環氧樹脂膠粘合轉動軸對汽車側傾穩定性影響研究

張曉偉

摘要：當車輛受到側向力作用時，可能會出現側傾現象，影響行車安全。影響汽車側傾穩定性的因素很多，其中轉動軸的性能是影響汽車側傾穩定性的主要因素之一。環氧樹脂膠具有穩定性強、耐腐蝕性好、粘接性強等優點被廣泛應用于工程領域。將環氧樹脂膠用于粘合的汽車的軸轉，有利于提高汽車側傾的穩定性。文章介紹了環氧樹脂膠粘合轉動軸的性能及優勢，并探究了這種轉動軸對汽車側傾穩定性的影響，結果表明環氧樹脂膠粘合的轉動軸能夠顯著提高汽車側傾的穩定性。

關鍵詞：環氧樹脂膠;轉動軸;汽車;側傾穩定性

中圖分類號：T0433.4⁺37 文獻標識碼：A 文文章編號：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，其中轉動軸穩定性與側傾運動是控制小汽車行駛安全的主要因素。如果轉動軸喪失穩定性，那么汽車將會失去轉向能力甚至會產生激烈回轉，從而導致汽車失去穩定性引起側翻。因此，如何提高汽車側傾穩定性是保障行車安全的關鍵。為了滿足工程應用需求，具有優異性能的環氧樹脂膠被發現并用于汽車制造中改善汽車穩定性，汽車轉動軸的粘合過程就是提高汽車穩定性的主要應用之一。

1環氧樹脂膠粘合轉動軸的結構性質

1.1環氧樹脂膠粘合技術及性質

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，環氧樹脂膠粘劑是其中粘接性能特別優異的一種。這種膠粘劑不僅是航天等高端科技產品上必不可少的粘合材料，在工程上的各個領域都有應用。例如，在汽車工業上環氧樹脂膠粘劑被運用到轉動軸的粘合上，可以提高汽車側傾穩定性。

用于汽車轉動軸粘合的環氧樹脂膠粘合技術具有如下特點。

1）粘合性能優良;環氧樹脂膠對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。

3）耐溫性能好，固化所需的時間很短，能夠滿足工業需求。

4）膠粘劑的使用方法簡單，制備工藝也很成熟，生產成本較低。

5）屬于非電解質，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在粘合的界面處形成原電池結構導致加快金屬的腐蝕，減少材料的使用壽命。而環氧樹脂膠是有機物，不屬于電解質，不能與界面處的金屬材料形成“電池”結構，因此能夠保護材料，增加材料的使用壽命。

1.2環氧樹脂膠黏劑的蠕變特性

高分子材料環氧樹脂表面帶有含有環氧官能團，催化劑可以通過催化該環氧基團之間發生縮聚反應，而產生液態的環氧樹脂膠粘劑。蠕變時指材料在恒溫恒壓條件下隨著時間的流逝而產生形變的現象，當環氧樹脂膠長期處于濕熱環境中時也會發生一定的蠕變。雖然該膠粘劑粘合l生能優良、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，但是其所應用的工程領域環境惡劣，長時間處于這種環境當中，依然會面臨蠕變的現象。因此，即使在汽車的轉動軸的粘合中使用了環氧樹脂膠粘劑，依然需要對汽車轉動軸進行維護，防止因膠粘劑的蠕變而導致轉動軸的損耗。

1.3環氧樹脂膠黏劑的粘合失效

隨著工業化的發展，膠粘劑被普遍應用于工業生產中。而在膠粘劑的使用中有時會產生粘合失效的問題，因此我們需要對粘接結構有所了解，以便更好地了解環氧樹脂膠粘合轉動軸的性能。如下圖1所示為膠粘劑對材料進行粘合時可能發生粘合失效的方式：

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生分離。出現（a）中所示的粘合失效是由于被粘接材料的強度強于粘合界面處的黏附強度。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，而粘合劑的結構發生斷裂。出現這種情況的原因是在粘合過程中產生了氣泡或者有雜質混人到膠粘劑中，使得粘合層的黏附強度變小，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，也可能是由于被粘合的界面強度與膠粘劑黏附的強度大小相近。

利用環氧樹脂膠粘劑粘合的汽車轉動軸中，不論出現上述三中粘合失效中的哪一種，都會對轉動軸的性能造成影響，使轉動軸失去控制從而增加汽車側傾的風險。

2環氧樹脂膠粘合轉動軸對汽車側傾穩定性的影響

2.1汽車發生側傾現象的原因

當汽車受到橫向作用力時，會產生橫向加速度，此時汽車行駛會發生偏轉，是路面與輪胎之間的作用力發生改變，若此時轉動軸不夠靈敏，就會發生側傾現象。保持汽車側傾穩定性的方法很多，例如彎路設計時可以盡量增加彎曲道路的半徑，人在控制車輛轉彎時盡量降低車速，還可以通過在汽車上安裝防抱死系統等等。而本文提出一種通過選擇性能更加優異的轉動軸一環氧樹脂膠粘合轉動軸來提高轉動軸的靈敏度，從提高汽車側傾穩定性的方法。

汽車發生側傾而導致的行車事故可以分為側滑和側翻兩種。下面分別解釋汽車產生側滑或側翻的原因。如圖2所示為汽車發生側滑時的軌跡示意圖。當人在駕駛汽車高速通過彎道或者進行超車時，會產生橫向作用力，而導致車輪偏離行駛方向，就會出現圖2所示的兩種情況，不足轉向和過度轉向。如果汽車使用環氧樹脂粘合的轉動軸，則可以使汽車帶有穩定控制系統，沿著期望的軌跡運行，使汽車偏轉角度變小，減少事故的發生。

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

2.2汽車側傾穩定性研究模型

為了能夠直觀地分析汽車側傾穩定性以便后面對環氧樹脂粘合轉動軸進行設計和研究，我們設計了如圖4所示的汽車側傾穩定性模型。如圖所示，我們將汽車的質心設為坐標原點，汽車車身方向為x軸，橫向方向為y軸，與x，y平面垂直的為z軸。

根據D'Alemben定理，作用于一個物體的外力與動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生的力矩和汽車受到外力作用時的力矩之在數值上相等。

為了更好地幫助理解圖4所表達的模型以及上述公式，我們對模型中的各個參數進行了定義，如下表1所示。

2.3基于環氧樹脂粘合轉動軸的汽車側傾穩定性仿真實驗

為了證明環氧樹脂粘合轉動軸對汽車側傾穩定性提高的效果，以真實汽車作為研究模型，對該汽車進行了側傾穩定性的仿真實驗。下面是我們所作仿真實驗的結果，如圖5和6所示。

實驗條件：路面附著系數為0.88，汽車由速度為0km/h加速到速度為90km/h，且駕駛員連續轉換汽車行駛方向。而汽車轉動軸是隨汽車方向盤的轉動而轉動的，因此通過對方向盤轉角的控制也是對汽車轉動軸的控制。如圖5所示為汽車方向盤轉角與時間的關系曲線圖，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。

我們對基于環氧樹脂粘合轉動軸的汽車側傾穩定性進一步進行仿真實驗，得到的結果如圖6所示。實驗結果可知，當對系統不施加控制時，相軌跡穩定在固定范圍之內，擺角速度具有過度轉向性。當車輛進行橫擺運動時，實驗結果的橫擺值穩定在參考值附近。圖6（3）可知，施加控制對車輛側傾運動有一定的作用效果，提高了車輛的側傾穩定性。圖6（4）表示的時當車輛發生側傾時，側傾預警時間的變化曲線，由圖可知，當預警時間為13-14.5s和17.8-19s時，側傾穩定在一定范圍內，表示車輛的正常側傾穩定性受到威脅。

圖6（5）表示當施加控制的情況，圖中數字分別代表不同的控制模式，具體如下，1表示橫擺控制，2表示側傾控制，3表示橫擺和側傾的綜合控制，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有關，當預警時間小于閾值時，車輛控制方式為方式3，其它時間處于方式1控制。圖6（6）表示縱向車速變化曲線，由圖可知，當車輛處于控制器控制時車速波動變化較小，因此，此時車輛的狀態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時前輪轉角和輪胎制動力的曲線，控制方式變化時，前輪轉角和輪胎制動力變換緩慢，滿足機械意義的安全約束。仿真結果表明，車輛正常運行時，基于環氧樹脂膠粘合的轉動軸能夠滿足機械意義的安全約束，切換車輛控制方式能有效的、保證車輛橫擺和側傾的穩定性。

3結語

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