一種方程式賽車碳纖維懸架及其粘接工藝

左益芳 代 萍 唐若瑜

(西華大學汽車與交通學院 四川 成都 610039)

一種方程式賽車碳纖維懸架及其粘接工藝

左益芳 代 萍 唐若瑜

(西華大學汽車與交通學院 四川 成都 610039)

新型復合材料在方程式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合，描述了方程式賽車碳纖維懸架設計與制作過程，并且得到相應的實驗數據，為改進懸架設計及材料使用提供了理論依據與實驗數據。講訴了一種方程式賽車碳纖維懸架及其粘接工藝，大大減輕了賽車的簧下質量，提高了賽車的加速性和燃油經濟性，降低了運營成本和二氧化碳的排放；提高了懸架系統剛度和安全性；減少了修理時間和成本，提高了賽車的操縱穩定性。

FSC 賽車；粘接方法；碳纖維懸架；拉伸和扭轉試驗

1 粘接方式

碳纖維懸架桿在該系統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。此種粘接方式的優勢在于碳纖維材料主要強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度;粘接面積大,形式簡單,易于操作,可靠性高,受力狀況好。

2 技術方案

一種方程式賽車碳纖維懸架，包括用于連接輪胎的立柱，立柱內側通過導向機構與車架連接，所述導向機構包括上橫臂、下橫臂、推桿和搖臂；上橫臂和下橫臂的遠端鉸接在立柱上，近端用于與車架連接；推桿的遠端與下橫臂的遠端鉸接，推桿的近端向上傾斜延伸并連接到搖臂；還包括橫向穩定桿，橫向穩定桿兩端各固定連接一個擺臂，兩擺臂分別通過穩定桿連接桿連接到左右兩側導向機構的搖臂上；所述上橫臂、下橫臂、推桿和穩定桿連接桿均由碳纖維管及其端部的金屬連接件構成。

所述金屬連接件包括套裝并粘接在碳纖維管端部內壁的金屬接頭，金屬接頭上固定連接有關節軸承；所述擺臂沿垂直車軸的方向排布多個用于與穩定桿連接桿鉸接的鉸接點；所述橫向穩定桿采用彈性元件4130鋼管。

一種方程式賽車碳纖維懸架的粘接工藝，包括：

(1)用砂紙打磨碳纖維管內壁的粘接面(由于目前碳纖維管內表面機械方法處理困難，因此，碳纖維管內表面的粘接面只能手工打磨。碳纖維管內壁打磨程度對粘接影響很大，碳纖維管內壁覆有樹脂層，最好的粘接狀態是膠水和碳纖維布結合而不是樹脂，因此需要將這層樹脂打磨掉。手工打磨很難判斷是否已經打磨到位，本實施例采用化學上的“破水法”來解決，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，用于套裝進碳纖維管的端部，本實施例中，用于上橫臂接頭的粘接部的長度為140mm，直徑為40mm，用于下橫臂粘接頭的粘接部的長度為170mm，直徑為40mm。

由于桿件兩端鋁合金接頭通過球鉸與車架和立柱連接，桿件為二力桿結構，因此桿件受拉力或者壓力，為保證粘接牢固，粘接前需要對接頭粘接面進行粗打磨。

鋁制接頭的外緣表面處理：考慮到外緣表面處理對膠層的影響，特設計了滾花，環形槽，光面三種接頭。

所述膠水采用3MDP460NS環氧樹脂膠水，膠水涂抹的厚度為0.2mm(接頭長度按L=(0.8D+6)計算得到,膠層厚度控制在0.2±0.02mm)；所述步驟1之后還包括對打磨效果的檢驗，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 拉伸和扭轉實驗

采用10T拉伸試驗機和500KN扭轉試驗機對粘接完的碳纖維管進行拉伸和扭轉實驗。實驗平均拉力能達到40KN，滿足懸架所有桿件使用要求。在此基礎上對膠水厚度在進行細分，并進行實驗，以探究最佳膠水厚度。經過多次實驗，膠水厚度為0.2mm左右時，碳纖維管承受拉力效果最佳，試驗力-位移曲線圖如圖1所示。

4 結論

碳纖維懸架大大減輕了賽車的簧下質量，提高了賽車的加速性和燃油經濟性，降低了運營成本和二氧化碳的排放；提高了懸架系統剛度和安全性；減少了修理時間和成本，提高了賽車的操縱穩定性。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，碳纖維管內是一個密閉空間，容易對接頭產生往外推理，從而導致誤差。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。

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[2] 李艷，張大成．FSC 賽車碳纖維懸架設計與制作[J]．科技創新與應用．2015(20)：22.

[3] 張海鵬，韓忠浩．FSC賽車碳纖維懸架鋁制接頭設計與粘接方法研究[J].汽車實用技術.2015(12):42-45

[4] 左益芳，江源波 ．一種方程式賽車碳纖維懸架[P]．中國專利：201620241863.2，2016-03-28.

U469.5

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1672-5832(2016)07-0293-01