一种方程式赛车碳纤维悬架及其粘接工艺

左益芳 代 萍 唐若瑜

(西华大学汽车与交通学院 四川 成都 610039)

一种方程式赛车碳纤维悬架及其粘接工艺

左益芳 代 萍 唐若瑜

(西华大学汽车与交通学院 四川 成都 610039)

新型复合材料在方程式赛车上使用的情况越来越广泛，它们的使用可以减轻整车质量以提高整车的操纵性和动力性。文章通过理论与实验相结合，描述了方程式赛车碳纤维悬架设计与制作过程，并且得到相应的实验数据，为改进悬架设计及材料使用提供了理论依据与实验数据。讲诉了一种方程式赛车碳纤维悬架及其粘接工艺，大大减轻了赛车的簧下质量，提高了赛车的加速性和燃油经济性，降低了运营成本和二氧化碳的排放；提高了悬架系统刚度和安全性；减少了修理时间和成本，提高了赛车的操纵稳定性。

FSC 赛车；粘接方法；碳纤维悬架；拉伸和扭转试验

1 粘接方式

碳纤维悬架杆在该系统中作为主要承力部件,由于主要受力方向是沿轴的方向,因此采用了套接的连接方式,将碳纤维管套接与铝制接头上。此种粘接方式的优势在于碳纤维材料主要强度方向于粘接受力方向一致,可以充分利用碳纤维材料的强度;粘接面积大,形式简单,易于操作,可靠性高,受力状况好。

2 技术方案

一种方程式赛车碳纤维悬架，包括用于连接轮胎的立柱，立柱内侧通过导向机构与车架连接，所述导向机构包括上横臂、下横臂、推杆和摇臂；上横臂和下横臂的远端铰接在立柱上，近端用于与车架连接；推杆的远端与下横臂的远端铰接，推杆的近端向上倾斜延伸并连接到摇臂；还包括横向稳定杆，横向稳定杆两端各固定连接一个摆臂，两摆臂分别通过稳定杆连接杆连接到左右两侧导向机构的摇臂上；所述上横臂、下横臂、推杆和稳定杆连接杆均由碳纤维管及其端部的金属连接件构成。

所述金属连接件包括套装并粘接在碳纤维管端部内壁的金属接头，金属接头上固定连接有关节轴承；所述摆臂沿垂直车轴的方向排布多个用于与稳定杆连接杆铰接的铰接点；所述横向稳定杆采用弹性元件4130钢管。

一种方程式赛车碳纤维悬架的粘接工艺，包括：

(1)用砂纸打磨碳纤维管内壁的粘接面(由于目前碳纤维管内表面机械方法处理困难，因此，碳纤维管内表面的粘接面只能手工打磨。碳纤维管内壁打磨程度对粘接影响很大，碳纤维管内壁覆有树脂层，最好的粘接状态是胶水和碳纤维布结合而不是树脂，因此需要将这层树脂打磨掉。手工打磨很难判断是否已经打磨到位，本实施例采用化学上的“破水法”来解决，即将打磨好的碳纤维管缓缓放入水中再取出，若打磨面附着的水既不聚成水滴，也不成股流下，证明树脂层已打磨完全。)；

(2)用丙酮清洗碳纤维管粘接面和金属接头；

(3)将胶水均匀涂抹在碳纤维管一端的粘接面上，再插入金属接头使其与粘接面紧密贴合，并将粘接端朝下，静止4～6小时至胶水固化；

(4)用步骤3的方法粘接碳纤维管另一端的金属接头。

采用7075-T6铝棒加工接头，其中下部的柱体为粘接部，用于套装进碳纤维管的端部，本实施例中，用于上横臂接头的粘接部的长度为140mm，直径为40mm，用于下横臂粘接头的粘接部的长度为170mm，直径为40mm。

由于杆件两端铝合金接头通过球铰与车架和立柱连接，杆件为二力杆结构，因此杆件受拉力或者压力，为保证粘接牢固，粘接前需要对接头粘接面进行粗打磨。

铝制接头的外缘表面处理：考虑到外缘表面处理对胶层的影响，特设计了滚花，环形槽，光面三种接头。

所述胶水采用3MDP460NS环氧树脂胶水，胶水涂抹的厚度为0.2mm(接头长度按L=(0.8D+6)计算得到,胶层厚度控制在0.2±0.02mm)；所述步骤1之后还包括对打磨效果的检验，具体方法为：将碳纤维管缓缓放入水中再取出，若打磨面附着的水既不聚成水滴，也不成股流下，则打磨完成。

3 拉伸和扭转实验

采用10T拉伸试验机和500KN扭转试验机对粘接完的碳纤维管进行拉伸和扭转实验。实验平均拉力能达到40KN，满足悬架所有杆件使用要求。在此基础上对胶水厚度在进行细分，并进行实验，以探究最佳胶水厚度。经过多次实验，胶水厚度为0.2mm左右时，碳纤维管承受拉力效果最佳，试验力-位移曲线图如图1所示。

4 结论

碳纤维悬架大大减轻了赛车的簧下质量，提高了赛车的加速性和燃油经济性，降低了运营成本和二氧化碳的排放；提高了悬架系统刚度和安全性；减少了修理时间和成本，提高了赛车的操纵稳定性。但是还存在几个问题：第一，打磨碳纤维管与接头的程度以及 胶层均匀程度很难控制；第二，很难保证粘接之后的同轴度，这样会 导致悬架叉臂硬点变化影响整车性能；第三，两个接头从两端旋入时，碳纤维管内是一个密闭空间，容易对接头产生往外推理，从而导致误差。在接下来的碳纤维叉臂粘接过程中，可以通过尽量用废旧材料练习打磨手艺，做一个悬架几何的定位夹具，以及在碳纤维管上面开排气孔的方式尽可能避免以上几个问题。

[1] 王伟臣，郝益华，黄浦淳．碳纤维和铝合金的粘接技术[J]．中国科技纵横.2014(5)：52-53.

[2] 李艳，张大成．FSC 赛车碳纤维悬架设计与制作[J]．科技创新与应用．2015(20)：22.

[3] 张海鹏，韩忠浩．FSC赛车碳纤维悬架铝制接头设计与粘接方法研究[J].汽车实用技术.2015(12):42-45

[4] 左益芳，江源波 ．一种方程式赛车碳纤维悬架[P]．中国专利：201620241863.2，2016-03-28.

U469.5

A

1672-5832(2016)07-0293-01