傳動軸作為汽車的一個重要的運動部件，在不同軸心的兩軸間傳遞動力，工作環(huán)境比較惡劣。傳統(tǒng)的汽車傳動軸是金屬件，金屬傳動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，引起傳動軸噪音和發(fā)動機能量損失、使用壽命縮短。而碳纖維復合材料傳動軸具有很高的比強度、比模量，在實現(xiàn)汽車輕量化的同時可以達到節(jié)能省油的目的，其強度也比金屬材料高。因此碳纖維復合材料是制造傳動軸的理想材料。

最早的碳纖維復合材料汽車傳動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用。其采用的碳纖維復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%，每個傳動軸可減輕9Kg。該傳動軸采用卓爾泰克（ZOLTKE）公司的工業(yè)級48K碳纖維，每根傳動軸消耗碳纖維0.68Kg。

福特公司1984年將玻璃纖維復合材料傳動軸應用到汽車領域。此種材料的抗扭曲強度是傳統(tǒng)金屬材料的兩倍以上，扭矩力測試結果為17,793N，遠大于安全設計值10,000N，作為受力材料玻璃纖維還要遜色于碳纖維復合材料?？紤]到碳纖維使用的成本，早期傳動軸主要采用的是玻璃纖維增強樹脂，或玻璃纖維和碳纖維混合的使用，其中碳纖維作為結構層。

GKN公司在1988年開始著手于碳纖維復合材料傳動軸的研究，傳動軸在Renault Espace Quadra 上的使用開導了碳纖維復合材料汽車傳動軸的先驅(qū)。1992年推出的Renault Safrane Quadra

的傳動軸由原始的金屬三段式發(fā)展到了金屬和復合材料相連的兩節(jié)式，減重高達40%，此種傳動軸銷量較小，僅年產(chǎn)500套。在Toyota Mark II使用的碳纖維傳動軸減重達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軸是在1989年，并且使用汽車型號一直延續(xù)到了1998年的Audi A4/A8Quattro，此種型號傳動軸年產(chǎn)已達30,000套。此外碳纖維汽車傳動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RX-8。

碳纖維傳動軸的優(yōu)點

>>>> 強度高

碳纖維傳動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的纖維絲，提高單絲強度，使一定量纖維的表面積增大很多，抗拉強度高于鋼材于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材料，具有高強度、高模量、耐高溫、耐磨、耐腐蝕、抗疲勞等諸多優(yōu)異性能。通用級碳纖維強度在3,500MPa，遠遠高于鋼材強度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：碳纖維復合材料傳動軸與傳統(tǒng)金屬傳動軸相比較可以至少減輕40%的質(zhì)量，其中包括傳動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%，傳動軸等運動部件則可節(jié)油2%。

>>>> 臨界轉(zhuǎn)速高

汽車傳動軸的諸多性能參數(shù)當中，臨界轉(zhuǎn)速是很重要的一個參數(shù)。當傳動軸的轉(zhuǎn)速與它的彎曲振動的固有頻率相同時，傳動軸就會發(fā)生共振，有折斷的危險。

碳纖維復合材料傳動軸具有優(yōu)異力學性能并且具有位移補償能力，單根軸體管就能達到使用上的要求。研究表明：軸體直徑一致的情況下，汽車傳動軸的臨界轉(zhuǎn)速為8,000 rev/min時傳統(tǒng)金屬傳動軸的長度為1,250mm，而碳纖維增強樹脂復合材料傳動軸的長度可以達到1,650mm。碳纖維復合材料有望實現(xiàn)傳動軸的一體化。傳動軸長度與臨界轉(zhuǎn)速的關系如下圖。

碳纖維復合材料具有很高的比強度、比模量，實現(xiàn)汽車輕量化的同時可以達到節(jié)能省油的目的。纖維增強樹脂復合材料傳動軸已經(jīng)廣泛應用到汽車領域，并且成功的改善了傳統(tǒng)金屬汽車傳動軸的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。金屬傳動軸和CFRP傳動軸對比如下圖。

碳纖維傳動軸工藝特點

碳纖維傳動軸除軸管采用碳纖維復合材料以外，其它零部件如主動叉從動叉花鍵軸等仍采用鋼材料，傳統(tǒng)金屬傳動軸采用焊接工藝，而碳纖維傳動軸則需要更復雜的成型工藝，常見的成型工藝為纏繞成型。

纏繞成型是生產(chǎn)復合材料傳動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化生產(chǎn)能力。GKN公司所提供的復合材料傳動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傳動軸性能的影響。

復合材料傳動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度的作用，復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個左右。

傳動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合材料軸體的連接層，6 為纖維增強復合材料傳動軸軸體。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。

碳纖維傳動軸在沖擊強度上有一定的不足，在傳動軸的設計生產(chǎn)過程中在最外表面加上增強層，一般為玻璃纖維復合材料，可在纏繞成型過程中完成，也可采用噴射工藝將短纖維復合材料噴射在軸體表面固化成型加強層。

總結

汽車是最普遍的代步、運輸工具，許多國家均將汽車工業(yè)作為其重要的支柱產(chǎn)業(yè)。面對資源和環(huán)境的嚴峻挑戰(zhàn)，推進汽車輕量化以降低油耗，一直是汽車工業(yè)發(fā)展的主題。碳纖維復合材料因具有加工能耗低、輕質(zhì)高強、可設計性強、耐銹蝕、成型工藝性好等優(yōu)點，成為汽車工業(yè)以塑代鋼的理想材料。但由于碳纖維價格昂貴，過去主要用于航空航天領域，隨著先進復合材料技術的發(fā)展，高效、自動化、大批量生產(chǎn)等先進技術使復合材料的競爭性正在不斷提高，碳纖維復合材料應用在汽車上逐步成為現(xiàn)實。碳纖維復合材料傳動軸是汽車上比較成功的應用之一，目前在高性能汽車、賽車上應用較多，用于普通家用轎車也將會是未來一個發(fā)展趨勢。

激活歐孚迪“紅色細胞”，發(fā)揮黨員先鋒模范作用