FSC賽車碳纖維懸架設(shè)計與制作

李艷 張大成 覃文峰 楊海濤

摘 要：新型復(fù)合材料在FSC賽車上使用的情況越來越廣泛，它們的使用可以減輕整車質(zhì)量以提高整車的操縱性和動力性。文章通過理論與實驗相結(jié)合，描述了FSC賽車碳纖維懸架設(shè)計與制作過程，并且得到相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)，為改進懸架設(shè)計及材料使用提供了理論依據(jù)與實驗數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：懸架；碳纖維復(fù)合材料；拉伸試驗

1 碳纖維懸架

中國大學生方程式汽車大賽（簡稱“中國FSC”）是一項由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學生組隊參加的汽車設(shè)計與制造比賽。各參賽車隊按照賽事規(guī)則和賽車制造標準，在一年的時間內(nèi)自行設(shè)計和制造出一輛在加速、制動、操控性等方面具有優(yōu)異表現(xiàn)的賽車。然而懸架系統(tǒng)作為汽車一個極其重要的部分，在此項比賽中對整個賽車的操縱性、動力性、舒適性影響頗為重要。隨著FSC比賽一次一次的成功舉辦，各個車隊逐漸把用4130鋼管為材料的雙橫臂懸架使用到了一定水平，開始尋求另外一種碳纖維復(fù)合材料進行制作。文章以寧遠2014年賽車前懸架為例，通過受力分析、力學實驗、以及成品應(yīng)用來為碳纖維懸架的制作提供依據(jù)。

2 雙橫臂懸架幾何設(shè)計與受力分析

2.1 雙橫臂懸架形式的選擇以及幾何模型的建立

由于FSC大賽比賽規(guī)則，賽車所有車輪必須安裝有功能完善的、帶有減震器的懸架。在有車手乘坐的情況下，輪胎的跳動行程至少為50.8mm（2英寸），其中向上25.4mm（1英寸），向下25.4mm（1英寸）。賽車的軸距至少為1525mm（60英寸），較小的輪距（前輪或后輪）必須不小于較大輪距的75%。再結(jié)合寧遠車隊前兩年賽車的設(shè)計，決定選用拉桿不等長雙橫臂懸架，因為相比麥弗遜懸架和其他懸架來說，雙橫臂懸架中間有足夠的空間留給懸架的導(dǎo)向桿系布置，有較低的側(cè)傾中心有利于整車的操控性，并且在F1項賽事中得到廣范應(yīng)用。賽車的初步參數(shù)如下：軸距=1600mm；前輪距=1250mm；前側(cè)傾中心高=30mm；側(cè)傾外傾變化率=0.65；抗點頭ηd=4.54%。通過計算并按照圖1作圖方式，即可得到前懸架在車架上的8個硬點的坐標以及主銷上下球絞的坐標。

圖1

在CATIA里面得到的硬點坐標輸入，將硬點通過直線連接就可以得到懸架的幾何模型?，F(xiàn)在得到的幾何模型只是通過作圖方式得到的初步模型，接下來需要將得到的坐標按照ADAMS軟件里的要求輸入，得到修改后坐標的懸架模型進行仿真。根據(jù)經(jīng)驗與規(guī)則，在ADAMS里面做一個上下跳動正負30mm的平行輪跳仿真，得到主銷內(nèi)傾角、主銷后傾角、車輪外傾角、前束、輪距以及側(cè)傾中心等參數(shù)隨著車輪上下跳動的一個變化曲線。如果曲線在一個合理的變化值之內(nèi)就說明硬點的坐標取得合理，反之，需要通過ADAMS/Insight進一步對硬點坐標進行實驗優(yōu)化、找出對相應(yīng)曲線變化影響最大的硬點坐標，然后進行修改直到得出最合適的坐標。通過優(yōu)化后的硬點坐標重新把懸架幾何模型在CATIA里面建立。

2.2 雙橫臂懸架受力分析

在參加FSC動態(tài)賽中，賽車行駛過程處在多種復(fù)雜工況中，而這些復(fù)雜的工況幾乎都是由有加速、制動、過彎這三個最基本的工況合成。這三種情況在同一時間不可能同時發(fā)生，根據(jù)力學知識，可以把這賽車在行駛過程中的工況進行簡化，按以下三種情況進行分析：

第一種情況：極限加速工況。借鑒以往參賽經(jīng)驗，在行駛過程中的所有加速工況，只有賽車在參加75m直線加速時的工況較為極限。因此，可以將此瞬時的極限工況簡化為一個力學模型，即以10m/s的瞬時加速度在路面附著系數(shù)為1.4的路面上行駛，通過計算可以得到下叉臂受力最大，且桿的最大受力大小為3800N。

第二種情況；極限制動工況。同理分析，根據(jù)經(jīng)驗當車賽車緊急制動時，賽車載荷前移前懸的制動力分配比較大，這里前后制動力分配按7：3計算。通過計算可以得到此時單個輪胎產(chǎn)生的最大制動力為1450N，且受力最大桿件是下叉臂，受力大小為3082N。

第三種情況：過彎工況。通過對比賽的賽道地圖分析，在比賽中最極限過彎工況應(yīng)該是以40km/h的速度通過一個半徑為8m的彎道，等同于1.6g側(cè)向加速度。此時可得車輪所受最大側(cè)向力為1742N，單根桿件得最大受力為2367N。

通過上面三種情況的分析，可以推測出碳纖維懸架叉臂桿的最大受力為3800N，即用碳纖維復(fù)合材料制作的碳纖維懸架單根桿件最大受力應(yīng)該大于這種情況的受力。

3 碳纖維懸架制作

3.1 前期實驗

對于碳纖維懸架的制作價格是比較昂貴的，所以可以先通過一個前期實驗來得到以下數(shù)據(jù)，為后期制作提供一個依據(jù)。借鑒國內(nèi)外各家車隊的經(jīng)驗，此次實驗決定選擇用3M DP460膠水將鋁合金接頭與碳纖維管粘接在一起，實驗過程的基本變量為膠層厚度和粘接長度。我們確定選用20*16壁厚2mm的碳纖維管，因此實驗變量就完全取決于鋁合金接頭的設(shè)計。根據(jù)國內(nèi)外車隊經(jīng)驗，取粘接的長度25mm、30mm、35mm；取膠層厚度單邊0.1mm、0.15mm、0.2mm。為了節(jié)省碳纖維管，決定選用長度為110mm，在這里特別注意鋁合金接頭外漏的長度應(yīng)足夠讓拉伸試驗機器的裝夾。

接下來是非常重要的粘接過程。首先，應(yīng)該將切割好的碳纖維管以及加工好的鋁制接頭與膠水接觸的面打磨粗糙，以便膠水與其粘接充分；然后是脫脂處理，把鋁制接頭放在丙酮溶液中浸泡30分鐘左右，接著酒精清洗干凈并結(jié)合小刷子刷凈上面的油污，最后清水清洗干凈，晾干。然而在碳管內(nèi)部的脫脂處理是打磨好后清水沖洗，并用刷子刷干凈，接著用酒精清洗，再將碳管頭部封住里面注入適量丙酮溶液浸泡30分鐘，最后用清水清洗干凈，晾干；最后開始粘接工作，涂好膠層之后應(yīng)該講接頭慢慢旋入碳纖維管內(nèi)。

根據(jù)所買膠水的屬性，等膠水完全干了之后可以進行下一步拉伸試驗，此次實驗總共做了9組實驗，實驗結(jié)果如表所示。

根據(jù)實驗結(jié)果，可以得到實驗數(shù)據(jù)遠遠大于懸架所承受力。

3.2 碳纖維懸架制作及成品實踐

經(jīng)過前期實驗的探索，可以提供一個很好地經(jīng)驗以及粘接手法練習，但是還存在幾個問題：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，這樣會導(dǎo)致懸架叉臂硬點變化影響整車性能；第三，兩個接頭從兩端旋入時，碳纖維管內(nèi)是一個密閉空間，容易對接頭產(chǎn)生往外推理，從而導(dǎo)致誤差。在接下來的碳纖維叉臂粘接過程中，可以通過盡量用廢舊材料練習打磨手藝，做一個懸架幾何的定位夾具，以及在碳纖維管上面開排氣孔的方式盡可能避免以上幾個問題。

在碳纖維懸架制作完成并可以使用之后，將碳纖維懸架裝在寧遠車隊2014賽季賽車上做最接近實際的強度試驗，以及疲勞試驗。經(jīng)過一個賽季的認證，整個碳纖維懸架至今沒有發(fā)現(xiàn)開膠，斷裂等一些失效的現(xiàn)象，說明此次碳纖維懸架的制作符合此類型賽車的使用。

4 結(jié)束語

在碳纖維懸架的設(shè)計與制作中，應(yīng)在設(shè)計懸架幾何模型時考慮到后期實驗制作過程中可以避免的一些問題，如叉臂夾角的大小，方便粘接時涂膠水操作；叉臂長度，盡量避免使用太長碳纖維管等等。通過對碳纖維懸架與4130鋼管普通懸架測重，可以得到用4130普通鋼管制作的前懸架重量為1.32kg，而用碳纖維復(fù)合材料與鋁合金接頭制作的前懸架重量為0.67kg，數(shù)據(jù)顯示新材料的運用讓整個懸架輕了一半的重量，在保證懸架性能的情況下很好地實現(xiàn)了懸架輕量化。

參考文獻

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