碳纖維懸架的設計與制作

劉硯文

摘要：在大學生方程式大賽中，隨著傳統鋼管懸架的沒落，碳纖維及鋁支架等新型的懸架必將代替鋼管懸架。碳纖維懸架與之前的鋼管懸架相比既減輕了質量，又有較高的強度和穩定性。

關鍵詞：碳纖維懸架;大學生方程式;Ansys.

從成本、強度、強量化等綜合因素考慮，碳纖維管及鋁支架等新型懸架勢必將逐步替代鋼管懸架。而隨著各家車隊動力的提高，導向機構強度及穩定性也要隨之提高，必然要求更大程度的輕量化，需要對碳纖維與連、接裝置的連接方式及連接前強度進行設計與分析，以保證碳纖維懸架能滿足方程式賽車使用要求。

一、碳纖維復合材料簡介

碳纖維復合材料一般由碳纖維布和樹脂通過不同的加工工藝制成，相比于傳統的鋼材和塑料，碳纖維材料有以下優點：

（一）較高比量和比強度

該材料單位質量的強度和剛度都遠遠高于鋼等金屬材料，在滿足剛強度條件下使用碳纖維復合材料可以減輕質量近四倍，尤其相對于汽車而言，減少質量是提高燃油經濟性和操縱穩定性的重要途徑。對于賽車，整車質量更是非常重要，尤其是簧下質量，通過降低簧下質量降低輪胎運動慣性，提高懸架動態響應，從而提高整車操穩性和平順性。

（二）材料柔韌度較好

由于樹脂具有較好的流動性，在加工時能隨著加工件表面流動，因而能制造形狀復雜的零部件。

二、碳纖維桿件粘接設計

（一）連接方式與膠粘劑的選擇

在我們進行設計和試驗之前，首先要選擇一種碳纖維管和金屬接頭之間的連接方式，連接方式大致有三種：機械連接、膠粘連接、混合連接。綜合考慮，膠粘連接在低載荷情況下，只要能保證粘接區域加工精度，是可以保證粘接效果的，同時做出來的成品件使用零件較少，質量較輕，制造工序簡單加工成本低，所以我們選用膠粘連接的方法。

DP460粘接劑在使用時，室溫30°C左右60min 內即可以達到使用強度，抗剪切強度可以達到4500 MPa，正常工作溫度范圍為零下55°C到120°C，而且各項性能均滿足賽車的運行工況和使用要求。

（二）碳纖維管和鋁接頭選擇

根據計算的懸架桿件受力情況，以及各種材料的獲取和加工方便性，我們選擇了3K碳纖維纏繞型的碳纖維管材和7075鋁加工的鋁接頭。

選用的碳纖維管規格為外徑18mm，壁厚2mm，由于接頭在實際加工過程中可能存在誤差，或者打磨不均勻造成的粘接歪斜，導致不同軸帶來的影響將導致桿端受力時存在切向分力影響膠粘強度，并且也會影響硬點裝配，導致裝配誤差產生。于是設計時在接頭靠近桿端處設置 0.1mm 的凸臺使其與碳桿過盈配合，這樣可以在碳纖維內壁經過打磨后仍能保持碳纖維管與鋁接頭的同心度，保證了粘接層的均勻性。桿端軸承與鋁接頭通過螺紋連接，內部打成通孔，這樣在可以避免在粘接時空氣被封鎖在管內，進而在膠接層內形成氣泡。通過調整鋁接頭的外徑可以修改粘接層的厚度，調整鋁接頭的長度修改粘接層的長度，接著進行下一步實驗的設計。

（三）正交實驗設計

由于影響膠粘強度的可能性因素有膠水長度、膠水厚度，表面粗糙度，環境溫度等，影響因素比較復雜，在這種實驗情況下我們采用正交實驗法。

1.實驗目的

通過正交實驗的方法，驗證膠水長度與厚度關系，確定碳纖維桿與膠接接頭粘接強度，與仿真數據進行對標，驗證仿真與試驗數據的誤差，并得出最優方案。同時計算懸架桿端許用載荷，與膠粘強度對比，驗證機構可靠性，確定方案可行性。

2.實驗所需材料及器材

1）膠粘劑 DP460

2）若干碳纖維桿件粘接樣品。

3）拉伸實驗機（如圖4.4）

3.實驗流程

1）確定實驗目的，根據膠水長度厚度加工若干實驗鋁接頭

2）準備相同規格的碳纖維管件

3）80 號砂紙輕微打磨膠接接頭及碳纖維管內壁（增大表面粗糙度，增大粘接面積）。

4）重復實驗，記錄所有接頭失效反力峰值并整理出正交實驗數據表格。

三、拉伸仿真

（一）定義 czm 材料

在 workbench 中定義膠水 DP460 材料屬性（如圖4.5），考慮本案例是拉伸脫膠，故采用 modeⅡ分離方式，設置人工阻尼大小為 0.001（此處必須小于自動時間步長），根據 DP 模型材料參數，設置最大滑移應力為 1Mpa。

（二）邊界條件及后處理

導入碳桿及膠接接頭三維模型并選用solid186高階六面體單元劃分網格。在邊界條件中構建膠粘關系。

定義邊界條件，固定碳纖維桿，對接頭施加強迫位移，后處理中輸出強迫位移帶來的反力，以達到模擬拉伸實驗的目的。為驗證膠水厚度對膠接強度的影響，我們分別做了膠水長度 30mm、厚度 0.1/0.2/0.3mm 的仿真，仿真結果如下圖4.7、4.8、4.9所示。其中橫坐標為強迫位移量，縱坐標為位移帶來的膠水反力值。我們通過對比峰值來校核膠粘強度并總結規律，旨在優化接頭設計達到更高的膠粘強度。

四、結論

仿真期間只做了膠水長度30mm，厚度0.1mm、0.2mm、0.3mm的分析，反力峰值分別為33713N、26940N、20761N。根據仿真結果來看膠水在0.1mm厚度是強度最高的，在實驗對標中，厚度選擇上只選擇了0.1/0.2/0.3mm，并沒有繼續增加厚度。實驗結果分別為31948N、24180N、18382.5N。誤差分別為5.5%，11%、12%。仿真數據皆高于實驗數據，考慮到做實驗實際粘接過程中可能存在工藝的問題導致膠水不均勻、產生氣泡等因素而降低了粘接強度，誤差實際上更小。

此次仿真為本車隊做設計提供了巨大的好處，通過仿真數據明白膠水厚度與強度之間關系，因而做實驗時更加注重0.1-0.3的膠水厚度，極大降低了時間及成本，并且通過實驗數據對標，更加驗證了仿真的可靠性與準確性。

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