摘要

近年來，碳纖維增強塑料（CFRP）齒輪因比強度高、減振性能優(yōu)異，替代金屬齒輪的市場需求持續(xù)增長。CFRP齒輪的傳統(tǒng)制備方法包括短切纖維增強樹脂模壓成型和層合復合材料切削加工，但能夠有效提升CFRP齒輪強度的制備工藝尚未完全成熟。本研究開發(fā)了一種提升CFRP齒輪強度的新型制備方法，先采用碳纖維織物對齒輪齒面進行增強處理，再將短切纖維增強樹脂澆鑄至模具中成型。為驗證該方法的有效性，研究考察了纖維長度、纖維含量及碳纖維織物層數(shù)對CFRP齒輪強度的影響，并通過輪齒彎曲強度測試驗證了該方法的實用性。研究結果表明，提升CFRP齒輪強度需在保證纖維在樹脂中均勻分散的前提下提高纖維體積分數(shù)；此外，在抑制纖維與樹脂界面分層的同時增加碳纖維織物層數(shù)，可顯著增強齒輪齒面強度。本研究為該制備工藝在高性能CFRP齒輪制造中的應用提供了重要參考依據(jù)。

1引言

當前汽車行業(yè)正加速從燃油車向電動汽車（EV）轉(zhuǎn)型。續(xù)航里程是電動汽車面臨的核心難題之一，因此針對電動汽車的專用變速器研發(fā)工作正積極開展。電動汽車電機通常設計為15000轉(zhuǎn)/分鐘的高轉(zhuǎn)速工況，以實現(xiàn)高功率密度，且其轉(zhuǎn)速仍有進一步提升的趨勢。然而，電機轉(zhuǎn)速提升會導致振動、噪聲問題加劇，這也推動了市場對高效、緊湊、輕量化變速器的需求。這些要求又引發(fā)了人們對齒輪強度下降、噪聲增大等問題的擔憂。在此背景下，本研究聚焦CFRP齒輪，這類齒輪不僅比強度高，還具備質(zhì)輕、減振性優(yōu)異、無潤滑條件下亦可低噪聲運行等優(yōu)良特性。

CFRP齒輪的常見制備方法包括注塑成型、層壓板切削加工以及3D打印增材制造。注塑成型采用熱塑性樹脂，其力學性能普遍弱于熱固性樹脂，且僅能將短切纖維混入注塑用樹脂粒料中，限制了齒輪力學強度的提升空間。與之相比，層壓板切削加工可通過引入單向或機織碳纖維織物實現(xiàn)長纖維增強，但齒輪各輪齒間的纖維取向存在差異，易導致強度不均。3D打印雖可對齒面進行定向增強，最大限度降低輪齒間的強度偏差，但該方法仍不適用于大規(guī)模生產(chǎn)。因此，研發(fā)兼具高強度與力學性能均一性的CFRP齒輪具有重要的實際意義。

為解決上述問題，本研究提出一種新型制備方法：先采用碳纖維織物對齒面進行增強，再以短切纖維增強熱固性樹脂模壓成型。本研究通過分析CFRP齒輪的成型性，考察纖維長度、纖維含量及碳纖維織物層數(shù)對輪齒根部彎曲強度的影響，驗證了該方法的有效性。

2實驗方法

2.1實驗材料

本研究以環(huán)氧樹脂為基體，混入短切碳纖維進行增強，樹脂體系選用胺類環(huán)氧樹脂與配套固化劑。實驗選用兩種短切碳纖維進行混合改性：平均長度3mm的短切碳纖維和平均長度0.3mm的磨碎碳纖維，為保證碳纖維在樹脂中分散性良好，兩種纖維均采用無漿劑處理的規(guī)格。同時，采用平紋聚丙烯腈基碳纖維織物對齒輪齒面進行增強處理。

2.2CFRP齒輪的成型方法

本研究制備的CFRP齒輪結構示意圖如圖1所示，成型工藝為：將碳纖維織物沿齒面貼合定位，再將預混短切碳纖維的環(huán)氧樹脂整體模塑料（BMC）澆鑄至模具中，經(jīng)固化處理制得CFRP齒輪。將碳纖維織物沿齒面貼合，可使纖維沿輪齒根部最大主應力方向取向，從而達到提升強度的目的。本研究制備的齒輪參數(shù)如表1所示，模數(shù)3、齒數(shù)20、齒寬15mm。

為驗證該成型方法的適用性，本研究按表2所示的多種工藝條件制備了多組CFRP齒輪。為提升齒輪力學強度，在環(huán)氧樹脂基體中分別混入短切碳纖維或磨碎碳纖維；試樣制備時，將環(huán)氧樹脂基體與短切纖維置于均質(zhì)機容器中，通過均質(zhì)機攪拌使纖維均勻分散。復合所需的碳纖維質(zhì)量按公式（1）計算：

式中，mf為碳纖維添加質(zhì)量（g），Cf為纖維質(zhì)量分數(shù)，mm為環(huán)氧樹脂與固化劑的總質(zhì)量（g）。

短切纖維均勻分散后，按環(huán)氧樹脂:固化劑=3:1的比例向基體中加入固化劑，采用刮刀輕輕攪拌，最大限度減少孔隙生成，制得整體模塑料（BMC）。

將整體模塑料澆鑄至模具前，采用尖頭木質(zhì)工具將碳纖維織物沿齒面手動貼合并壓實定位。為考察碳纖維織物層數(shù)對齒輪力學強度的影響，實驗制備了兩種齒輪試樣：齒面貼合單層碳纖維織物的試樣與貼合雙層碳纖維織物的試樣。

實驗制備了短切碳纖維質(zhì)量分數(shù)分別為0.2、0.4、0.6、0.8和1.0%的CFRP齒輪，固化過程中在模具上模板施加壓塊載荷，使樹脂受壓，固化工藝為90℃、4.2kPa、2h。施加壓力有助于排出多余樹脂，且可使復合纖維向齒頂方向取向。為考察壓力對齒輪強度的影響，實驗還制備了無壓塊載荷條件下成型的CFRP齒輪，同時也制備了內(nèi)嵌金屬嵌件的CFRP齒輪，金屬嵌件的尺寸如圖2所示。

2.3CFRP齒輪的輪齒彎曲強度測試

采用萬能試驗機對CFRP齒輪進行輪齒根部靜彎曲試驗，評價其力學強度。試驗中對齒輪試樣施加拉伸載荷，根據(jù)測得的載荷與位移數(shù)據(jù)計算輪齒根部彎曲強度，以此分析纖維長度與碳纖維織物增強對齒輪強度的影響。

每種試驗條件重復4次，計算輪齒根部彎曲強度平均值，拉伸加載速率設定為1mm/min，且每種試驗至少重復3次。

本研究設計的試驗夾具如圖3所示，將夾具底板通過螺栓固定在萬能試驗機上，依次安裝固定齒輪、試樣齒輪與受拉齒輪，使試樣齒輪處于中心位置；固定齒輪與受拉齒輪均采用一般結構鋼（SS400）制備，所有齒輪均安裝平鍵，防止齒輪與軸之間發(fā)生滑動，同時在固定齒輪的軸與夾具之間也加裝平鍵，限制固定齒輪轉(zhuǎn)動。

通過受拉臂向受拉齒輪施加扭矩，受拉臂由兩部分組成，一部分與受拉齒輪的軸連接，另一部分由萬能試驗機向上牽引；通過向受拉臂施加豎向載荷，使試樣齒輪的輪齒根部產(chǎn)生彎曲力矩。

輪齒根部彎曲強度σ（MPa）按公式（2）計算：

為檢測CFRP齒輪內(nèi)部孔隙情況，并驗證碳纖維織物沿齒面的貼合定位效果，本研究對齒輪進行了X射線計算機斷層掃描（X射線CT）測試，選取添加0.2wt%短切碳纖維、齒面分別貼合單層和雙層碳纖維織物的CFRP齒輪作為測試樣品。

3結果與討論

3.1CFRP齒輪的成型結果

本研究制備的CFRP齒輪試樣如圖4所示，該試樣為表2中工藝3的產(chǎn)品，即環(huán)氧樹脂中添加0.2wt%短切碳纖維的CFRP齒輪。所有工藝條件下，齒輪均能成功成型并與模具型腔貼合，固化充分，脫模過程無明顯損傷；沿齒面貼合的碳纖維織物完全嵌入環(huán)氧樹脂中，表明樹脂已充分浸漬增強纖維。

圖5（a）為齒面貼合單層碳纖維織物的CFRP齒輪根部X射線CT圖像，碳纖維織物沿輪齒根部貼合良好，但在齒頂附近與齒面發(fā)生分離，貼合性不佳，且輪齒根部周圍觀察到若干孔隙。

圖5（b）為齒面貼合雙層碳纖維織物的CFRP齒輪根部X射線CT圖像，與單層織物試樣類似，碳纖維織物在齒頂處的貼合性同樣不佳，且存在孔隙；兩種工藝條件下，孔隙的尺寸與數(shù)量無明顯差異。

3.2CFRP齒輪的輪齒彎曲強度

圖6為受拉臂旋轉(zhuǎn)角度與輪齒彎曲應力的關系曲線，其中圖6（a）為純環(huán)氧樹脂齒輪的測試結果，圖6（b）為齒面無碳纖維織物增強、僅添加短切碳纖維的環(huán)氧樹脂齒輪測試結果，圖6（c）和圖6（d）分別為添加短切碳纖維且齒面貼合單層、雙層碳纖維織物的CFRP齒輪測試結果。

在輪齒彎曲應力為0的區(qū)間，因齒輪嚙合間隙過大產(chǎn)生側(cè)隙，導致測得的應力起始點存在偏差。

表2中工藝1的純環(huán)氧樹脂齒輪輪齒彎曲強度最低，而工藝4（添加0.2wt%短切碳纖維且齒面貼合雙層碳纖維織物）的齒輪強度達到最高。

此外，純環(huán)氧樹脂齒輪發(fā)生脆性斷裂，斷裂過程中應力無階梯式下降；而添加短切碳纖維的齒輪，無論是否采用碳纖維織物增強，斷裂時應力均呈緩慢下降趨勢，表明裂紋擴展過程中短切纖維與樹脂之間發(fā)生了界面脫粘。

圖7為輪齒彎曲強度與短切碳纖維含量的關系曲線，添加1.0wt%短切碳纖維且齒面貼合單層碳纖維織物的齒輪彎曲強度最高，約為純環(huán)氧樹脂齒輪的2.4倍；即使無碳纖維織物增強，添加1.0wt%短切碳纖維的齒輪強度也達到純環(huán)氧樹脂齒輪的2.1倍，充分體現(xiàn)了短切碳纖維的增強效果。

圖8對比了表2中工藝2、3、4的輪齒彎曲強度，三組試樣的短切碳纖維添加量均為0.2wt%。與無碳纖維織物增強的工藝2相比，齒面貼合單層碳纖維織物的工藝3齒輪輪齒彎曲強度提升約69%，表明使纖維沿輪齒根部最大主應力方向取向可有效提升齒輪強度；而工藝4的強度較工藝3進一步提升約7.8%，說明增加碳纖維織物增強層數(shù)有助于提高CFRP齒輪的強度。

圖9對比了表2中工藝3和工藝5的輪齒彎曲強度，工藝3的齒輪在固化過程中施加4.2kPa壓力，工藝5則為無壓成型。無壓成型的齒輪輪齒彎曲強度較受壓成型試樣低約20.4%，這一強度下降可能是由于固化過程中模具內(nèi)部無壓力，導致樹脂對碳纖維織物的浸漬不充分。

圖10為環(huán)氧樹脂中混入的纖維長度對CFRP齒輪輪齒根部彎曲強度的影響，柱狀圖為表2中工藝2、3、6、7的制備結果：工藝2為添加0.2wt%短切碳纖維的齒輪，工藝3為同比例短切碳纖維添加且齒面貼合單層碳纖維織物的齒輪，工藝6為添加0.2wt%磨碎碳纖維的齒輪，工藝7為同比例磨碎碳纖維添加且齒面貼合單層碳纖維織物的齒輪。

對比工藝2和工藝6的輪齒根部彎曲強度，磨碎碳纖維增強的齒輪強度平均較短切碳纖維增強齒輪提升約12.2%，且工藝6的測試數(shù)據(jù)離散性更??；同理，在碳纖維織物增強的工藝3和工藝7中，磨碎碳纖維增強齒輪的彎曲強度也較段切碳纖維增強齒輪高7.7%。這一性能提升歸因于磨碎碳纖維的纖維長度更短，與短切碳纖維相比，其能在環(huán)氧樹脂基體中實現(xiàn)更均勻的分散。

圖11對比了工藝2和工藝8的輪齒彎曲強度，兩組試樣均添加0.2wt%短切碳纖維且齒面無碳纖維織物增強，僅工藝8的齒輪內(nèi)嵌金屬嵌件。由圖可知，金屬嵌件的加入使齒輪輪齒彎曲強度提升約6.5%，表明內(nèi)嵌金屬嵌件可小幅提高齒輪強度，同時也證實了提高齒輪輪緣剛度的重要性。

3.3齒輪剛度評價

圖12為表2中各工藝條件制備的CFRP齒輪剛度，本研究中剛度定義為輪齒根部彎曲應力（取自圖6）與受拉臂旋轉(zhuǎn)角度（rad）的比值。由圖可知，工藝1的純環(huán)氧樹脂齒輪剛度低于所有碳纖維增強的齒輪。

對比工藝2、3、4的測試結果，碳纖維織物層數(shù)對CFRP齒輪的剛度幾乎無影響，說明碳纖維織物對齒輪剛度的貢獻極小。

對比工藝3和工藝5，受壓成型的工藝3齒輪剛度高于無壓成型的工藝5試樣，表明通過模壓使樹脂充分浸漬纖維，對提高齒輪剛度具有重要作用。

此外，對比工藝2與工藝6、工藝3與工藝7的結果，磨碎碳纖維增強齒輪的剛度整體高于短切碳纖維增強齒輪，這也是由于磨碎碳纖維能在樹脂中實現(xiàn)更均勻的分散。

最后，工藝2與工藝8的對比結果顯示，內(nèi)嵌金屬嵌件的齒輪剛度更高，且金屬嵌件帶來的剛度提升幅度超過了纖維類型和模壓工藝的影響，由此可得出結論：采用金屬嵌件增強齒輪輪緣，是提高CFRP齒輪剛度的有效方法。

3.4CFRP齒輪的裂紋觀察

圖13為齒輪斷裂后的截面形貌，其中圖13（a）為齒面無碳纖維織物增強、添加1.0wt%短切碳纖維的齒輪，圖13（b）為齒面貼合單層碳纖維織物、添加1.0wt%短切碳纖維的齒輪，圖13（c）為齒面貼合雙層碳纖維織物、添加0.2wt%短切碳纖維的齒輪。

根據(jù)觀察到的齒輪斷裂形貌，繪制了齒面貼合雙層、單層碳纖維織物及無織物增強齒輪的裂紋擴展示意圖，如圖14所示。

對比可知，無碳纖維織物增強的齒輪從輪齒根部起裂并斷裂；貼合單層碳纖維織物的齒輪，裂紋先在根部萌生，隨后碳纖維織物發(fā)生斷裂，最終裂紋向齒輪本體內(nèi)部進一步擴展；而貼合雙層碳纖維織物的齒輪表現(xiàn)出兩種失效形式，一種與單層織物增強齒輪一致，另一種則是內(nèi)層碳纖維織物與樹脂發(fā)生界面分層，隨后裂紋向輪齒根部內(nèi)部擴展。

上述結果表明，若要進一步提升CFRP齒輪的強度，不僅需要增加碳纖維織物的層數(shù)，還需抑制織物與樹脂界面的分層現(xiàn)象。

4結論

本研究以短切碳纖維增強環(huán)氧樹脂，并結合碳纖維織物對齒面的二次增強，開發(fā)了一種CFRP齒輪制備方法，通過輪齒根部彎曲強度測試驗證了該方法的有效性，主要研究結論如下：

1.將碳纖維織物沿齒面貼合成型，可有效提升CFRP齒輪的彎曲強度。齒面貼合單層碳纖維織物時，裂紋從輪齒根部萌生，穿破織物后向內(nèi)部擴展；而貼合雙層織物時，裂紋因界面分層從內(nèi)層織物與樹脂的結合面萌生。因此，要進一步提高CFRP齒輪的力學強度，需在增加碳纖維織物層數(shù)的同時，抑制織物與樹脂界面的分層現(xiàn)象。

2.對于短切纖維增強環(huán)氧樹脂體系，磨碎碳纖維對齒輪的增強效果優(yōu)于短切碳纖維；齒輪內(nèi)部的孔隙是導致強度下降的主要因素，因此在保證纖維在樹脂中均勻分散的同時，最大限度減少孔隙生成至關重要；此外，模壓工藝是實現(xiàn)樹脂充分浸漬纖維、進而提升齒輪強度的必要條件。對于兩種纖維類型，提高纖維添加量均能有效改善齒輪強度。

3.要進一步提升CFRP齒輪的強度，提高齒輪整體結構的剛度尤為重要，而在齒輪中心內(nèi)嵌金屬芯軸是實現(xiàn)這一目標的有效方法。