碳纤维织物与短切纤维混杂增强CFRP齿轮的强度提升研究

摘要

近年来，碳纤维增强塑料（CFRP）齿轮因比强度高、减振性能优异，替代金属齿轮的市场需求持续增长。CFRP齿轮的传统制备方法包括短切纤维增强树脂模压成型和层合复合材料切削加工，但能够有效提升CFRP齿轮强度的制备工艺尚未完全成熟。本研究开发了一种提升CFRP齿轮强度的新型制备方法，先采用碳纤维织物对齿轮齿面进行增强处理，再将短切纤维增强树脂浇铸至模具中成型。为验证该方法的有效性，研究考察了纤维长度、纤维含量及碳纤维织物层数对CFRP齿轮强度的影响，并通过轮齿弯曲强度测试验证了该方法的实用性。研究结果表明，提升CFRP齿轮强度需在保证纤维在树脂中均匀分散的前提下提高纤维体积分数；此外，在抑制纤维与树脂界面分层的同时增加碳纤维织物层数，可显著增强齿轮齿面强度。本研究为该制备工艺在高性能CFRP齿轮制造中的应用提供了重要参考依据。

1引言

当前汽车行业正加速从燃油车向电动汽车（EV）转型。续航里程是电动汽车面临的核心难题之一，因此针对电动汽车的专用变速器研发工作正积极开展。电动汽车电机通常设计为15000转/分钟的高转速工况，以实现高功率密度，且其转速仍有进一步提升的趋势。然而，电机转速提升会导致振动、噪声问题加剧，这也推动了市场对高效、紧凑、轻量化变速器的需求。这些要求又引发了人们对齿轮强度下降、噪声增大等问题的担忧。在此背景下，本研究聚焦CFRP齿轮，这类齿轮不仅比强度高，还具备质轻、减振性优异、无润滑条件下亦可低噪声运行等优良特性。

CFRP齿轮的常见制备方法包括注塑成型、层压板切削加工以及3D打印增材制造。注塑成型采用热塑性树脂，其力学性能普遍弱于热固性树脂，且仅能将短切纤维混入注塑用树脂粒料中，限制了齿轮力学强度的提升空间。与之相比，层压板切削加工可通过引入单向或机织碳纤维织物实现长纤维增强，但齿轮各轮齿间的纤维取向存在差异，易导致强度不均。3D打印虽可对齿面进行定向增强，最大限度降低轮齿间的强度偏差，但该方法仍不适用于大规模生产。因此，研发兼具高强度与力学性能均一性的CFRP齿轮具有重要的实际意义。

为解决上述问题，本研究提出一种新型制备方法：先采用碳纤维织物对齿面进行增强，再以短切纤维增强热固性树脂模压成型。本研究通过分析CFRP齿轮的成型性，考察纤维长度、纤维含量及碳纤维织物层数对轮齿根部弯曲强度的影响，验证了该方法的有效性。

2实验方法

2.1实验材料

本研究以环氧树脂为基体，混入短切碳纤维进行增强，树脂体系选用胺类环氧树脂与配套固化剂。实验选用两种短切碳纤维进行混合改性：平均长度3mm的短切碳纤维和平均长度0.3mm的磨碎碳纤维，为保证碳纤维在树脂中分散性良好，两种纤维均采用无浆剂处理的规格。同时，采用平纹聚丙烯腈基碳纤维织物对齿轮齿面进行增强处理。

2.2CFRP齿轮的成型方法

本研究制备的CFRP齿轮结构示意图如图1所示，成型工艺为：将碳纤维织物沿齿面贴合定位，再将预混短切碳纤维的环氧树脂整体模塑料（BMC）浇铸至模具中，经固化处理制得CFRP齿轮。将碳纤维织物沿齿面贴合，可使纤维沿轮齿根部最大主应力方向取向，从而达到提升强度的目的。本研究制备的齿轮参数如表1所示，模数3、齿数20、齿宽15mm。

为验证该成型方法的适用性，本研究按表2所示的多种工艺条件制备了多组CFRP齿轮。为提升齿轮力学强度，在环氧树脂基体中分别混入短切碳纤维或磨碎碳纤维；试样制备时，将环氧树脂基体与短切纤维置于均质机容器中，通过均质机搅拌使纤维均匀分散。复合所需的碳纤维质量按公式（1）计算：

式中，mf为碳纤维添加质量（g），Cf为纤维质量分数，mm为环氧树脂与固化剂的总质量（g）。

短切纤维均匀分散后，按环氧树脂:固化剂=3:1的比例向基体中加入固化剂，采用刮刀轻轻搅拌，最大限度减少孔隙生成，制得整体模塑料（BMC）。

将整体模塑料浇铸至模具前，采用尖头木质工具将碳纤维织物沿齿面手动贴合并压实定位。为考察碳纤维织物层数对齿轮力学强度的影响，实验制备了两种齿轮试样：齿面贴合单层碳纤维织物的试样与贴合双层碳纤维织物的试样。

实验制备了短切碳纤维质量分数分别为0.2、0.4、0.6、0.8和1.0%的CFRP齿轮，固化过程中在模具上模板施加压块载荷，使树脂受压，固化工艺为90℃、4.2kPa、2h。施加压力有助于排出多余树脂，且可使复合纤维向齿顶方向取向。为考察压力对齿轮强度的影响，实验还制备了无压块载荷条件下成型的CFRP齿轮，同时也制备了内嵌金属嵌件的CFRP齿轮，金属嵌件的尺寸如图2所示。

2.3CFRP齿轮的轮齿弯曲强度测试

采用万能试验机对CFRP齿轮进行轮齿根部静弯曲试验，评价其力学强度。试验中对齿轮试样施加拉伸载荷，根据测得的载荷与位移数据计算轮齿根部弯曲强度，以此分析纤维长度与碳纤维织物增强对齿轮强度的影响。

每种试验条件重复4次，计算轮齿根部弯曲强度平均值，拉伸加载速率设定为1mm/min，且每种试验至少重复3次。

本研究设计的试验夹具如图3所示，将夹具底板通过螺栓固定在万能试验机上，依次安装固定齿轮、试样齿轮与受拉齿轮，使试样齿轮处于中心位置；固定齿轮与受拉齿轮均采用一般结构钢（SS400）制备，所有齿轮均安装平键，防止齿轮与轴之间发生滑动，同时在固定齿轮的轴与夹具之间也加装平键，限制固定齿轮转动。

通过受拉臂向受拉齿轮施加扭矩，受拉臂由两部分组成，一部分与受拉齿轮的轴连接，另一部分由万能试验机向上牵引；通过向受拉臂施加竖向载荷，使试样齿轮的轮齿根部产生弯曲力矩。

轮齿根部弯曲强度σ（MPa）按公式（2）计算：

为检测CFRP齿轮内部孔隙情况，并验证碳纤维织物沿齿面的贴合定位效果，本研究对齿轮进行了X射线计算机断层扫描（X射线CT）测试，选取添加0.2wt%短切碳纤维、齿面分别贴合单层和双层碳纤维织物的CFRP齿轮作为测试样品。

3结果与讨论

3.1CFRP齿轮的成型结果

本研究制备的CFRP齿轮试样如图4所示，该试样为表2中工艺3的产品，即环氧树脂中添加0.2wt%短切碳纤维的CFRP齿轮。所有工艺条件下，齿轮均能成功成型并与模具型腔贴合，固化充分，脱模过程无明显损伤；沿齿面贴合的碳纤维织物完全嵌入环氧树脂中，表明树脂已充分浸渍增强纤维。

图5（a）为齿面贴合单层碳纤维织物的CFRP齿轮根部X射线CT图像，碳纤维织物沿轮齿根部贴合良好，但在齿顶附近与齿面发生分离，贴合性不佳，且轮齿根部周围观察到若干孔隙。

图5（b）为齿面贴合双层碳纤维织物的CFRP齿轮根部X射线CT图像，与单层织物试样类似，碳纤维织物在齿顶处的贴合性同样不佳，且存在孔隙；两种工艺条件下，孔隙的尺寸与数量无明显差异。

3.2CFRP齿轮的轮齿弯曲强度

图6为受拉臂旋转角度与轮齿弯曲应力的关系曲线，其中图6（a）为纯环氧树脂齿轮的测试结果，图6（b）为齿面无碳纤维织物增强、仅添加短切碳纤维的环氧树脂齿轮测试结果，图6（c）和图6（d）分别为添加短切碳纤维且齿面贴合单层、双层碳纤维织物的CFRP齿轮测试结果。

在轮齿弯曲应力为0的区间，因齿轮啮合间隙过大产生侧隙，导致测得的应力起始点存在偏差。

表2中工艺1的纯环氧树脂齿轮轮齿弯曲强度最低，而工艺4（添加0.2wt%短切碳纤维且齿面贴合双层碳纤维织物）的齿轮强度达到最高。

此外，纯环氧树脂齿轮发生脆性断裂，断裂过程中应力无阶梯式下降；而添加短切碳纤维的齿轮，无论是否采用碳纤维织物增强，断裂时应力均呈缓慢下降趋势，表明裂纹扩展过程中短切纤维与树脂之间发生了界面脱粘。

图7为轮齿弯曲强度与短切碳纤维含量的关系曲线，添加1.0wt%短切碳纤维且齿面贴合单层碳纤维织物的齿轮弯曲强度最高，约为纯环氧树脂齿轮的2.4倍；即使无碳纤维织物增强，添加1.0wt%短切碳纤维的齿轮强度也达到纯环氧树脂齿轮的2.1倍，充分体现了短切碳纤维的增强效果。

图8对比了表2中工艺2、3、4的轮齿弯曲强度，三组试样的短切碳纤维添加量均为0.2wt%。与无碳纤维织物增强的工艺2相比，齿面贴合单层碳纤维织物的工艺3齿轮轮齿弯曲强度提升约69%，表明使纤维沿轮齿根部最大主应力方向取向可有效提升齿轮强度；而工艺4的强度较工艺3进一步提升约7.8%，说明增加碳纤维织物增强层数有助于提高CFRP齿轮的强度。

图9对比了表2中工艺3和工艺5的轮齿弯曲强度，工艺3的齿轮在固化过程中施加4.2kPa压力，工艺5则为无压成型。无压成型的齿轮轮齿弯曲强度较受压成型试样低约20.4%，这一强度下降可能是由于固化过程中模具内部无压力，导致树脂对碳纤维织物的浸渍不充分。

图10为环氧树脂中混入的纤维长度对CFRP齿轮轮齿根部弯曲强度的影响，柱状图为表2中工艺2、3、6、7的制备结果：工艺2为添加0.2wt%短切碳纤维的齿轮，工艺3为同比例短切碳纤维添加且齿面贴合单层碳纤维织物的齿轮，工艺6为添加0.2wt%磨碎碳纤维的齿轮，工艺7为同比例磨碎碳纤维添加且齿面贴合单层碳纤维织物的齿轮。

对比工艺2和工艺6的轮齿根部弯曲强度，磨碎碳纤维增强的齿轮强度平均较短切碳纤维增强齿轮提升约12.2%，且工艺6的测试数据离散性更小；同理，在碳纤维织物增强的工艺3和工艺7中，磨碎碳纤维增强齿轮的弯曲强度也较段切碳纤维增强齿轮高7.7%。这一性能提升归因于磨碎碳纤维的纤维长度更短，与短切碳纤维相比，其能在环氧树脂基体中实现更均匀的分散。

图11对比了工艺2和工艺8的轮齿弯曲强度，两组试样均添加0.2wt%短切碳纤维且齿面无碳纤维织物增强，仅工艺8的齿轮内嵌金属嵌件。由图可知，金属嵌件的加入使齿轮轮齿弯曲强度提升约6.5%，表明内嵌金属嵌件可小幅提高齿轮强度，同时也证实了提高齿轮轮缘刚度的重要性。

3.3齿轮刚度评价

图12为表2中各工艺条件制备的CFRP齿轮刚度，本研究中刚度定义为轮齿根部弯曲应力（取自图6）与受拉臂旋转角度（rad）的比值。由图可知，工艺1的纯环氧树脂齿轮刚度低于所有碳纤维增强的齿轮。

对比工艺2、3、4的测试结果，碳纤维织物层数对CFRP齿轮的刚度几乎无影响，说明碳纤维织物对齿轮刚度的贡献极小。

对比工艺3和工艺5，受压成型的工艺3齿轮刚度高于无压成型的工艺5试样，表明通过模压使树脂充分浸渍纤维，对提高齿轮刚度具有重要作用。

此外，对比工艺2与工艺6、工艺3与工艺7的结果，磨碎碳纤维增强齿轮的刚度整体高于短切碳纤维增强齿轮，这也是由于磨碎碳纤维能在树脂中实现更均匀的分散。

最后，工艺2与工艺8的对比结果显示，内嵌金属嵌件的齿轮刚度更高，且金属嵌件带来的刚度提升幅度超过了纤维类型和模压工艺的影响，由此可得出结论：采用金属嵌件增强齿轮轮缘，是提高CFRP齿轮刚度的有效方法。

3.4CFRP齿轮的裂纹观察

图13为齿轮断裂后的截面形貌，其中图13（a）为齿面无碳纤维织物增强、添加1.0wt%短切碳纤维的齿轮，图13（b）为齿面贴合单层碳纤维织物、添加1.0wt%短切碳纤维的齿轮，图13（c）为齿面贴合双层碳纤维织物、添加0.2wt%短切碳纤维的齿轮。

根据观察到的齿轮断裂形貌，绘制了齿面贴合双层、单层碳纤维织物及无织物增强齿轮的裂纹扩展示意图，如图14所示。

对比可知，无碳纤维织物增强的齿轮从轮齿根部起裂并断裂；贴合单层碳纤维织物的齿轮，裂纹先在根部萌生，随后碳纤维织物发生断裂，最终裂纹向齿轮本体内部进一步扩展；而贴合双层碳纤维织物的齿轮表现出两种失效形式，一种与单层织物增强齿轮一致，另一种则是内层碳纤维织物与树脂发生界面分层，随后裂纹向轮齿根部内部扩展。

上述结果表明，若要进一步提升CFRP齿轮的强度，不仅需要增加碳纤维织物的层数，还需抑制织物与树脂界面的分层现象。

4结论

本研究以短切碳纤维增强环氧树脂，并结合碳纤维织物对齿面的二次增强，开发了一种CFRP齿轮制备方法，通过轮齿根部弯曲强度测试验证了该方法的有效性，主要研究结论如下：

1.将碳纤维织物沿齿面贴合成型，可有效提升CFRP齿轮的弯曲强度。齿面贴合单层碳纤维织物时，裂纹从轮齿根部萌生，穿破织物后向内部扩展；而贴合双层织物时，裂纹因界面分层从内层织物与树脂的结合面萌生。因此，要进一步提高CFRP齿轮的力学强度，需在增加碳纤维织物层数的同时，抑制织物与树脂界面的分层现象。

2.对于短切纤维增强环氧树脂体系，磨碎碳纤维对齿轮的增强效果优于短切碳纤维；齿轮内部的孔隙是导致强度下降的主要因素，因此在保证纤维在树脂中均匀分散的同时，最大限度减少孔隙生成至关重要；此外，模压工艺是实现树脂充分浸渍纤维、进而提升齿轮强度的必要条件。对于两种纤维类型，提高纤维添加量均能有效改善齿轮强度。

3.要进一步提升CFRP齿轮的强度，提高齿轮整体结构的刚度尤为重要，而在齿轮中心内嵌金属芯轴是实现这一目标的有效方法。