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(shù)據(jù)，為改進懸架設計及材料使用提供了理論依據(jù)與實驗數(shù)據(jù)。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(jīng)濟性，降低了運營成本和二氧化碳的排放；提高了懸架系統(tǒng)剛度和安全性；減少了修理時間和成本，提高了賽車的操縱穩(wěn)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(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(wěn)定桿，橫向穩(wěn)定桿兩端各固定連接一個擺臂，兩擺臂分別通過穩(wěn)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(wěn)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(jié)軸承；所述擺臂沿垂直車軸的方向排布多個用于與穩(wěn)定桿連接桿鉸接的鉸接點；所述橫向穩(wěn)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(tài)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(jīng)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(huán)形槽，光面三種接頭。

所述膠水采用3MDP460NS環(huán)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(jīng)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(jīng)濟性，降低了運營成本和二氧化碳的排放；提高了懸架系統(tǒng)剛度和安全性；減少了修理時間和成本，提高了賽車的操縱穩(wěn)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(chǎn)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(chuàng)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