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传动轴是机械装备中用于传递扭矩的关键部件，在许多领域得到广泛应用。机械装备的快速发展对传动轴提出了越来越高的要求，而金属材料传动轴由于其自身的局限性，约束了传动轴性能的提升。解决此问题的主要途径之一是采用复合材料取代金属材料制备高性能传动轴。碳纤维复合材料具有轻质高强、热膨胀系数小、吸振性能好等优点，采用碳纤维复合材料制备的传动轴具有质量轻、强度高、尺寸稳定性高、传动效率和传动精度高等一系列独特优势。本文重点对碳纤维复合材料传动轴的结构设计、制造工艺和性能试验展开研究，主要研究内容如下： 在碳纤维复合材料传动轴设计理论和技术方面，将碳纤维复合材料传动轴归类为纤维增强复合材料圆柱壳结构，针对碳纤维复合材料传动轴结构设计中的两大核心问题，即力学性能和失效准则，在复合材料结构力学的层面上探讨了复合材料圆柱叠层壳的基础力学问题，为后续碳纤维复合材料传动轴的设计奠定基础。以碳纤维复合材料电机传动轴为例，根据该轴的设计要求选取T300/5208碳纤维复合材料作为传动轴的主要材料，通过对比分析，确定传动轴的结构形式；再根据传动轴的铺层原则辅以有限元仿真分析，确定了传动轴轴管的铺层方案；最后根据传动轴的载荷条件和使用环境，确定了胶接形式、胶层厚度、胶接长度等胶接工艺参数等；通过该碳纤维复合材料电机传动轴的结构设计，提出并建立了一般碳纤维复合材料传动轴结构设计的基本原则和设计方法。 在碳纤维复合材料传动轴的制备中，研究并探讨了碳纤维轴管的成型方法，提出了碳纤维轴管的成型工艺和具体工序；确定了碳纤维轴管与金属法兰的胶接工艺。通过深入研究，发现了在碳纤维复合材料轴管制备过程中，合理选择工艺参数是充分发挥原料的特性，制造高质量缠绕制品的重要环节。在碳纤维复合材料传动轴的静力学测试中，分别进行了传动轴的静扭试验和疲劳试验，结果表明：制备的碳纤维复合材料传动轴试件在5492Nm扭矩的载荷下仍未失效，大于传动轴的最大扭矩5155.2Nm；传动轴扭转疲劳次数高于18万次，满足扭转疲劳要求，为传动轴的制备提供了有效依据。 对碳纤维复合材料传动轴进行了动力学仿真与试验。首先采用有限元方法计算出传动轴的模态参数，然后通过复合材料传动轴的模态实验对有限元仿真结果进行验证，其中分别对碳纤维复合材料轴管和碳纤维复合材料传动轴进行有限元模态分析，研究结果表明：考虑金属端后，整个传动轴的三阶固有频率依次下降52.52％，31.52%和26.38%，表明金属端对碳纤维复合材料传动轴的固有频率有很大影响。在模态试验中，构建了传动轴的模态试验平台，采用锤击法测量传动轴的固有频率和振型，模态测试结果与考虑金属端的仿真结果基本一致，通过实验研究，验证了碳纤维复合材料传动轴的模态有限元仿真以及金属端对碳纤维复合材料传动轴的固有频率有很大影响的假设。进而提出了采用仿真分析与模态试验两种方法相结合的动力学实验与分析思路，证明了在碳纤维复合材料传动轴设计与制造的研究过程中，其动力学分析不可忽略且十分重要。 利用光纤光栅传感器对碳纤维复合材料轴管进行了固化监测。通过手工铺层和热压固化的方法制备了碳纤维复合材料轴管试件，在碳纤维复合材料轴管的铺层中部埋入温度补偿光栅和测量温度及应变的光栅，在碳纤维复合材料轴管固化过程中在线监测了轴管内部的温度和应变，通过温度补偿得到了内部热应变，在轴管完全冷却后，通过光纤光栅传感器测得碳纤维复合材料轴管的热残余应变为105με，表明固化结束后碳纤维复合材料轴管内部存在一定的热残余应变，可能成为碳纤维复合材料轴管在后续服役过程中产生裂纹、脱层等损伤的隐患。结果表明，在手工铺层的碳纤维复合材料轴管中埋入光纤光栅传感器的工艺是可行的，并且利用光纤光栅传感器能够很好地反应碳纤维复合材料轴管在固化过程中的应变和温度变化。 最后对碳纤维复合材料传动轴的设计、制备和测试等方面的研究工作进行了总结和展望。认为今后在碳纤维复合材料传动轴的优化设计、全碳纤维复合材料传动轴的研究、碳纤维复合材料传动轴的损伤在线监测和基础性能数据库以及碳纤维复合材料传动轴的企业标准与应用推广等方面，将有大量基本理论和关键技术的研究工作需要深入展开。