淺析碳纖維傳動(dòng)軸

一、碳纖維材料發(fā)展概述

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料。

上世紀(jì)60年代，高性能碳纖維作為增強(qiáng)材料實(shí)現(xiàn)了初步商業(yè)化，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的高性能樹脂基復(fù)合材料因此誕生。

碳纖維復(fù)合材料性能優(yōu)越，具有重量輕、強(qiáng)度高、比模量高等特點(diǎn)，生產(chǎn)技術(shù)難度大、成本較高，但優(yōu)良的性能特點(diǎn)滿足了高技術(shù)發(fā)展的需要，在過往在航天航空和軍事領(lǐng)域應(yīng)用比較多，并已從航空、航天、體育用品等領(lǐng)域轉(zhuǎn)入汽車領(lǐng)域，隨著技術(shù)水平的進(jìn)步在汽車制造行業(yè)也已經(jīng)開始普及應(yīng)用。

二、碳纖維材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用情況

2014年5月9日，位于美國華盛頓州的西格里汽車碳纖維公司摩西湖工廠舉辦擴(kuò)產(chǎn)奠基儀式，目前碳纖維的年產(chǎn)能達(dá)9000噸，摩西湖工廠已經(jīng)成為世界上最大的碳纖維生產(chǎn)基地。

碳纖維要想在汽車領(lǐng)域普及，需要解決兩個(gè)問題，一個(gè)是成本，另一個(gè)是回收問題。隨著生產(chǎn)技術(shù)不斷成熟，相信碳纖維的生產(chǎn)成本會(huì)不斷降低。除了生產(chǎn)成本這個(gè)因素外，廠商和政府還需要考慮到碳纖維零件的回收問題，相比金屬材料，碳纖維復(fù)合材料的回收利用更加困難。

三、碳纖維在汽車領(lǐng)域應(yīng)用性能優(yōu)點(diǎn)

1、輕量化優(yōu)點(diǎn)

碳纖維復(fù)合材料具有其他材料不可比擬的比強(qiáng)度和比模量，密度只有1.6g/cm3左右，遠(yuǎn)低于鋼鐵和鋁，將其應(yīng)用于車身及其它零部件的設(shè)計(jì)可降低整車質(zhì)量的35%左右，降低燃油消耗，如大眾新推出的采用碳纖維復(fù)合材料車身和零部件的XL1車型總質(zhì)量只有795kg，結(jié)合混動(dòng)技術(shù)，百公里油耗僅0.9升。

BMW E92采用前置后驅(qū)的布置，傳動(dòng)軸，重達(dá)10.6kg，采用碳纖維復(fù)合材料制作，使其擁有輕量化的特點(diǎn)，整根傳動(dòng)軸的重量僅為5.9kg，MF碳纖傳動(dòng)軸與原廠的相比，重量大大減輕，而取消的萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)，動(dòng)力損耗進(jìn)一步減少，且噪音方面也有相應(yīng)的削弱。其他細(xì)節(jié)方面，傳動(dòng)軸的末端（非球頭端）則采用了6061-T6鋁材，而傳動(dòng)軸兩端具

有10000轉(zhuǎn)的模擬動(dòng)平衡處理和高扭矩負(fù)載的測試，確保這款碳纖傳動(dòng)軸成為可靠傳送動(dòng)力的橋梁。

汽車材料性能對比

2、耐久性優(yōu)點(diǎn)

碳纖維復(fù)合材料主要由碳纖維絲束和樹脂材料組成，碳元素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無需進(jìn)行表面防腐處理，其耐候性及耐老化性極好，壽命一般為鋼材的2-3倍。采用CFRP材料生產(chǎn)的功能性零部件的疲勞強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于鋼材。

3、強(qiáng)度高、安全性優(yōu)點(diǎn)

碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能優(yōu)于金屬材料。其抗拉強(qiáng)度是普通鋼材的4-5倍，剛度是普通鋼材的3-4倍。碳纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是普通鋼材的5倍，由碳纖維材料制作的駕駛艙在碰撞中變形極小，可有效保護(hù)駕乘者的生存空間。

經(jīng)特殊編織的碰撞吸能結(jié)構(gòu)在高速碰撞中碎裂為較小的碎片，吸收大量撞擊能量（能量吸收性為一般鋼材的3倍以上），能有效提高車輛被動(dòng)安全。

這些數(shù)據(jù)太抽象，不好理解，讓我們通過2016賽季F1賽場上的一場事故來闡釋一下碳纖維復(fù)合材料的堅(jiān)固程度。2016賽季F1揭幕戰(zhàn)在澳大利亞阿爾伯特公園賽道打響，比賽過程中邁凱倫車隊(duì)車手阿隆索發(fā)生了嚴(yán)重撞車事故，自己的賽車被撞的僅剩下了駕駛艙，但是阿隆索本人卻并無大礙。

四、碳纖維傳動(dòng)軸在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維復(fù)合材料傳動(dòng)軸能夠有效的提升汽車的質(zhì)量和性能，對于汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)也有著重要的影響。

汽車的傳統(tǒng)軸在過往一般使用鋼鐵材料制作，這種材料的傳動(dòng)軸彎曲固有頻率比較小，在汽車高速行駛的過程中性能不佳，采用兩段式式結(jié)構(gòu)也存在不少弊病。碳纖維復(fù)合材料汽車傳動(dòng)軸能夠很好的解決這個(gè)問題，有效提升汽車性能。

用同粗細(xì)的兩根傳動(dòng)軸放置在扭力機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)扭力機(jī)施加的扭矩達(dá)到1376Nm時(shí)，金屬傳動(dòng)軸明顯變形。而碳纖維傳動(dòng)軸在扭矩達(dá)到4700Nm左右時(shí)才發(fā)生了斷裂。

汽車傳動(dòng)軸的受力情況比較復(fù)雜，尤其要承受很大的扭矩，對材料性能要求較高。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有各向異性、比強(qiáng)度高和比模量相對較低的特點(diǎn)，替代金屬材料作為傳動(dòng)軸可較好的滿足使用需求。碳纖維傳動(dòng)軸不僅可減輕重量60%，而且具有更好的耐疲勞性和耐久性。

應(yīng)用實(shí)例：

豐田86碳纖維傳動(dòng)軸僅5.53kg，減重50%

蘭博基尼第六元素概念車使用碳纖維**連桿取代鋼制連接件，重量減輕40%-50%。

五、碳纖維傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)和制造特點(diǎn)

當(dāng)把樹脂、固化劑等材料按照一定比例混合，然后再浸潤碳纖維面料，經(jīng)過一系列固化處理便形成了碳纖維復(fù)合材質(zhì)，也就是我們在車上經(jīng)?？梢钥吹降暮诟褡硬馁|(zhì)。別看和塑料似的，但這種材質(zhì)具有傳統(tǒng)金屬材料無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

但這碳纖維傳動(dòng)軸，并非完全由碳纖維組成，而是先以金屬網(wǎng)狀的材料制造出傳動(dòng)軸的骨骼，外面以一整束總長度超100米的碳纖維絲以螺旋狀纏繞金屬骨骼。碳纖維束具有強(qiáng)大的抗拉扯性能，那么螺旋狀纏繞成“棒”形的碳纖維軸，在承受轉(zhuǎn)矩的時(shí)候，就可以將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成對碳纖維絲在拉扯方向的拉力，從而發(fā)揮出碳纖維絲的最高強(qiáng)度。

復(fù)合材料碳纖維汽車傳動(dòng)軸分為內(nèi)外兩層，外層多使用鋁合金等輕型金屬材質(zhì)，內(nèi)層使用碳纖維復(fù)合材料。利用制作工藝將碳纖維復(fù)合材料外覆金屬表面，讓復(fù)合材料避免腐蝕、外力等直接損害。碳纖維傳動(dòng)軸有著良好的扭轉(zhuǎn)剛度和強(qiáng)度，承載能力較高，彎曲固有頻率能夠達(dá)到229Hz以上，同時(shí)自身重量相對于金屬材質(zhì)要輕很多。單層碳纖維混合軸的靜態(tài)扭矩傳遞能力能達(dá)到2700N.m以上。

六、碳纖維應(yīng)用存在的問題

受限于當(dāng)前的工藝技術(shù)，碳纖維復(fù)合材料的成本不管是與傳統(tǒng)的鋼材，還是現(xiàn)在輕量化優(yōu)先選擇的玻璃纖維和鋁合金，都有不小的差距，因此盡管在性能和重量上都有顯著優(yōu)勢，但目前的應(yīng)用仍比較局限。

碳纖維最早應(yīng)用在 F1賽車以及追求極致性能的蘭博基尼車身和底盤上；隨后，碳纖維改裝件逐步進(jìn)入市場，成為改裝車發(fā)燒友的目標(biāo)；真正進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用的，則是近期寶馬連續(xù)推出的i3電動(dòng)車和7系，在車體采用了大量的碳纖維以達(dá)到減重的效果。這些車型最大的特點(diǎn)是都屬于超跑或者高價(jià)車，碳纖維復(fù)合材料在中低價(jià)車上的應(yīng)用仍然需要時(shí)間。

碳纖維加工成本高昂，再加上原材料本身就價(jià)格昂貴，這讓碳纖維材料的普及受到了制約。但這些問題很有可能被寶馬公司化解，近些年致力于碳纖維研究的寶馬可能會(huì)成為碳纖維材料普及的先驅(qū)者和推動(dòng)者。

七、碳纖維材料未來發(fā)展趨勢展望

球碳纖維產(chǎn)能集中于日本和歐美等地區(qū)，呈現(xiàn)高度集中的特征。2016 年全球碳纖維理論產(chǎn)能 13.9 萬噸，小絲束產(chǎn)能主要集中于亞洲，尤其是日本企業(yè)，而大絲束產(chǎn)能主要集中于歐美國家。Toray（東麗）、Zoltek（卓爾泰克）、SGL（西格里）、MRC（三菱）、Toho（東邦）五家企業(yè)合計(jì)產(chǎn)能 8.1 萬噸，占全球總產(chǎn)能的 58%。其中日本東麗在收購美國卓爾泰克后總產(chǎn)能達(dá)到 4.3 萬噸，占全球 31%，并且同時(shí)擁有全球最大的小絲束和大絲束碳纖維產(chǎn)能，是名副其實(shí)的全球龍頭企業(yè)。

全球碳纖維企業(yè)大致可分為三個(gè)梯隊(duì)：首先是兼具規(guī)模和技術(shù)優(yōu)勢的企業(yè)，Toray、Toho等為典型代表；其次是在特定領(lǐng)域具備較強(qiáng)競爭力的企業(yè)，比如 SGL 在汽車領(lǐng)域，Cytec 在航空航天領(lǐng)域；再其次則是具備成本優(yōu)勢的企業(yè)，比如 Formosa、Aksa、韓國曉星等。

我國碳纖維研發(fā)始于上世紀(jì) 60 年代，幾乎和日美同時(shí)起步，但由于種種原因，相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目被叫停。而日美等國對核心技術(shù)的壟斷與封鎖，使我國碳纖維生產(chǎn)技術(shù)和裝備水平整體落后于國外，無法滿足國家重大裝備等高端領(lǐng)域的需求。2016 年我國碳纖維理論產(chǎn)能約 2.4 萬噸，然而真正有效產(chǎn)出僅 3600 噸左右，產(chǎn)能利用率僅 15%左右，進(jìn)口依賴度超過80%。

但是單純依靠材料自身的成本控制，價(jià)格下降的趨勢將非常緩慢，碳纖維復(fù)合材料對汽車工業(yè)的影響將更加直觀地表現(xiàn)為對于整個(gè)汽車制造工藝的革新，以其先進(jìn)的成型工藝?yán)瓌?dòng)整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的成本下降，才能推動(dòng)碳纖維的廣泛應(yīng)用，才是碳纖維在汽車領(lǐng)域大放異彩之時(shí)。

隨著我國高端碳纖維技術(shù)的不斷突破以及生產(chǎn)向規(guī)?；头€(wěn)定化發(fā)展，企業(yè)布局逐漸向高附加值的下游應(yīng)用領(lǐng)域延伸，我國碳纖維行業(yè)將逐步實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，企業(yè)盈利能力有望逐步恢復(fù)，市場走向良性健康的發(fā)展道路。