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碳纤维复合材料汽车传动轴结构优化及性能优化
本论文主要是在汽车轻量化的背景下，针对量产车型，采用碳纤维复合材料研制其主要结构件传动轴并对复合材料传动轴进行结构优化与性能评价。
重点采用 DSC（差示扫描量热法）、流变测试、万能试验机以及 TG（热失重分析仪）开展了快速成型缠绕树脂表征和选择。
利用 SEM（扫描电子显微镜）、静态扭转、固有频率测试、临界转速测试以及金相显微镜方法表征了碳纤维复合材料传动轴的微观及力学性能。
复合材料在汽车零部件中的应用优势
高性能纤维复合材料相对于传统材料在比强度、比模量方面具有很高的优势；几种典型材料其力学性能之间的对比如图1-1 所示：其中：a 为钢；b 为铝合金；c 为钛合金；d 为玻璃纤维复合材料；e 为高性能碳纤维/环氧复合材料；f 为高性石墨纤维/环氧复合材料；g 为有机纤维/环氧复合材料；h 为硼纤维/环氧复合材料；i 为硼纤维/铝复合材料性能纤维复合材料具有轻高强特点。
在汽车设计制造中可以大大降低汽车的整车质量，减少汽车的能源的损耗，达到国家提倡的节约能源减少排放的效果。相对于传统金属而言，高性能纤维复合材料在汽车减重效果方面的优势明显。其减重对比如下图所表 1-2 所示。
碳纤维汽车生产加工过程中，可以简化生产过程，颠覆传统汽车的生产工艺。传统金属车身的成型步骤主要分为：冲压→焊接→涂装→总装；高性能纤维复合材料汽车车身及零部件的成型步骤可以简化为：模压或者注塑→胶粘→总装。
金属车身需要将几十上百个小零件通过焊接而成，而复合材料则就可以设计成一个整体，可以将整个车身优化为几个部件，通过高性能结构胶胶接而成，大大提高了生产效率。用于汽车车身，具有较高的减震系能效果，可以大大高汽的安全性能。
复合材料在汽车零部件中的应用
在纤维复合材料中，玻璃钢具有模量低，而且刚度差的致命弱点，不能用于主承力结构。但是其低价格、相对于金属表现出较低的密度，玻璃钢被广泛应用在汽车的顶盖、散热器罩等结构和功能部件上。
对于汽车的主要结构功能件，高模量碳纤维复合材料具有很大的优势。例如传动轴、汽车底板、板簧等部件，车种则包括跑车、轿车、客车、货车及各种特种车上。
梅赛德斯——奔驰 SLR 迈凯伦还尝试了碳纤维材料的应用，框架结构由碳纤维编织而成，虽然结构还是很硬，但它面对碰撞时会破碎分解为许多小的碎片（估计相当于钢结构能量吸收的四倍），并且冲击所产生碎片不会对车上乘客产生很的伤害，这样的失效模式与钢化璃受到冲击破碎的原理非常相似。
复合材料汽车传动轴的优势
在汽车的整车轻量化中，簧下结构构造的减重效果显得特别明显。簧下减重1kg，相当于整车减重 5-10kg 的效果。
在绝大多数汽车上，金属传动轴一般都是被分为两段，在传动轴的中心需要用球笼式万向节支撑连接，如图 1-3。现在传动轴生产采用这种结构的主要是原因是单段较长的钢的轴管的弯曲固有频率比较低，比如，长度为 1m 的制的轴管的弯曲固有频率仅仅只有 148Hz，不满足 13700r/min 上高旋转要求。
两段式的传动轴通过球笼万向节的连接大大提高了传动轴的固有频率，但是这种方案同样也大大提高了金属传动轴的整体的重量，传动轴在运动的过程中，扭矩传递时损耗较大，不适合提高汽车的燃油效率。
参考文献
CHANG I Y, LEES J K. Recent Development in Thermoplastic Composites: AReview of Matrix Systems and Processing Methods . Journal of Thermoplastic Composite Materials, 1988, 1(3): 277-296.
方立. 连续纤维增强热塑性复合材料制备及其性能的研究 ; 华东理工大学, 2012.
顾书英. 聚合物基复合材料 . 华东理工大学出版社, 2007
