[发明专利]一种纤维缠绕复合材料轴端部连接结构及其制造方法

说明书

本发明涉及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、变截面金属预埋件、复合材料缠绕紧固层和端部法兰；变截面金属预埋件为圆形截面与多边形截面连续变化的环状金属构件，整体位于复合材料轴身缠绕层的端部内侧，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；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，覆盖整个变截面金属预埋件区域；端部法兰设置于变截面金属预埋件的端部。本发明不仅能够保证复合材料轴身纤维的连续性，而且可实现扭矩、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。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

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；

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。

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。

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。

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。

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。