一种纤维缠绕复合材料轴端部连接结构及其制造方法与流程

1.本发明涉及复合材料传动轴设计技术领域，具体涉及一种长纤维缠绕复合材料轴端部与金属法兰的连接结构及其制造方法。


背景技术：

2.为减轻传动轴结构质量，提升传动轴的减振抑振等功能特性，目前复合材料轴在船舶、车辆、风力发电等领域应用愈来愈广泛。一般而言，复合材料轴常采用纤维缠绕工艺进行制造成型，为实现其与其他轴段或动力装置等的连接，常需要在其端部设置金属法兰结构，由此产生了复合材料轴身与金属法兰之间的连接技术问题。
3.目前，为实现纤维缠绕复合材料轴与金属法兰之间的连接，常采用螺栓机械连接或胶粘连接。其中，螺栓连接方式需在复合材料轴身开孔，进而采用螺栓进行连接，常导致轴身长纤维被切断，造成局部的高应力集中区域，影响连接强度和可靠性；而胶粘连接方式，其连接强度主要取决于界面粘接强度，较难承受较大扭矩、推力或拉力载荷。
4.同时，也出现了部分金属法兰与复合材料轴一体成型的连接方式，实现了轴身长纤维连续缠绕和较好承载的目的，但施工工艺相对较为复杂。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在局部纤维切断而导致的应力集中问题以及施工工艺复杂的不足，提供一种纤维缠绕复合材料轴端部连接结构及其制造方法，不仅能够保证复合材料轴身纤维的连续性，降低由于纤维切断而带来的局部强度降低或应力集中；而且通过预埋件与其上缠绕的纤维层之间的形状配合，可实现扭矩、推力和拉力的良好传递，具有良好的连接强度、多种载荷传递功能和较高的工艺可现实性。
6.本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
7.一种纤维缠绕复合材料轴端部连接结构，包括复合材料轴身缠绕层，还包括变截面金属预埋件、复合材料缠绕紧固层和端部法兰；所述变截面金属预埋件整体位于所述复合材料轴身缠绕层的端部内侧，并与复合材料轴身缠绕层的芯轴同轴设置，所述复合材料轴身缠绕层采用长纤维连续缠绕工艺，在其芯轴和金属预埋件表面连续地按照设计角度进行缠绕成型；所述复合材料缠绕紧固层为设置于复合材料轴身缠绕层外部的大张力纤维缠绕紧固层，其覆盖整个变截面金属预埋件区域，并向轴身区域延伸；所述端部法兰设置于变截面金属预埋件的端部；
8.所述变截面金属预埋件沿轴向依次包括前段、中段和后段，所述前段靠近所述端部法兰一侧，为圆环形截面环形结构，前段端部与所述端部法兰固定连接；所述中段为多边形截面环形结构，中段与前段之间设置锥形过渡斜面，实现由前段圆环形截面向中段多边形截面之间的光顺过渡；所述后段靠近芯轴一侧，为锥面环形结构，实现由中段多边形截面向芯轴圆形截面之间的光顺过渡。
9.上述方案中，所述变截面金属预埋件的前段为等直径或变直径圆环形结构。
10.上述方案中，所述中段多边形截面为五边形、六边形或八边形。
11.上述方案中，所述变截面金属预埋件前段与中段之间的锥形过渡斜面以及后段的过渡锥面的坡度根据具体结构尺寸进行设计，保证轴身缠绕纤维连续缠绕，不出现局部的纤维“架空”而导致的富脂缺陷。
12.上述方案中，所述复合材料缠绕紧固层采用与所述复合材料轴身缠绕层相同的材料体系，缠绕角度90
°
，即环向缠绕。
13.上述方案中，所述复合材料缠绕紧固层延伸至轴身区域的部分进行加厚，以保证复合材料轴承受推力时的局部强度。
14.上述方案中，所述变截面金属预埋件和端部法兰采用高强度锻钢机械加工制成。
15.上述方案中，所述变截面金属预埋件的前段与端部法兰之间通过螺栓或花键进行机械连接。
16.上述方案中，所述复合材料缠绕紧固层与复合材料轴身缠绕层之间，在变截面金属预埋件对应区域内，设置有金属或非金属垫块，使复合材料轴身缠绕层在此处呈现规则的外形，便于复合材料缠绕紧固层缠绕成型。
17.相应的，本发明还提出上述纤维缠绕复合材料轴端部连接结构的制造方法，包括以下步骤：
18.s1、对变截面金属预埋件的表面进行处理后，将其安装于芯轴上，并采用相应工装进行固定；
19.s2、采用长纤维缠绕工艺，在变截面金属预埋件及芯轴上按照设计的缠绕角度进行复合材料轴身及端部结构的缠绕，成型所述复合材料轴身缠绕层；
20.s3、采用90
°
环向纤维大张力缠绕工艺在所述复合材料轴身缠绕层外部制造复合材料缠绕紧固层；
21.s4、待缠绕成型的复合材料轴固化完成后，采用机加工方式，将轴端多余部分切削去除；
22.s5、将变截面金属预埋件和端部法兰进行机械连接，完成整个复合材料轴及其端部结构的制造成型。
23.本发明的有益效果在于：
24.1、本发明提出的纤维缠绕复合材料轴端部连接结构，通过在复合材料轴身端部设置圆形截面与多边形截面连续变化的变截面金属预埋件，将长纤维连续地由等直径、圆形截面轴身缠绕至预埋件上，实现复合材料轴身与预埋件的一体化成型和良好连接，进而通过相关金属连接方式实现金属法兰与预埋件的连接。采用以上连接结构形式，无需进行开孔，不仅能够保证复合材料轴身纤维的连续性，降低由于纤维切断而带来的局部强度降低或应力集中；同时，通过预埋件与其上缠绕的纤维层之间的形状配合，可实现扭矩、推力和拉力的良好传递，达到结构连接和载荷传递的目的。
25.2、本发明提出的纤维缠绕复合材料轴端部连接结构，可用于复合材料轴段之间及复合材料轴与动力装置之间的连接，不仅具有良好的连接强度和多种载荷传递功能，同时具有较高的工艺可现实性。
附图说明
26.下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
27.图1是本发明第一实施例的纤维缠绕复合材料轴端部连接结构的立体结构示意图；
28.图2是图1所示纤维缠绕复合材料轴端部连接结构的立体剖视图；
29.图3是图1所示纤维缠绕复合材料轴端部连接结构的变截面金属预埋件的结构示意图；
30.图4是图1所示纤维缠绕复合材料轴端部连接结构的典型纵剖面图；
31.图5是本发明第二实施例的纤维缠绕复合材料轴端部连接结构的变截面预埋件立体结构示意图；
32.图6是本发明第三实施例的纤维缠绕复合材料轴端部连接结构的立体结构示意图。
33.图中：10、复合材料轴身缠绕层；
34.20、变截面金属预埋件；21、前段；22、中段；23、后段；24、锥形过渡斜面；
35.30、复合材料缠绕紧固层；
36.40、端部法兰；41、沉头螺栓；
37.50、垫块。
具体实施方式
38.为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
39.第一实施例：
40.如图1
‑
4所示，为本发明第一实施例提供的一种纤维缠绕复合材料轴端部连接结构，包括复合材料轴身缠绕层10、变截面金属预埋件20、复合材料缠绕紧固层30和端部法兰40。变截面金属预埋件20整体位于复合材料轴身缠绕层10的端部内侧，并与复合材料轴身缠绕层10的芯轴同轴设置，复合材料轴身缠绕层10采用长纤维连续缠绕工艺成型，可在其芯轴和金属预埋件表面连续地按照设计角度进行缠绕。为提升端部区域处的复合材料轴身缠绕层10与变截面金属预埋件20之间的连接强度，在复合材料轴身缠绕层10外部设置复合材料缠绕紧固层30，复合材料缠绕紧固层30为大张力纤维缠绕紧固层，其覆盖整个变截面金属预埋件20区域，并向轴身区域延伸一定的长度，并在轴身一侧适当加厚，以保证复合材料轴承受推力时的局部强度。上述复合材料轴身缠绕层10、变截面金属预埋件20、复合材料缠绕紧固层30均一体化缠绕成型。端部法兰40设置于变截面金属预埋件20的端部，可通过螺栓或花键的机械连接方式与变截面金属预埋件20固定连接，实现复合材料轴身与金属法兰的可靠连接。
41.变截面金属预埋件20沿轴向依次包括前段21、中段22和后段23。前段21靠近端部法兰40一侧，为圆环形截面环形结构，圆环径向厚度应满足复合材料轴承载及其与端部法兰40之间的连接要求，此段根据实际需求，可采用等直径或变直径，并在前段21端部设有与端部法兰40连接的机构。中段22为多边形截面环形结构，可根据轴身直径及连接强度要求设置为五边形、六边形、八边形等，其应为前段21至此处的原截面的外切多边形，以保证结
构型线良好过渡。同时，中段22与前段21之间设置锥形过渡斜面24，实现由前段21圆环形截面向中段22多边形截面之间的光顺过渡。后段23靠近芯轴一侧，为锥面环形结构，实现由中段22多边形截面向芯轴圆形截面之间的光顺过渡。变截面金属预埋件20前段21与中段22之间的锥形过渡斜面24以及后段23的过渡锥面的坡度根据具体结构尺寸进行设计，应保证轴身缠绕纤维连续缠绕，不出现局部的纤维“架空”而导致的富脂缺陷。前段21与中段22的长度可根据承载和连接强度要求进行灵活设计。
42.本发明中的变截面金属预埋件20为圆形截面与多边形截面连续变化的环状金属构件，可实现由圆形截面连续变化至多边形截面，再由多边形截面连续变化至圆形截面。复合材料轴身缠绕层10采用长纤维连续缠绕工艺制成，其可在原有芯轴和变截面金属预埋件20之间连续地按照设计角度进行缠绕，在变截面金属预埋件20处，由于预埋件起到了模具的作用，复合材料轴身缠绕层10的横截面形状在端部连接区域内可实现“圆形
→
多边形
→
圆形”的连续变化，形成与变截面金属预埋件20密切配合的形状特征，可实现推力、拉力和扭矩的传递。其中，复合材料轴身缠绕层10在变截面金属预埋件20前段21位置处的缠绕层可用于传递拉力载荷，在变截面金属预埋件20中段22位置处的缠绕层可用于传递扭矩载荷，在变截面金属预埋件20后段23位置处的缠绕层可用于传递推力载荷。
43.具体的，本实施例中，变截面金属预埋件20与端部法兰40采用高强度锻钢机械加工制成；复合材料轴身缠绕层10采用t700/环氧树脂复合材料，缠绕角度
±
45
°
，轴身内径200mm，缠绕厚度20mm；复合材料缠绕紧固层30采用与复合材料轴身缠绕层10相同的材料体系，缠绕角度90
°
(环向缠绕)。
44.变截面金属预埋件20的前段21为等直径圆环形截面，长度50mm，厚度20mm，并在其上开有20mm深的m8
×
16螺纹盲孔，用于与端部法兰40的连接。变截面金属预埋件20的中段22截面为八边形，长度100mm，此八边形为前段21圆的外切多边形，同时在前段21与中段22之间设置锥形过渡斜面24，通过计算，坡度取为0.2，以实现前段21与中段22两截面良好的过渡和
±
45
°
复合材料轴身缠绕层10的连续缠绕。变截面金属预埋件20的后段23为锥面环形结构，其实现了由预埋件中段22多边形截面向芯轴圆形截面之间的光顺过渡，为实现
±
45
°
复合材料轴身缠绕层10的连续缠绕，其坡度取为0.4。
45.复合材料轴身缠绕层10在由芯轴和变截面金属预埋件20组成的模具上进行
±
45
°
连续缠绕，缠绕厚度20mm，最终其在变截面金属预埋件20外部形成与变截面金属预埋件20密切配合的形状，实现了其横截面由圆形
→
多边形
→
圆形的连续变化。
46.复合材料轴身缠绕层10在端部的强度和形状保持程度是保证连接强度的关键，为提升连接结构中变截面金属预埋件20与复合材料轴身缠绕层10之间的配合程度和连接强度，在复合材料轴身缠绕层10外部设置了厚度为5mm的复合材料缠绕紧固层30，其采用t700/环氧树脂环向(90
°
)大张力缠绕，覆盖了整个预埋件区域，并向轴身内部延伸30mm，并在延伸位置处将厚度由5mm增至10mm，以保证复合材料轴身缠绕层10承受推力载荷时在此处具有足够的局部强度。
47.为实现复合材料轴与外部结构的连接，设置了端部法兰40，其整体为双面法兰，内圈开有m8
×
16螺纹通孔，可通过沉头螺栓41与变截面金属预埋件20进行机械连接。端部法兰40外圈预留螺纹通孔，可用于与其他外部结构之间的机械连接。同时，为保证端部法兰40与变截面金属预埋件20之间的良好配合，端部法兰40内圈设置高度30mm的圆柱凸缘，与变
截面金属预埋件20内侧壁精密配合装配。
48.第二实施例：
49.如图5所示，本实施例与第一实施例的区别在于：变截面金属预埋件20的中段22截面仍采用八边形，但其内切圆直径较变截面金属预埋件20前段21直径增大10mm，并对中段22两侧的过渡锥面进行了计算和调整。采用本实施例方案，可使中段22八边形凸缘的尺寸更大，并在前段21形成更深的凹槽，相对于第一实施例更有利于承受拉力与扭矩载荷。
50.本实施例意在说明，本发明中的金属预埋件具有良好的可设计性，可根据实际载荷和结构尺寸大小进行灵活的优化设计。
51.第三实施例：
52.如图6所示，本实施例与第一实施例的区别在于：在复合材料轴身缠绕层10缠绕成型后，在变截面金属预埋件20中段22所对应的复合材料轴身缠绕层10外部设置金属垫块50，将此处的复合材料轴身缠绕层10的外表面变为规整的圆形截面，再在外部缠绕复合材料缠绕紧固层30，可更好地实现紧固和加强作用。
53.相应的，本发明还提出上述纤维缠绕复合材料轴端部连接结构的制造方法，包括以下步骤：
54.s1、对变截面金属预埋件20的表面进行处理后，将其安装于芯轴上，并采用相应工装进行固定；
55.s2、采用长纤维缠绕工艺，在变截面金属预埋件及芯轴上按照设计的缠绕角度进行复合材料轴身及端部结构的缠绕，成型所述复合材料轴身缠绕层10；
56.s3、采用90
°
环向纤维大张力缠绕工艺在所述复合材料轴身缠绕层10外部制造复合材料缠绕紧固层30；
57.s4、待缠绕成型的复合材料轴固化完成后，采用机加工方式，将轴端多余部分切削去除；
58.s5、将变截面金属预埋件20和端部法兰40进行机械连接，完成整个复合材料轴及其端部结构的制造成型。
59.上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。