复合材料传动轴具有重量轻、耐腐蚀、热膨胀系数低、减震性能好等特点。目前碳纤维复合材料传动轴在航空、航天、工业、船舶等领域均得到广泛应用。随着制造成本的降低和应用技术研究的进一步深入，碳纤维复合材料传动轴将具有广阔的应用前景。

　　本文为设计一款外径370mm、长度400mm、最大工作扭矩100kN·m、工作转速500rpm。的碳纤维复合材料传动轴，从传动轴承扭特性，系统讨论了不同缠绕角、不同缠绕厚度的传动轴的扭转性能，并且在轴管与法兰的连接结构上采取六方内套和螺栓混合连接方式，对大扭矩复合材料传动轴的设计、制造提供一定的参考意义。

　　复合材料具有各向异性，铺层角度直接影响到复合材料的力学性能。在实际应用中，普通领域产品的轴的纤维铺放角为45°，设计者可根据所需的综合性能调整这些数据。有研究数据认为[±45°/0°/90°]的铺层方式能最大程度地提高对纤维增强复合材料传动轴的抗疲劳及抗屈曲失稳能力。也有研究总结出45°缠绕层对提高扭转强度更有利，90°缠绕层有利于扭转屈曲强度，0°铺层有利于提高旋转临界速度，以及缠绕角越大复合材料轴的弯曲刚度越小的结论。

　　通过实际试验，选取铺层角均为±45°，铺层厚度从1~10层进行分析，铺层厚度与扭转强度呈正线性关系，厚度越厚，扭转强度越高；铺层厚度与扭转刚度呈非线性关系，铺层厚度越厚，扭转刚度越好，但是当厚度到一定程度时，扭转刚度变化不大。

　　目前，连接方式最常用的有胶连接、机械连接、混合连接。机械连接的优点是易于控制质量、安全可靠、强度分散性小、抗剥离能力强、能传递大载荷、便于装卸，缺点是开孔引起应力集中、连接效率低、重量增加。胶接的优点是没有大的应力集中、连接效率高，缺点是胶接的质量不容易控制、无法传递大的扭矩、对于传动轴的寿命有一定的影响。

　　本文在轴管与法兰的连接结构上采取六方内套和螺栓混合连接方式，复合材料层采用T700材料，法兰采用不锈钢，这种连接方式借助轴管和法兰本身的六方结构承受扭矩，与一般螺栓机械开孔连接相比，有着更高的连接效率和强度，强度安全系数可以达到6倍以上。静态扭转分析结果中，在6倍最大工作扭矩下，不锈钢法兰的应力为322MPa，碳纤维管的第一主应力为167MPa，均低于材料的屈服强度和抗拉强度，设计的碳纤维管及其连接结构的扭转强度满足要求。

　　复合材料传动轴的承扭特性与铺层角度、铺层厚度和连接结构等有较大关系，本文针对大扭矩100kN·m复合材料传动轴进行了结构设计，有限元分析结果以及实际测试均能表明碳纤维复合材料传动轴能够满足扭转强度和屈曲稳定性要求。

      阅读延伸：《碳纤维传动轴的应用优势分析》