汽车用复合传动轴的设计与模态分析外文原文及翻译.docx

汽车用复合传动轴的设计与模态分析摘要：本文介绍了复合传动轴的设计方法和振动分析。传动轴不限于汽车，在许多传输应用设备中会被用到。本文的目的是通过两个复合材料传动轴代替金属传动轴。复合传动轴的设计主要分为两个部分：复合轴的设计和联轴器的设计。在复合轴的设计中，研究了临界转速、静扭矩和粘接接头等参数，材料特性包括：粘合剂的是非线性各向同性，金属线性各向同性以及复合轴正交异性。所有的设计都是利用有限元分析软件（ANSYS）进行设计。结果反映了复合驱动轴的优化设计的重要点。关键词：传动轴；复合材料；固有频率；模态分析1.概述目前，复合材料被广泛用于在各种大型工程结构包括航天器、飞机、汽车、船舶、体育器材、桥梁和建筑物。复合材料在工业上的广泛应用是因其具有高强度和密度的特性。使用必威体育精装版技术和各种制造方法增加这些特性的可能性大大提高了这些材料的应用范围。复合材料在20世纪70年代开始的时候仅应用在航空航天工业上，但现在仅仅三十年过去了，它已经应用到了大多数行业。同时，汽车行业作为每个国家的最重要的产业之一，也得益于这些先进材料的能力和特点。随着技术的进步，金属汽车零部件被复合材料所取代。其中一个是驱动轴（传动轴），在最近几十年里它的许多研究都已经完成。传动轴通常用钢或铝制作的实心或空心管。超过70%的单个或两件都是用多根推动器轴执着，这一点导致传动轴的重量很大。图1显示了两片钢和复合材料传动轴样品的摄影视角。复合材料传动轴的开始慢慢使用于汽车源自1988年。石墨/碳纤维/玻璃纤维/铝传动轴管的开发是因为轻型卡车、轻型货车和高性能汽车对工业性能和效率的要求越来越高。结果表明，这是驱动轴减轻了重量的主要原因，最终复合驱动轴有一个质量约为2.7公斤，而同等数量的钢传动轴重量约10公斤。在近几十年中，在赛车中复合驱动轴的应用受到了极大的关注。当一个钢传动轴断裂，它的组成部分如同球一样朝所有方向抛出，它也有可能是驱动轴在地面上挖一个洞，把车扔到空气中。但是当一个复合驱动轴断裂，它被分为细纤维，没有任何危险的驱动程序。目前已经开展了大量的研究来探讨不同的材料和层方向的复合驱动轴的优化设计和分析。波拉德研究复合材料传动轴在汽车应用领域的不同应用。他比较了各种情况下的优缺点。Rangaswamy等采用遗传算法和ANSYS优化了复合材料传动轴整体。他们发现，复合材料的使用会比钢传动轴的重量显着减少。他们的报告还提到，复合轴的纤维方向对屈曲扭矩会产生强烈影响。Rastogi利用有限元分析的方法，分析不同条件下的复合材料传动轴的设计。目前的研究方向是努力设计一个HM碳纤维/环氧复合材料传动轴。一体式复合材料传动轴，在后轮驱动汽车上的应用采用ANSYS软件进行了设计和分析。由于传统的驱动轴的性能会受到的临界转速和金属轴产生的较大惯性矩的的限制，这一点在本文第二部分进行了研究。2．复合驱动轴的设计2.1问题说明传动轴的扭矩传输能力为3000纳米，长度和外径分别被认为是2米和120毫米。传动系统的传动轴需要设计优化以满足规定的设计要求。2.2问题假设轴以恒定的速度绕其纵向轴线旋转。轴有一个统一的圆形横截面。轴是完全平衡的，所有的阻尼和非线性效应都被排除在外。复合材料的应力-应变关系是线性的，弹性的，同时，Hook的要求是适用于复合材料。由于叶片薄，没有外的平面载荷被施加，它被认为是在平面受力。2.3截面和材料的选择复合驱动轴选择的是积HM碳/环氧和60%纤维体的复合材料。安全系数为6。表1显示了各层的机械性能。2.4计算复合驱动轴的研究需要满足以下三个要求：扭矩传递能力，临界转速和扭转屈曲能力。考虑到方程和设计相关的复合材料传动轴的最佳纤维排列得到[ 90° / 0° / 45°4]。通过使用希尔理论，计算的失败的概率是可行的。用厚度为2.03毫米的应用载荷，0°的纤维不会断裂。用厚度为2.2毫米的应用载荷，90°的纤维不会断裂。由于轴的扭转，弯曲可以忽略不计。3.复合传动轴的模态分析3.1复合驱动轴的临界转速分析吸引生产商在驱动轴上使用复合材料的最主要的一点是，它们可以增加轴的长度。轴的长度和这两种类型的驱动轴的临界速度之间的关系如图2所示。很明显，对于一个特定的应用程序的临界速度是约8000转/分钟，最长的可能的钢轴为1250毫米，而复合材料可以有一个长度达到1650毫米。通过以下公式得到一个轴的临界转速：在NCR达到临界速度时，F是弯曲频率。考虑到轴的固有频率与轴的长度成反比，与Young的模量的平方成正比，传统的钢传动轴是由2块来增加轴的固有频率，从而提高了轴的整体重量。所以，为了增加固有频率，轴的长度应减少或E/的比率应该增加。由于空间的局限性限制了轴的外径，增加临界速度的唯一方法是增加E/的比率（具体模块）。金属的一个有趣的性质是，虽然它们的密度有明显的差