傳動(dòng)軸作為汽車的一個(gè)重要的運(yùn)動(dòng)部件，在不同軸心的兩軸間傳遞動(dòng)力，工作環(huán)境比較惡劣。傳統(tǒng)的汽車傳動(dòng)軸是金屬件，金屬傳動(dòng)軸在使用過程中需要定期注入潤滑油保養(yǎng)，并且在使用過程中容易磨損，引起傳動(dòng)軸噪音和發(fā)動(dòng)機(jī)能量損失、使用壽命縮短。而碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸具有很高的比強(qiáng)度、比模量，在實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的同時(shí)可以達(dá)到節(jié)能省油的目的，其強(qiáng)度也比金屬材料高。因此碳纖維復(fù)合材料是制造傳動(dòng)軸的理想材料。
最早的碳纖維復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸誕生于美國摩里遜公司（MorrisonMolded Fiber Glass），供通用汽車公司載重汽車應(yīng)用。其采用的碳纖維復(fù)合材料可以使原來的兩件合并為一件，與鋼材相比較質(zhì)量可以減輕60%，每個(gè)傳動(dòng)軸可減輕9Kg。該傳動(dòng)軸采用卓爾泰克（ZOLTKE）公司的工業(yè)級(jí)48K碳纖維，每根傳動(dòng)軸消耗碳纖維0.68Kg。
福特公司1984年將玻璃纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸應(yīng)用到汽車領(lǐng)域。此種材料的抗扭曲強(qiáng)度是傳統(tǒng)金屬材料的兩倍以上，扭矩力測試結(jié)果為17,793N，遠(yuǎn)大于安全設(shè)計(jì)值10,000N，作為受力材料玻璃纖維還要遜色于碳纖維復(fù)合材料?？紤]到碳纖維使用的成本，早期傳動(dòng)軸主要采用的是玻璃纖維增強(qiáng)樹脂，或玻璃纖維和碳纖維混合的使用，其中碳纖維作為結(jié)構(gòu)層。
GKN公司在1988年開始著手于碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸的研究，傳動(dòng)軸在Renault Espace Quadra 上的使用開導(dǎo)了碳纖維復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸的先驅(qū)。1992年推出的Renault Safrane Quadra
的傳動(dòng)軸由原始的金屬三段式發(fā)展到了金屬和復(fù)合材料相連的兩節(jié)式，減重高達(dá)40%，此種傳動(dòng)軸銷量較小，僅年產(chǎn)500套。在Toyota Mark II使用的碳纖維傳動(dòng)軸減重達(dá)50%，性能上大大改善了N·V·H（Noise, Vibration, and Harshness）。Audi 80/90Quattro 首次使用碳纖維傳動(dòng)軸是在1989年，并且使用汽車型號(hào)一直延續(xù)到了1998年的Audi A4/A8Quattro，此種型號(hào)傳動(dòng)軸年產(chǎn)已達(dá)30,000套。此外碳纖維汽車傳動(dòng)軸在以下車型上均有使用：阿斯頓·馬丁DB9，阿斯頓·馬丁V8 Vantage Coupe，阿斯頓馬丁V12 Vantage，馬自達(dá)RX-8。
碳纖維傳動(dòng)軸的優(yōu)點(diǎn)
>>>> 強(qiáng)度高
碳纖維傳動(dòng)軸所用的碳纖維主要以聚丙腈纖維為原料，經(jīng)過高溫碳化等特殊工藝加工成極細(xì)的纖維絲，提高單絲強(qiáng)度，使一定量纖維的表面積增大很多，抗拉強(qiáng)度高于鋼材于3倍，剛度高于2倍，耐疲勞性高于2倍，是極具誘惑的纖維增強(qiáng)材料，具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、抗疲勞等諸多優(yōu)異性能。通用級(jí)碳纖維強(qiáng)度在3,500MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼材強(qiáng)度340Mpa。
>>>> 重量輕
碳纖維材料的密度為1.8g/立方厘米，鋼的密度為7.8g/立方厘米。資料表明：碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸與傳統(tǒng)金屬傳動(dòng)軸相比較可以至少減輕40%的質(zhì)量，其中包括傳動(dòng)軸兩段的金屬鏈接部件。汽車普通部件質(zhì)量每減輕1%，可節(jié)油1%，傳動(dòng)軸等運(yùn)動(dòng)部件則可節(jié)油2%。
>>>> 臨界轉(zhuǎn)速高
汽車傳動(dòng)軸的諸多性能參數(shù)當(dāng)中，臨界轉(zhuǎn)速是很重要的一個(gè)參數(shù)。當(dāng)傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速與它的彎曲振動(dòng)的固有頻率相同時(shí)，傳動(dòng)軸就會(huì)發(fā)生共振，有折斷的危險(xiǎn)。
碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸具有優(yōu)異力學(xué)性能并且具有位移補(bǔ)償能力，單根軸體管就能達(dá)到使用上的要求。研究表明：軸體直徑一致的情況下，汽車傳動(dòng)軸的臨界轉(zhuǎn)速為8,000 rev/min時(shí)傳統(tǒng)金屬傳動(dòng)軸的長度為1,250mm，而碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料傳動(dòng)軸的長度可以達(dá)到1,650mm。碳纖維復(fù)合材料有望實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸的一體化。傳動(dòng)軸長度與臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下圖。
碳纖維復(fù)合材料具有很高的比強(qiáng)度、比模量，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的同時(shí)可以達(dá)到節(jié)能省油的目的。纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料傳動(dòng)軸已經(jīng)廣泛應(yīng)用到汽車領(lǐng)域，并且成功的改善了傳統(tǒng)金屬汽車傳動(dòng)軸的N·V·H（Noise, Vibration, and Harshness）性能，為汽車駕駛者提供了安靜怡人的環(huán)境。金屬傳動(dòng)軸和CFRP傳動(dòng)軸對(duì)比如下圖。
碳纖維傳動(dòng)軸工藝特點(diǎn)
碳纖維傳動(dòng)軸除軸管采用碳纖維復(fù)合材料以外，其它零部件如主動(dòng)叉從動(dòng)叉花鍵軸等仍采用鋼材料，傳統(tǒng)金屬傳動(dòng)軸采用焊接工藝，而碳纖維傳動(dòng)軸則需要更復(fù)雜的成型工藝，常見的成型工藝為纏繞成型。
纏繞成型是生產(chǎn)復(fù)合材料傳動(dòng)軸最常用的成型工藝。纏繞成型可以精度的控制纖維的方向和軸體直徑，此成型工藝具有高度的自動(dòng)化生產(chǎn)能力。GKN公司所提供的復(fù)合材料傳動(dòng)軸均由纏繞工藝制備而成。纏繞成型過程中主要控制的參數(shù)有纏繞線型和纏繞角度對(duì)傳動(dòng)軸性能的影響。
復(fù)合材料傳動(dòng)軸軸體與金屬連接部件的連接形式
>>>> 齒紋式連接
連接工序分兩種情況：一種是先將碳纖維傳動(dòng)軸軸體成型加工好之后再將其與金屬連接部件粘和連接,另外一種則是在纏繞成型過程中將金屬連接部件固定在纏繞芯模上，在纏繞過程中即可完成粘和連接。不管是兩者中的哪一種連接方式，金屬連接部件的外表面都經(jīng)過齒紋狀處理以增加連接強(qiáng)度的作用，復(fù)合材料軸體連接部位和連接部件連接部位采用齒紋連接的方式。
如上圖所示13 為傳動(dòng)軸金屬連接部件，14 為金屬連接部件上的齒紋帶。齒紋帶齒紋的頂角角度為45°-75°（推薦使用60°）。金屬連接部件齒紋帶14 的外徑為70mm-75mm，齒紋頂尖厚度為0.05mm，相鄰齒紋頂尖寬度為0.9mm-1.8mm，齒紋高度為1.25mm，齒紋根部寬度為1.5mm,齒紋數(shù)量在145個(gè)左右。
傳動(dòng)軸的連接示意圖如下圖所示，3 為金屬連接部件，5 為金屬連接部件與復(fù)合材料軸體的連接層，6 為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料傳動(dòng)軸軸體。Fig1-3 為金屬連接部件上連接部位齒紋示意圖。齒紋尺寸高為：0.15mm-1mm，齒紋頂角角度為90°。
>>>> 銷釘式連接
如下圖所示：1 為傳動(dòng)軸示意圖，2 為連接部位銷釘連接示意圖，3 為連接部位橫切面示意圖。
碳纖維傳動(dòng)軸在沖擊強(qiáng)度上有一定的不足，在傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中在最外表面加上增強(qiáng)層，一般為玻璃纖維復(fù)合材料，可在纏繞成型過程中完成，也可采用噴射工藝將短纖維復(fù)合材料噴射在軸體表面固化成型加強(qiáng)層。
總結(jié)
汽車是最普遍的代步、運(yùn)輸工具，許多國家均將汽車工業(yè)作為其重要的支柱產(chǎn)業(yè)。面對(duì)資源和環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，推進(jìn)汽車輕量化以降低油耗，一直是汽車工業(yè)發(fā)展的主題。碳纖維復(fù)合材料因具有加工能耗低、輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐銹蝕、成型工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，成為汽車工業(yè)以塑代鋼的理想材料。但由于碳纖維價(jià)格昂貴，過去主要用于航空航天領(lǐng)域，隨著先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，高效、自動(dòng)化、大批量生產(chǎn)等先進(jìn)技術(shù)使復(fù)合材料的競爭性正在不斷提高，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在汽車上逐步成為現(xiàn)實(shí)。碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸是汽車上比較成功的應(yīng)用之一，目前在高性能汽車、賽車上應(yīng)用較多，用于普通家用轎車也將會(huì)是未來一個(gè)發(fā)展趨勢。
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