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浅析碳纤维传动轴

发表于:2020年06月23日 浏览量:

导读:一、碳纤维材料发展概述碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。上世纪60年代,高性能碳纤维作为增强材料实现了初步商业化,连续碳纤维增强的高性能树脂基复合材料因此诞生。碳纤维复合材料性...

一、碳纤维材料发展概述

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碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。


上世纪60年代,高性能碳纤维作为增强材料实现了初步商业化,连续碳纤维增强的高性能树脂基复合材料因此诞生。

碳纤维复合材料性能优越,具有重量轻、强度高、比模量高等特点,生产技术难度大、成本较高,但优良的性能特点满足了高技术发展的需要,在过往在航天航空和军事领域应用比较多,并已从航空、航天、体育用品等领域转入汽车领域,随着技术水平的进步在汽车制造行业也已经开始普及应用。


二、碳纤维材料在汽车领域的应用情况



2014年5月9日,位于美国华盛顿州的西格里汽车碳纤维公司摩西湖工厂举办扩产奠基仪式,目前碳纤维的年产能达9000吨,摩西湖工厂已经成为世界上最大的碳纤维生产基地。

碳纤维要想在汽车领域普及,需要解决两个问题,一个是成本,另一个是回收问题。随着生产技术不断成熟,相信碳纤维的生产成本会不断降低。除了生产成本这个因素外,厂商和政府还需要考虑到碳纤维零件的回收问题,相比金属材料,碳纤维复合材料的回收利用更加困难。



三、碳纤维在汽车领域应用性能优点


1、轻量化优点


碳纤维复合材料具有其他材料不可比拟的比强度和比模量,密度只有1.6g/cm3左右,远低于钢铁和铝,将其应用于车身及其它零部件的设计可降低整车质量的35%左右,降低燃油消耗,如大众新推出的采用碳纤维复合材料车身和零部件的XL1车型总质量只有795kg,结合混动技术,百公里油耗仅0.9升。



BMW E92采用前置后驱的布置,传动轴,重达10.6kg,采用碳纤维复合材料制作,使其拥有轻量化的特点,整根传动轴的重量仅为5.9kg,MF碳纤传动轴与原厂的相比,重量大大减轻,而取消的万向节的结构,动力损耗进一步减少,且噪音方面也有相应的削弱。其他细节方面,传动轴的末端(非球头端)则采用了6061-T6铝材,而传动轴两端具


有10000转的模拟动平衡处理和高扭矩负载的测试,确保这款碳纤传动轴成为可靠传送动力的桥梁。


汽车材料性能对比

2、耐久性优点


碳纤维复合材料主要由碳纤维丝束和树脂材料组成,碳元素化学性质稳定,无需进行表面防腐处理,其耐候性及耐老化性极好,寿命一般为钢材的2-3倍。采用CFRP材料生产的功能性零部件的疲劳强度也远高于钢材。


3、强度高、安全性优点


碳纤维复合材料的机械性能优于金属材料。其抗拉强度是普通钢材的4-5倍,刚度是普通钢材的3-4倍。碳纤维复合材料的抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是普通钢材的5倍,由碳纤维材料制作的驾驶舱在碰撞中变形极小,可有效保护驾乘者的生存空间。


经特殊编织的碰撞吸能结构在高速碰撞中碎裂为较小的碎片,吸收大量撞击能量(能量吸收性为一般钢材的3倍以上),能有效提高车辆被动安全。



这些数据太抽象,不好理解,让我们通过2016赛季F1赛场上的一场事故来阐释一下碳纤维复合材料的坚固程度。2016赛季F1揭幕战在澳大利亚阿尔伯特公园赛道打响,比赛过程中迈凯伦车队车手阿隆索发生了严重撞车事故,自己的赛车被撞的仅剩下了驾驶舱,但是阿隆索本人却并无大碍。


四、碳纤维传动轴在汽车领域的应用


碳纤维复合材料传动轴能够有效的提升汽车的质量和性能,对于汽车轻量化的实现也有着重要的影响。


汽车的传统轴在过往一般使用钢铁材料制作,这种材料的传动轴弯曲固有频率比较小,在汽车高速行驶的过程中性能不佳,采用两段式式结构也存在不少弊病。碳纤维复合材料汽车传动轴能够很好的解决这个问题,有效提升汽车性能。


用同粗细的兩根传动轴放置在扭力机上进行試验,当扭力机施加的扭矩达到1376Nm时,金属传动轴明显变形。而碳纤维传动轴在扭矩达到4700Nm左右时才发生了断裂。


汽车传动轴的受力情况比较复杂,尤其要承受很大的扭矩,对材料性能要求较高。碳纤维增强复合材料具有各向异性、比强度高和比模量相对较低的特点,替代金属材料作为传动轴可较好的满足使用需求。碳纤维传动轴不仅可减轻重量60%,而且具有更好的耐疲劳性和耐久性。


应用实例:


丰田86碳纤维传动轴仅5.53kg,减重50%


兰博基尼第六元素概念车使用碳纤维**连杆取代钢制连接件,重量减轻40%-50%。

五、碳纤维传动轴结构和制造特点



当把树脂、固化剂等材料按照一定比例混合,然后再浸润碳纤维面料,经过一系列固化处理便形成了碳纤维复合材质,也就是我们在车上经常可以看到的黑格子材质。别看和塑料似的,但这种材质具有传统金属材料无法比拟的优点。



但这碳纤维传动轴,并非完全由碳纤维组成,而是先以金属网状的材料制造出传动轴的骨骼,外面以一整束总长度超100米的碳纤维丝以螺旋状缠绕金属骨骼。碳纤维束具有强大的抗拉扯性能,那么螺旋状缠绕成“棒”形的碳纤维轴,在承受转矩的时候,就可以将转矩转换成对碳纤维丝在拉扯方向的拉力,从而发挥出碳纤维丝的最高强度。


复合材料碳纤维汽车传动轴分为内外两层,外层多使用铝合金等轻型金属材质,内层使用碳纤维复合材料。利用制作工艺将碳纤维复合材料外覆金属表面,让复合材料避免腐蚀、外力等直接损害。碳纤维传动轴有着良好的扭转刚度和强度,承载能力较高,弯曲固有频率能够达到229Hz以上,同时自身重量相对于金属材质要轻很多。单层碳纤维混合轴的静态扭矩传递能力能达到2700N.m以上。

六、碳纤维应用存在的问题


受限于当前的工艺技术,碳纤维复合材料的成本不管是与传统的钢材,还是现在轻量化优先选择的玻璃纤维和铝合金,都有不小的差距,因此尽管在性能和重量上都有显著优势,但目前的应用仍比较局限。

碳纤维最早应用在 F1赛车以及追求极致性能的兰博基尼车身和底盘上;随后,碳纤维改装件逐步进入市场,成为改装车发烧友的目标;真正进入工业化应用的,则是近期宝马连续推出的i3电动车和7系,在车体采用了大量的碳纤维以达到减重的效果。这些车型最大的特点是都属于超跑或者高价车,碳纤维复合材料在中低价车上的应用仍然需要时间。


碳纤维加工成本高昂,再加上原材料本身就价格昂贵,这让碳纤维材料的普及受到了制约。但这些问题很有可能被宝马公司化解,近些年致力于碳纤维研究的宝马可能会成为碳纤维材料普及的先驱者和推动者。


七、碳纤维材料未来发展趋势展望


球碳纤维产能集中于日本和欧美等地区,呈现高度集中的特征。2016 年全球碳纤维理论产能 13.9 万吨,小丝束产能主要集中于亚洲,尤其是日本企业,而大丝束产能主要集中于欧美国家。Toray(东丽)、Zoltek(卓尔泰克)、SGL(西格里)、MRC(三菱)、Toho(东邦)五家企业合计产能 8.1 万吨,占全球总产能的 58%。其中日本东丽在收购美国卓尔泰克后总产能达到 4.3 万吨,占全球 31%,并且同时拥有全球最大的小丝束和大丝束碳纤维产能,是名副其实的全球龙头企业。

全球碳纤维企业大致可分为三个梯队:首先是兼具规模和技术优势的企业,Toray、Toho等为典型代表;其次是在特定领域具备较强竞争力的企业,比如 SGL 在汽车领域,Cytec 在航空航天领域;再其次则是具备成本优势的企业,比如 Formosa、Aksa、韩国晓星等。

我国碳纤维研发始于上世纪 60 年代,几乎和日美同时起步,但由于种种原因,相关研发项目被叫停。而日美等国对核心技术的垄断与封锁,使我国碳纤维生产技术和装备水平整体落后于国外,无法满足国家重大装备等高端领域的需求。2016 年我国碳纤维理论产能约 2.4 万吨,然而真正有效产出仅 3600 吨左右,产能利用率仅 15%左右,进口依赖度超过80%。


但是单纯依靠材料自身的成本控制,价格下降的趋势将非常缓慢,碳纤维复合材料对汽车工业的影响将更加直观地表现为对于整个汽车制造工艺的革新,以其先进的成型工艺拉动整个生产环节的成本下降,才能推动碳纤维的广泛应用,才是碳纤维在汽车领域大放异彩之时。


随着我国高端碳纤维技术的不断突破以及生产向规模化和稳定化发展,企业布局逐渐向高附加值的下游应用领域延伸,我国碳纤维行业将逐步实现进口替代,企业盈利能力有望逐步恢复,市场走向良性健康的发展道路。

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