FSC賽車碳纖維懸架推桿粘接工藝研究

裴天佑 黎國威 徐昂然

（長安大學汽車學院，陜西西安710021）

0 引言

隨著FSC賽事在中國的深入發展，賽車減重已經進入一個新的階段。越來越多的車隊開始關注新型材料，碳纖維復合材料由于具有重量輕、強度高等優點，被廣泛應用于高等級的賽車車身制作上。除了碳纖維懸架的本身性能出眾外，由于其加工過程為冷加工，故變形量小，設計精度得以保證。然而也是因為這種加工方式，其粘接處強度需要經過試驗論證。

本文以長安大學獵風車隊2017賽季賽車為例，從懸架推桿入手研究其粘接工藝，運用控制變量法，選擇其中臨界力數值最大的參數。

1 參數初定

1.1 膠水類型

考慮到懸架推桿主要受到拉、壓應力，無明顯的溫度變化，綜合考慮粘接強度與成本，暫定為3M DP460環氧樹脂膠。

1.2 碳纖維復合材料管規格

參考國內其他車隊的碳纖維復合材料管選取規格，選擇外徑為20 mm、內徑為16 mm的碳纖維樹脂復合材料管。

1.3 粘接長度

理論上說，粘接長度越長越好，但實際操作過程中粘接長度過長，會存在膠水提前固化，受重力影響的膠水分布不均勻等問題，故粘接長度應處于一合理范圍。通過與優秀車隊交流，我們決定首先設定20 mm、25 mm、30 mm三種粘接長度作為粘接長度變量。

1.4 膠層厚度

膠層厚度對粘接處的強度亦有較大影響，由于不知道何種膠層厚度適當，首先選取0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm三種膠層厚度進行研究。

1.5 表面粗糙度

表面粗糙度可以通過控制加工的Ra值來保障，本文選擇Ra3.2、Ra6.3、Ra12.5三種表面粗糙度進行研究。

2 碳纖維拉伸試驗

2.1 初次試驗

2.1.1 試驗目標

由于表面粗糙度較難控制，故初次試驗目標為在表面粗糙度相同的情況下找出粘接長度和膠層厚度的合理范圍。

2.1.2 試驗設計

控制接頭粗糙度為Ra6.3，方法為數控車床調整相同的轉速和吃刀量。然后，將碳纖維試件與接頭按照設計的不同變量梯度粘接好，一共分為9組。為防止試驗的偶然誤差，每組包含9個試件。

利用學校萬能材料試驗機進行拉伸試驗，各組剔除明顯不符合規律的數據后，計算平均數并記錄，如表1所示。

表1 初次試驗結果

2.1.3 試驗結論

經過初次試驗，初步確定了膠層的厚度和粘接長度這兩個要素的范圍，確認長度在25 mm附近，膠層厚度在0.2 mm附近，并以此范圍進行二次試驗，引入了表面粗糙度這個變量。

2.2 二次試驗

由于表面粗糙度要求越高，加工中主軸轉速越高，存在主軸躥動以及刀具震動造成表面粗糙度控制不當的風險，故采用車削加工中滾花刀的進刀量來控制。首先將各接頭粘接部分表面加工到Ra6.3，而后控制轉速為60 r/min，進刀量分別為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm，設置4組試件，每組試件中包含9個接頭試件。

利用萬能材料試驗機進行拉伸試驗，各組剔除明顯不符合規律的數據后求出平均值并記錄，如表2所示。

表2 二次試驗結果

3 試驗總結

3.1 數據總結

經過兩次試驗，初步確定粘接過程中需要控制粘接長度為25 mm，膠層厚度為0.2 mm，粘接處表面加工時先將其加工至Ra6.3，而后轉速調至60 r/min，滾花刀進刀量設置為0.3 mm，加工其表面。

3.2 試驗待改進之處

首先是在一些失效試件中發現試件膠層分布不均，經分析討論，認為有如下原因：（1）碳纖維管與接頭粘接時不同軸，造成有些地方受擠壓而膠層稀薄；（2）第二個接頭粘接時，造成碳纖維管內部氣壓作用于膠層使其分布不均；（3）涂抹3M DP460時不均勻，并且由于涂抹速度較慢，先前涂抹的膠水受重力影響分布不均。

4 改進試驗

4.1 改進方案

加工20個相同的鋁接頭，設置粘接長度25 mm，膠層厚度0.2 mm，粘接處表面采用滾花刀加工，滾花刀進刀量設置為0.3 mm。

將碳纖維管中央打出一個直徑為1 mm的孔，然后利用車床的三爪卡盤和刀具架，利用數控車床對中程序，將接頭與碳纖維管結合。

4.2 試驗參數設置

在2017賽季方程式用車上安裝懸架線位移傳感器，并進行實車試驗，采集出各種工況下懸架壓縮量和拉伸量（圖1），根據胡克定律以及運動學定理計算出實際情況下懸架推桿受力最大值為3.1 kN。

利用萬能材料試驗機，選取安全系數分別為5、6、7、8，計算相應拉力數值，進行碳纖維試件的拉伸試驗。每組試件50個，統計失效試件的個數，并記錄試驗結果。

圖1 懸架線位移傳感器數據處理

4.3 試驗結果

試驗結果如表3所示。

表3 改進后試驗結果

4.4 試驗結論

當安全系數為8時，拉應力為24.8 kN，此時失效概率為8%，排除偶然誤差影響后符合預期要求，故該改進方法有效且適用。

5 結論

根據上述試驗，得出的粘接工藝流程如下：（1）使用酒精棉簽沾取體積分數75%的醫用酒精清理碳纖維內管壁，然后陰干使其自然蒸發；（2）將3M DP460膠水打入膠套中，然后用鋁制接頭均勻沾取；（3）將碳纖維管夾至刀具架上，將鋁制接頭用三爪卡盤固定好，然后利用數控車床對中性能開始結合；（4）結合后的管件，放置于陰涼處靜置2.5 h。

[1]李艷，張大成，覃文峰，等.FSC賽車碳纖維懸架設計與制作[J].科技創新與應用，2015（20）：22-23.

[2]張海鵬，韓忠浩，李剛，等.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）：43-45.