環(huán)氧樹脂膠粘合轉(zhuǎn)動(dòng)軸對(duì)汽車側(cè)傾穩(wěn)定性影響研究

張曉偉

摘要：當(dāng)車輛受到側(cè)向力作用時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)側(cè)傾現(xiàn)象，影響行車安全。影響汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的因素很多，其中轉(zhuǎn)動(dòng)軸的性能是影響汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的主要因素之一。環(huán)氧樹脂膠具有穩(wěn)定性強(qiáng)、耐腐蝕性好、粘接性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。將環(huán)氧樹脂膠用于粘合的汽車的軸轉(zhuǎn)，有利于提高汽車側(cè)傾的穩(wěn)定性。文章介紹了環(huán)氧樹脂膠粘合轉(zhuǎn)動(dòng)軸的性能及優(yōu)勢(shì)，并探究了這種轉(zhuǎn)動(dòng)軸對(duì)汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明環(huán)氧樹脂膠粘合的轉(zhuǎn)動(dòng)軸能夠顯著提高汽車側(cè)傾的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：環(huán)氧樹脂膠;轉(zhuǎn)動(dòng)軸;汽車;側(cè)傾穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：T0433.4⁺37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文文章編號(hào)：1001-5922（2019）09-0066-05

隨著汽車的普遍使用，存在的安全問題也逐漸顯露出來，其中轉(zhuǎn)動(dòng)軸穩(wěn)定性與側(cè)傾運(yùn)動(dòng)是控制小汽車行駛安全的主要因素。如果轉(zhuǎn)動(dòng)軸喪失穩(wěn)定性，那么汽車將會(huì)失去轉(zhuǎn)向能力甚至?xí)a(chǎn)生激烈回轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致汽車失去穩(wěn)定性引起側(cè)翻。因此，如何提高汽車側(cè)傾穩(wěn)定性是保障行車安全的關(guān)鍵。為了滿足工程應(yīng)用需求，具有優(yōu)異性能的環(huán)氧樹脂膠被發(fā)現(xiàn)并用于汽車制造中改善汽車穩(wěn)定性，汽車轉(zhuǎn)動(dòng)軸的粘合過程就是提高汽車穩(wěn)定性的主要應(yīng)用之一。

1環(huán)氧樹脂膠粘合轉(zhuǎn)動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)性質(zhì)

1.1環(huán)氧樹脂膠粘合技術(shù)及性質(zhì)

膠粘劑是一種可以通過自身具有的粘合特性與被粘合材料在界面處產(chǎn)生黏附作用力，從而將不同的材料牢牢地粘合在一起的高分子材料。膠粘劑的種類很多，環(huán)氧樹脂膠粘劑是其中粘接性能特別優(yōu)異的一種。這種膠粘劑不僅是航天等高端科技產(chǎn)品上必不可少的粘合材料，在工程上的各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。例如，在汽車工業(yè)上環(huán)氧樹脂膠粘劑被運(yùn)用到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的粘合上，可以提高汽車側(cè)傾穩(wěn)定性。

用于汽車轉(zhuǎn)動(dòng)軸粘合的環(huán)氧樹脂膠粘合技術(shù)具有如下特點(diǎn)。

1）粘合性能優(yōu)良;環(huán)氧樹脂膠對(duì)各種極性的材料都能夠完美粘合，即使是鎂和鋁這樣的輕質(zhì)金屬也能夠很輕松地被粘合。

2）粘合形成的接頭受力均勻，因此粘合后得到的組合接頭抗擊能力依然很強(qiáng)。

3）耐溫性能好，固化所需的時(shí)間很短，能夠滿足工業(yè)需求。

4）膠粘劑的使用方法簡(jiǎn)單，制備工藝也很成熟，生產(chǎn)成本較低。

5）屬于非電解質(zhì)，能夠起到防止金屬腐蝕的作用。使用其他粘合劑將不同金屬粘接起來會(huì)在粘合的界面處形成原電池結(jié)構(gòu)導(dǎo)致加快金屬的腐蝕，減少材料的使用壽命。而環(huán)氧樹脂膠是有機(jī)物，不屬于電解質(zhì)，不能與界面處的金屬材料形成“電池”結(jié)構(gòu)，因此能夠保護(hù)材料，增加材料的使用壽命。

1.2環(huán)氧樹脂膠黏劑的蠕變特性

高分子材料環(huán)氧樹脂表面帶有含有環(huán)氧官能團(tuán)，催化劑可以通過催化該環(huán)氧基團(tuán)之間發(fā)生縮聚反應(yīng)，而產(chǎn)生液態(tài)的環(huán)氧樹脂膠粘劑。蠕變時(shí)指材料在恒溫恒壓條件下隨著時(shí)間的流逝而產(chǎn)生形變的現(xiàn)象，當(dāng)環(huán)氧樹脂膠長(zhǎng)期處于濕熱環(huán)境中時(shí)也會(huì)發(fā)生一定的蠕變。雖然該膠粘劑粘合l生能優(yōu)良、粘合形成的接頭受力均勻、耐溫陛能好還能起到防止金屬腐蝕的作用，但是其所應(yīng)用的工程領(lǐng)域環(huán)境惡劣，長(zhǎng)時(shí)間處于這種環(huán)境當(dāng)中，依然會(huì)面臨蠕變的現(xiàn)象。因此，即使在汽車的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的粘合中使用了環(huán)氧樹脂膠粘劑，依然需要對(duì)汽車轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行維護(hù)，防止因膠粘劑的蠕變而導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)軸的損耗。

1.3環(huán)氧樹脂膠黏劑的粘合失效

隨著工業(yè)化的發(fā)展，膠粘劑被普遍應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。而在膠粘劑的使用中有時(shí)會(huì)產(chǎn)生粘合失效的問題，因此我們需要對(duì)粘接結(jié)構(gòu)有所了解，以便更好地了解環(huán)氧樹脂膠粘合轉(zhuǎn)動(dòng)軸的性能。如下圖1所示為膠粘劑對(duì)材料進(jìn)行粘合時(shí)可能發(fā)生粘合失效的方式：

如圖1（a）所示為粘合界面處的失效，這種情況下被粘合材料和膠粘劑都沒有被破壞，只是膠粘劑與材料之間發(fā)生分離。出現(xiàn)（a）中所示的粘合失效是由于被粘接材料的強(qiáng)度強(qiáng)于粘合界面處的黏附強(qiáng)度。如圖1（b）所示的失效方式為粘合層失效，由圖（b）可以看出被粘合的材料部分并未受損，而粘合劑的結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂。出現(xiàn)這種情況的原因是在粘合過程中產(chǎn)生了氣泡或者有雜質(zhì)混人到膠粘劑中，使得粘合層的黏附強(qiáng)度變小，而引起膠粘劑開裂。如圖1（c）所示為混合型斷裂失效，從圖中斷裂情況可知在膠粘劑粘合的界面和膠粘劑本身都出現(xiàn)了裂紋，其原因可能是被粘合材料表面不夠干凈，帶有油污或者黏附有雜質(zhì)，也可能是由于被粘合的界面強(qiáng)度與膠粘劑黏附的強(qiáng)度大小相近。

利用環(huán)氧樹脂膠粘劑粘合的汽車轉(zhuǎn)動(dòng)軸中，不論出現(xiàn)上述三中粘合失效中的哪一種，都會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的性能造成影響，使轉(zhuǎn)動(dòng)軸失去控制從而增加汽車側(cè)傾的風(fēng)險(xiǎn)。

2環(huán)氧樹脂膠粘合轉(zhuǎn)動(dòng)軸對(duì)汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的影響

2.1汽車發(fā)生側(cè)傾現(xiàn)象的原因

當(dāng)汽車受到橫向作用力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生橫向加速度，此時(shí)汽車行駛會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，是路面與輪胎之間的作用力發(fā)生改變，若此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)軸不夠靈敏，就會(huì)發(fā)生側(cè)傾現(xiàn)象。保持汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的方法很多，例如彎路設(shè)計(jì)時(shí)可以盡量增加彎曲道路的半徑，人在控制車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)盡量降低車速，還可以通過在汽車上安裝防抱死系統(tǒng)等等。而本文提出一種通過選擇性能更加優(yōu)異的轉(zhuǎn)動(dòng)軸一環(huán)氧樹脂膠粘合轉(zhuǎn)動(dòng)軸來提高轉(zhuǎn)動(dòng)軸的靈敏度，從提高汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的方法。

汽車發(fā)生側(cè)傾而導(dǎo)致的行車事故可以分為側(cè)滑和側(cè)翻兩種。下面分別解釋汽車產(chǎn)生側(cè)滑或側(cè)翻的原因。如圖2所示為汽車發(fā)生側(cè)滑時(shí)的軌跡示意圖。當(dāng)人在駕駛汽車高速通過彎道或者進(jìn)行超車時(shí)，會(huì)產(chǎn)生橫向作用力，而導(dǎo)致車輪偏離行駛方向，就會(huì)出現(xiàn)圖2所示的兩種情況，不足轉(zhuǎn)向和過度轉(zhuǎn)向。如果汽車使用環(huán)氧樹脂粘合的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，則可以使汽車帶有穩(wěn)定控制系統(tǒng)，沿著期望的軌跡運(yùn)行，使汽車偏轉(zhuǎn)角度變小，減少事故的發(fā)生。

汽車發(fā)生側(cè)翻是指汽車一側(cè)的輪胎抬起離開地面，車輛發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如圖3所示為汽車發(fā)生側(cè)翻的示意圖。汽車的側(cè)翻主要包括與汽車與障礙物相撞引起的側(cè)翻和由于駕駛員轉(zhuǎn)向過度使得汽車的橫向加速度過大而導(dǎo)致的側(cè)翻。不論是哪種情況下導(dǎo)致的側(cè)翻都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故，因此加強(qiáng)汽車側(cè)傾穩(wěn)定性是保障汽車行駛安全必不可少的方式。

2.2汽車側(cè)傾穩(wěn)定性研究模型

為了能夠直觀地分析汽車側(cè)傾穩(wěn)定性以便后面對(duì)環(huán)氧樹脂粘合轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖4所示的汽車側(cè)傾穩(wěn)定性模型。如圖所示，我們將汽車的質(zhì)心設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，汽車車身方向?yàn)閤軸，橫向方向?yàn)閥軸，與x，y平面垂直的為z軸。

根據(jù)D'Alemben定理，作用于一個(gè)物體的外力與動(dòng)力的反作用之和等于零。同理，在圖4的模型中，汽車受到的慣性力而產(chǎn)生的力矩和汽車受到外力作用時(shí)的力矩之在數(shù)值上相等。

為了更好地幫助理解圖4所表達(dá)的模型以及上述公式，我們對(duì)模型中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行了定義，如下表1所示。

2.3基于環(huán)氧樹脂粘合轉(zhuǎn)動(dòng)軸的汽車側(cè)傾穩(wěn)定性仿真實(shí)驗(yàn)

為了證明環(huán)氧樹脂粘合轉(zhuǎn)動(dòng)軸對(duì)汽車側(cè)傾穩(wěn)定性提高的效果，以真實(shí)汽車作為研究模型，對(duì)該汽車進(jìn)行了側(cè)傾穩(wěn)定性的仿真實(shí)驗(yàn)。下面是我們所作仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，如圖5和6所示。

實(shí)驗(yàn)條件：路面附著系數(shù)為0.88，汽車由速度為0km/h加速到速度為90km/h，且駕駛員連續(xù)轉(zhuǎn)換汽車行駛方向。而汽車轉(zhuǎn)動(dòng)軸是隨汽車方向盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)的，因此通過對(duì)方向盤轉(zhuǎn)角的控制也是對(duì)汽車轉(zhuǎn)動(dòng)軸的控制。如圖5所示為汽車方向盤轉(zhuǎn)角與時(shí)間的關(guān)系曲線圖，從圖中擬合得到的正弦曲線可以看出，頻率為0.8Hz，最大振幅為1.9rad。

我們對(duì)基于環(huán)氧樹脂粘合轉(zhuǎn)動(dòng)軸的汽車側(cè)傾穩(wěn)定性進(jìn)一步進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)對(duì)系統(tǒng)不施加控制時(shí)，相軌跡穩(wěn)定在固定范圍之內(nèi)，擺角速度具有過度轉(zhuǎn)向性。當(dāng)車輛進(jìn)行橫擺運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的橫擺值穩(wěn)定在參考值附近。圖6（3）可知，施加控制對(duì)車輛側(cè)傾運(yùn)動(dòng)有一定的作用效果，提高了車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性。圖6（4）表示的時(shí)當(dāng)車輛發(fā)生側(cè)傾時(shí)，側(cè)傾預(yù)警時(shí)間的變化曲線，由圖可知，當(dāng)預(yù)警時(shí)間為13-14.5s和17.8-19s時(shí)，側(cè)傾穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，表示車輛的正常側(cè)傾穩(wěn)定性受到威脅。

圖6（5）表示當(dāng)施加控制的情況，圖中數(shù)字分別代表不同的控制模式，具體如下，1表示橫擺控制，2表示側(cè)傾控制，3表示橫擺和側(cè)傾的綜合控制，0表示無控制。由圖中曲線可知，車輛的控制模式與車輛狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)預(yù)警時(shí)間小于閾值時(shí)，車輛控制方式為方式3，其它時(shí)間處于方式1控制。圖6（6）表示縱向車速變化曲線，由圖可知，當(dāng)車輛處于控制器控制時(shí)車速波動(dòng)變化較小，因此，此時(shí)車輛的狀態(tài)是具有良好的舒適性。圖6（7）和6（8）表示的是車輛在有控制和無控制狀態(tài)時(shí)前輪轉(zhuǎn)角和輪胎制動(dòng)力的曲線，控制方式變化時(shí)，前輪轉(zhuǎn)角和輪胎制動(dòng)力變換緩慢，滿足機(jī)械意義的安全約束。仿真結(jié)果表明，車輛正常運(yùn)行時(shí)，基于環(huán)氧樹脂膠粘合的轉(zhuǎn)動(dòng)軸能夠滿足機(jī)械意義的安全約束，切換車輛控制方式能有效的、保證車輛橫擺和側(cè)傾的穩(wěn)定性。

3結(jié)語

影響汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的因素很多，其中轉(zhuǎn)動(dòng)軸的性能是影響汽車側(cè)傾穩(wěn)定性的主要因素之一。將環(huán)氧樹脂膠粘劑用于粘合的汽車的軸轉(zhuǎn)，有利于提高汽車側(cè)傾的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，車輛正常運(yùn)行時(shí)，基于環(huán)氧樹脂膠粘合的轉(zhuǎn)動(dòng)軸能夠滿足機(jī)械意義的安全約束，切換車輛控制方式能有效的保證車輛橫擺和側(cè)傾的穩(wěn)定性。