基于FSAE赛车的碳纤维传动半轴设计制造.docx

基于FSAE赛车的碳纤维传动半轴设计制造刘昊东毛亚斌任豪放范凯琪摘要：碳纤维增强复合材料具有质轻高强等优势，应用于汽车零部件可达到轻量化、提高零件的碰撞吸能性、减振性和抗疲劳性、耐腐蚀性等目的。目前FSAE赛车的传动半轴主要采用钢制材料（如40Cr、钛合金等），质量较大。然而由于可靠性、成本控制、设计制造难度等，使得碳纤维传动半轴不能得到广泛的应用，基于此目的，文章设计了一款碳纤维传动半轴，使用三段式结构，运用有限元软件辅助设计，确定铺层形式为[90/±45/0/±45]4，并采用共固化成型工艺制造，减重程度预计可达25%及以上。关键词：FSAE赛车;碳纤维;传动半轴;共固化中图分类号：U463.2文献标志码：A文章编号：1671-7988（2020）21-57-05Abstract：Carbonfiberreinforcedcompositematerialshavetheadvantagesoflightweightandhighstrength，itcanbeusedinautomotivepartstoreduceweight，improvecollisionenergyabsorption，vibrationdampingandfatigueresistance，corrosionresistance.Atpresent，thetransmissionhalfshaftoftheFSAEcarmainlyusessteelmaterials（suchas40Cr，titaniumalloy），andtheweightislarge.However，duetoreliability，costcontrol，difficultyindesignandmanufacture，carbonfibertransmissionhalfshaftscannotbewidelyused.Basedonthispurpose，acarbonfibertransmissionhalfshaftisdesignedinthispaper，whichusesathree-stagestructure，withfiniteelementsoftwaretoassistdesign，theplyformis[90/±45/0/±45]4.Usingtheco-curingmoldingprocess，theweightlossisexpectedtoreach25%andabove.Keywords：FSAEcar;Carbonfiber;Transmissionhalfshaft;Co-curingCLCNO.：U463.2DocumentCode：AArticleID：1671-7988（2020）21-57-05引言FSAE（FormulaSocietyofAutomotiveEngineers）赛事自1978年创办以来，吸引了世界各地的大学生踊跃参加，中国自2010年举办第一届赛事至今也已走过了十个年头。大学生方程式汽车大赛作为一个实践创新平台，极大地提高了车辆工程专业学生的知识水平和动手能力。近年来，大学生方程式赛车设计水平不断提高，特别是在轻量化方面，应用了大量的碳纤维复合材料，其使用率占到了整车材料的20%～40%，然而碳纤维传动半轴设计难度大，可靠性不高导致其应用困难。国内外针对复合材料传动轴开展了一系列研究，对FSAE赛车碳纤维传动半轴设计制造有一定的借鉴意义。A.R.AbuTalib等[1]运用有限元方法来设计碳纤维/玻璃纤维复合材料传动轴，并研究了铺层角度、顺序对传动轴性能的影响，最终确定了最佳铺层设计为[±45glass/0carbon/90glass]。WonTaeKim等[2]通過有限元分析和实验比较了了圆形、六角形和椭圆形接头的应力和扭矩传递能力，结果表明六角接头具有最佳的扭矩传递能力。洪宝剑[3]设计了一款装配型碳纤维传动轴，对铺层的角度、顺序、厚度及比例进行了重点设计，金属接头与碳纤维轴管的连接采用胶接-螺钉混合连接。徐峰祥等[4]设计了一款针对FSAE赛车的碳纤维传动半轴，采用一种“双搭接-机械连接”的混合连接方式来连接碳纤维传动轴轴身和金属连接头。汪舟等[5]设计了一款大学生方程式赛车碳纤维传动半轴，碳纤维轴管与半轴接头的连接采用胶接连接，通过改进半轴接头的结构设计从而获得更大的胶接强度。1设计要求与思路以武汉理工大学WUT燃油方程式赛车为例，其采用HondaCBR600RR发动机，依据此设计一款碳纤维传动半轴，由于FSAE赛车的半轴采用的是全浮式结构，其只承受转矩，依据受力形式属于传动轴。设计前需要确定性能要求，建立半轴设计扭矩TD计算公式：式中：K——考虑赛车实际行驶工况引入的修正系数，一般取0.4～0