铺层比例设计。连接设计主要包括设计金属部件与碳纤维圆管的连接方式的选取，以及胶接长度、胶层厚度、螺钉尺寸及其安装参数的计算等。

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