基于FSEC的碳纖維懸架超聲波優化膠接的研究

劉盛鴻

（武漢理工大學汽車工程學院，湖北 武漢430070）

對于賽車而言，設計懸架的目的是使輪胎工作更加容易且使輪胎行為可預測，讓車手更容易地控制車的運動，懸架應有助于輪胎和地面之間保持良好的固定接觸，使輪胎能夠發揮出最大作用。膠接指一種用粘合劑實現連接和固持的方法，但是膠連接（膠接）質量的控制和膠接強度的分散性大的問題卻一直未得到有效解決。近些年超聲波技術迅猛發展，已經滲透到各個領域，對其的應用與開發達到了較高階段。應用超聲波振動輔助碳纖維復合材料的膠接，設計一套完整、可靠的膠接工藝，可以使碳纖維復合材料接頭的膠接強度得到很大提高，同時改善復合材料在膠接中出現的膠接強度波動大的質量問題。

1 懸架系統設計

1.1 軸距

軸距指前后兩軸中心之間的距離，它的值一定程度上決定了前后軸的載荷分配。

式（1）中：Δm為前后軸載荷轉移量；l為軸距；msm為整車簧上質量；ax為縱向上的加速度；g為重力加速度；h為質心高度。

由式（1）可以看出，在以一定加速度加速或制動工況下，縱向載荷轉移與簧上質量msm、輪距l、質心高度h有關，即在其他參數一定時，加速和制動過程中，軸距較大的車輛通常有更小的載荷轉移。

1.2 輪距

輪距大小會影響車輛轉彎表現。以前軸為例，由式（2）可看出，輪距越大，轉彎時產生橫向載荷轉移越小，反之越大。

式（2）中：ΔmF為前軸發生的載荷轉移量；ay為橫向上的加速度；msm為整車簧上質量；tF為前輪輪距；KφF為前懸架側傾角剛度；H為質心到側傾軸線的距離；KφR為后懸架側傾角剛度；b為質心到后軸水平距離；ZRF為前懸架靜態側傾中心高度；l為軸距。

1.3 懸架結構初步設計

基于往年懸架結構形式以及受力分析，多數懸架結構先保留原設計，具體結構分析與輕量化或強度補強等工作本文不進行討論，僅以加工方式以及材料作為出發點，為今后結構設計提供一定參考。控制臂桿件選用規格為20×2 mm的碳纖維管件，內硬點使用螺紋套筒與控制臂桿件通過焊接相連后再與桿端軸承裝配，這樣可以降低加工時對桿長精度的要求。搖臂選用厚度為4 mm的碳板制成雙剪型結構；輪邊立柱采用7075航空鋁制成，除立柱以外，其余吊耳均設計成便于線切割加工的結構，出于對成本的考慮，盡可能將吊耳結構進行統一，結構與裝配采用往年設計。

2 ADAMS建模

2.1 懸架的評價方法

由上文設計懸架的要求得知，評價懸架主要基于其行駛平順性、操縱穩定性、隔絕噪聲能力等幾方面，但對于賽車而言，工程師的任務就是讓賽車無論是在直線上還是彎道上的速度都盡可能快，則懸架的設計目標是保持操縱穩定性，在加減速或者過彎時對車身運動姿態的控制以及適當衰減振動的能力。

因此本文主要根據汽車操縱穩定性的相關標準，結合大學生方程式大賽動態項目的需求，利用Adams/Car進行懸架kc特性分析以及整車仿真分析。

2.2 前后懸架的建模與仿真

根據懸架幾何，分別測量出各硬點的三維坐標。結合上述建模過程，對前懸架進行建模，并與試驗臺進行裝配。后懸架建模與前懸建模步驟相同。設置好懸架參數后，分別對平行輪跳、反向輪跳、8字繞環實驗等進行運動學仿真。

3 碳纖維在賽車懸架中的應用及實驗

3.1 碳纖維復合材料介紹

碳纖維復合材料是由碳纖維與基體（一般為樹脂）材料通過某種復合方式組合而成的新型材料。碳纖維復合材料不僅保持了原材料的特點，還具有單一材料所沒有的特性。

與塑料或傳統常用的金屬材料相比，有以下優勢：①較高比模量和比強度。單位質量的強度和剛度都遠遠高于金屬材料，在同等受力條件下，使用碳纖維復合材料可以大大減少質量，懸架系統中的桿件很適合使用碳纖維。②很好的材料柔韌度。樹脂由于具有較好的流動性，因而能制造形狀復雜的零部件，并且樹脂著色特性好，生產出的產品可以擁有艷麗的色彩。③優異的減震性。碳纖維復合材料的固有頻率要比其他材料高，可以減少共振時產生的破壞。并且，復合材料的界面特性可以有效地吸收振動時產生的能量。鋼或鋁對碰撞能量的吸收能力只有碳纖維復合材料的1/5左右。④較好的耐疲勞性。碳纖維疲勞裂紋不易擴展，在同等拉伸強度下，金屬材料抗疲勞強度只有碳纖維復合材料的0.5倍左右。⑤成型工藝性好。當制作外形復雜的結構件時，減少不必要的連接，充分利用材料，減少加工時間。

3.2 碳纖維管件連接強度實驗研究

3.2.1 連接方式的選擇

對于懸架而言，拉桿、上下橫臂、轉向拉桿等主要承受拉力的軸式部件都非常適合應用碳纖維復合材料，這樣會大大減少整個懸架系統的質量，同時還能增加強度和剛度。

碳纖維復合材料構件與其他材料連接的方法主要包括機械連接和膠連接。雖然傳統機械連接具有高強度、高可靠性等特點，但其破壞了纖維結構，降低了復合材料的承載極限，并且在連接處附近有較大的應力集中。相比之下，膠接工藝具有不損傷材料本身結構、應力分布均勻、質量輕、成本低和工藝簡單等優點，正逐步取代部分機械連接，應用市場廣泛。

3.2.2 技術路線

在超聲波振動輔助碳纖維復合材料的膠接工藝中，超聲波振動的工藝參數（振動位置、振動時間、振動壓力）對膠接強度有較大影響，因此，要設計方案確立其影響的具體關系：①膠接接頭的受力不同，對膠接強度的受影響情況不同，對其的分析方法也不同。根據膠接接頭的不同受力情況，膠接強度可分為剪切強度、拉伸強度、剝離強度、彎曲強度扭轉強度和疲勞強度等，本項目設計接頭的膠接強度主要指剪切強度，通過測試膠接接頭所能承受的最大的拉伸力，求出剪切強度作為膠接試樣的膠接強度。利用公式τ=F/（2πrl），式中F為最大拉伸力；r為膠接縫隙中面的半徑；l為膠接長度。本項目研究中r和l的參數都相等。因此，試樣所承受的最大拉伸力的變化可以代表試樣的膠接強度的變化。②正交實驗設計。通過查閱文獻，分析數據，篩選出需要考察的因子及水平，如表1所示。

表1 因素水平表

通過Minitab軟件，生成本次正交實驗所需的正交表，其中部分觀測數據如表2所示。

表2 正交實驗方案及部分觀測數據

表2中A、B、C分別代表振動位置、振動時間和振動壓力，1、2、3、4分別對應表1中的實驗條件，得到本次實驗的正交實驗方案。為符合隨機實驗要求，將實驗方案編號，采用抽簽方式進行實驗。為了減小實驗誤差，同時驗證方案的正確性，將此正交實驗重復進行兩次。

根據工藝方案進行分析驗證，并考慮接頭表面狀況等會直接影響最終的膠接強度：①膠接工藝過程。實驗中選用膠水為目前主流的3MDP460膠水。在制作試樣時，將制作的鋁接頭平均分為兩組，即進行表面粗糙化處理和沒有進行表面粗糙化處理兩組，兩組依次使用具有乳化作用的洗滌劑、清水和丙酮將粘膠部位清洗干凈，之后，用膠槍分別在膠接部位涂抹均勻，接著將鋁接頭緩緩旋進碳纖維桿接頭，再將工件整體放置于夾具上定位、夾緊。然后，按照上述實驗順序中超聲波條件參數設定實驗。接下來，調整超聲波振動裝置的氣缸壓力、超聲波工具頭的位置、加載設定時間進行超聲波振動輔助。最后，將工件從定位夾具中取下，常溫放置固化。②拉伸試驗。將固化后的試樣在Zwick材料試驗機對實驗樣品進行拉伸測試并記錄拉伸實驗數據。為更確切說明超聲波振動對碳纖維復合材料懸架膠連接作用，在其他條件相同，不施加超聲波振動的條件下，再進行多組實驗作為對照。③結果與分析。統計拉伸試驗后的數據后，用直觀分析法在與對照組的對比中比較各因子對碳纖維復合材料接頭與鋁接頭膠接強度影響程度，得出超聲波輔助膠接對膠接強度的影響效果，同時得出各因子對膠接強度影響的主次順序。采用方差分析法分析各因子水平變化對指標值顯著與否。最后，得出最理想實驗方案，再用此方案制作試樣進行驗證分析。④制作成品，在實車的使用中測算膠接性能并分析。總結不同方案中的效果優劣，用改良好的方案將碳纖維復合材料接頭與鋁接頭通過超聲波輔助膠接起來，實車檢驗后改進膠接的設計方案以獲得更好的膠接性能。控制臂采用碳纖維材質，其主要起到減重的作用，懸架桿件質量對比如表3所示。

表3 懸架桿件質量對比（單位：kg）

由表3可知，碳纖維懸架較去年鋼制懸架減重21.9%。

4 總結

首先，本文根據中國大學生方程式大賽的比賽項目、規則需求及賽車性能等方面對整車基本參數以及懸架布置形式進行了選取，基于Adams/Car建立了方程式賽車模型，分別對前后懸架了進行運動學仿真，根據往年的結構設計，在確保賽車工況以及受力情況沒有發生太大變化的前提下，利用CATIA軟件初步建立懸架三維模型。其次，研究得出碳纖管粘接強度實驗結果的優選方案為粘接長度30 mm，膠粘劑類型3MDP460，粘接間隙0.5 mm，粘接工藝為好（保證間隙均勻），表面處理為打磨。實驗中涉及的因素對粘接強度影響程度由強到弱的順序為：粘接工藝、表面處理、粘接長度、膠粘劑類型、粘接間隙。將碳纖維成功運用到懸架系統上下叉臂中后，鋼制懸架為4.11 kg，而碳纖維懸架只有3.09 kg，減重比例達到21.9%，為今后賽車工作提供了參考。