一種方程式賽車(chē)碳纖維懸架及其粘接工藝

左益芳 代 萍 唐若瑜

(西華大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院 四川 成都 610039)

一種方程式賽車(chē)碳纖維懸架及其粘接工藝

左益芳 代 萍 唐若瑜

(西華大學(xué)汽車(chē)與交通學(xué)院 四川 成都 610039)

新型復(fù)合材料在方程式賽車(chē)上使用的情況越來(lái)越廣泛，它們的使用可以減輕整車(chē)質(zhì)量以提高整車(chē)的操縱性和動(dòng)力性。文章通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，描述了方程式賽車(chē)碳纖維懸架設(shè)計(jì)與制作過(guò)程，并且得到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為改進(jìn)懸架設(shè)計(jì)及材料使用提供了理論依據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。講訴了一種方程式賽車(chē)碳纖維懸架及其粘接工藝，大大減輕了賽車(chē)的簧下質(zhì)量，提高了賽車(chē)的加速性和燃油經(jīng)濟(jì)性，降低了運(yùn)營(yíng)成本和二氧化碳的排放；提高了懸架系統(tǒng)剛度和安全性；減少了修理時(shí)間和成本，提高了賽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。

FSC 賽車(chē)；粘接方法；碳纖維懸架；拉伸和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

1 粘接方式

碳纖維懸架桿在該系統(tǒng)中作為主要承力部件,由于主要受力方向是沿軸的方向,因此采用了套接的連接方式,將碳纖維管套接與鋁制接頭上。此種粘接方式的優(yōu)勢(shì)在于碳纖維材料主要強(qiáng)度方向于粘接受力方向一致,可以充分利用碳纖維材料的強(qiáng)度;粘接面積大,形式簡(jiǎn)單,易于操作,可靠性高,受力狀況好。

2 技術(shù)方案

一種方程式賽車(chē)碳纖維懸架，包括用于連接輪胎的立柱，立柱內(nèi)側(cè)通過(guò)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與車(chē)架連接，所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)包括上橫臂、下橫臂、推桿和搖臂；上橫臂和下橫臂的遠(yuǎn)端鉸接在立柱上，近端用于與車(chē)架連接；推桿的遠(yuǎn)端與下橫臂的遠(yuǎn)端鉸接，推桿的近端向上傾斜延伸并連接到搖臂；還包括橫向穩(wěn)定桿，橫向穩(wěn)定桿兩端各固定連接一個(gè)擺臂，兩擺臂分別通過(guò)穩(wěn)定桿連接桿連接到左右兩側(cè)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的搖臂上；所述上橫臂、下橫臂、推桿和穩(wěn)定桿連接桿均由碳纖維管及其端部的金屬連接件構(gòu)成。

所述金屬連接件包括套裝并粘接在碳纖維管端部?jī)?nèi)壁的金屬接頭，金屬接頭上固定連接有關(guān)節(jié)軸承；所述擺臂沿垂直車(chē)軸的方向排布多個(gè)用于與穩(wěn)定桿連接桿鉸接的鉸接點(diǎn)；所述橫向穩(wěn)定桿采用彈性元件4130鋼管。

一種方程式賽車(chē)碳纖維懸架的粘接工藝，包括：

(1)用砂紙打磨碳纖維管內(nèi)壁的粘接面(由于目前碳纖維管內(nèi)表面機(jī)械方法處理困難，因此，碳纖維管內(nèi)表面的粘接面只能手工打磨。碳纖維管內(nèi)壁打磨程度對(duì)粘接影響很大，碳纖維管內(nèi)壁覆有樹(shù)脂層，最好的粘接狀態(tài)是膠水和碳纖維布結(jié)合而不是樹(shù)脂，因此需要將這層樹(shù)脂打磨掉。手工打磨很難判斷是否已經(jīng)打磨到位，本實(shí)施例采用化學(xué)上的“破水法”來(lái)解決，即將打磨好的碳纖維管緩緩放入水中再取出，若打磨面附著的水既不聚成水滴，也不成股流下，證明樹(shù)脂層已打磨完全。)；

(2)用丙酮清洗碳纖維管粘接面和金屬接頭；

(3)將膠水均勻涂抹在碳纖維管一端的粘接面上，再插入金屬接頭使其與粘接面緊密貼合，并將粘接端朝下，靜止4～6小時(shí)至膠水固化；

(4)用步驟3的方法粘接碳纖維管另一端的金屬接頭。

采用7075-T6鋁棒加工接頭，其中下部的柱體為粘接部，用于套裝進(jìn)碳纖維管的端部，本實(shí)施例中，用于上橫臂接頭的粘接部的長(zhǎng)度為140mm，直徑為40mm，用于下橫臂粘接頭的粘接部的長(zhǎng)度為170mm，直徑為40mm。

由于桿件兩端鋁合金接頭通過(guò)球鉸與車(chē)架和立柱連接，桿件為二力桿結(jié)構(gòu)，因此桿件受拉力或者壓力，為保證粘接牢固，粘接前需要對(duì)接頭粘接面進(jìn)行粗打磨。

鋁制接頭的外緣表面處理：考慮到外緣表面處理對(duì)膠層的影響，特設(shè)計(jì)了滾花，環(huán)形槽，光面三種接頭。

所述膠水采用3MDP460NS環(huán)氧樹(shù)脂膠水，膠水涂抹的厚度為0.2mm(接頭長(zhǎng)度按L=(0.8D+6)計(jì)算得到,膠層厚度控制在0.2±0.02mm)；所述步驟1之后還包括對(duì)打磨效果的檢驗(yàn)，具體方法為：將碳纖維管緩緩放入水中再取出，若打磨面附著的水既不聚成水滴，也不成股流下，則打磨完成。

3 拉伸和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

采用10T拉伸試驗(yàn)機(jī)和500KN扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)對(duì)粘接完的碳纖維管進(jìn)行拉伸和扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平均拉力能達(dá)到40KN，滿(mǎn)足懸架所有桿件使用要求。在此基礎(chǔ)上對(duì)膠水厚度在進(jìn)行細(xì)分，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以探究最佳膠水厚度。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，膠水厚度為0.2mm左右時(shí)，碳纖維管承受拉力效果最佳，試驗(yàn)力-位移曲線(xiàn)圖如圖1所示。

4 結(jié)論

碳纖維懸架大大減輕了賽車(chē)的簧下質(zhì)量，提高了賽車(chē)的加速性和燃油經(jīng)濟(jì)性，降低了運(yùn)營(yíng)成本和二氧化碳的排放；提高了懸架系統(tǒng)剛度和安全性；減少了修理時(shí)間和成本，提高了賽車(chē)的操縱穩(wěn)定性。但是還存在幾個(gè)問(wèn)題：第一，打磨碳纖維管與接頭的程度以及 膠層均勻程度很難控制；第二，很難保證粘接之后的同軸度，這樣會(huì) 導(dǎo)致懸架叉臂硬點(diǎn)變化影響整車(chē)性能；第三，兩個(gè)接頭從兩端旋入時(shí)，碳纖維管內(nèi)是一個(gè)密閉空間，容易對(duì)接頭產(chǎn)生往外推理，從而導(dǎo)致誤差。在接下來(lái)的碳纖維叉臂粘接過(guò)程中，可以通過(guò)盡量用廢舊材料練習(xí)打磨手藝，做一個(gè)懸架幾何的定位夾具，以及在碳纖維管上面開(kāi)排氣孔的方式盡可能避免以上幾個(gè)問(wèn)題。

[1] 王偉臣，郝益華，黃浦淳．碳纖維和鋁合金的粘接技術(shù)[J]．中國(guó)科技縱橫.2014(5)：52-53.

[2] 李艷，張大成．FSC 賽車(chē)碳纖維懸架設(shè)計(jì)與制作[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用．2015(20)：22.

[3] 張海鵬，韓忠浩．FSC賽車(chē)碳纖維懸架鋁制接頭設(shè)計(jì)與粘接方法研究[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù).2015(12):42-45

[4] 左益芳，江源波 ．一種方程式賽車(chē)碳纖維懸架[P]．中國(guó)專(zhuān)利：201620241863.2，2016-03-28.

U469.5

A

1672-5832(2016)07-0293-01