裴天佑 黎國(guó)威 徐昂然

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西西安710021）

0 引言

隨著FSC賽事在中國(guó)的深入發(fā)展，賽車減重已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的階段。越來越多的車隊(duì)開始關(guān)注新型材料，碳纖維復(fù)合材料由于具有重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高等級(jí)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(shè)計(jì)精度得以保證。然而也是因?yàn)檫@種加工方式，其粘接處強(qiáng)度需要經(jīng)過試驗(yàn)論證。

本文以長(zhǎng)安大學(xué)獵風(fēng)車隊(duì)2017賽季賽車為例，從懸架推桿入手研究其粘接工藝，運(yùn)用控制變量法，選擇其中臨界力數(shù)值最大的參數(shù)。

1 參數(shù)初定

1.1 膠水類型

考慮到懸架推桿主要受到拉、壓應(yīng)力，無明顯的溫度變化，綜合考慮粘接強(qiáng)度與成本，暫定為3M DP460環(huán)氧樹脂膠。

1.2 碳纖維復(fù)合材料管規(guī)格

參考國(guó)內(nèi)其他車隊(duì)的碳纖維復(fù)合材料管選取規(guī)格，選擇外徑為20 mm、內(nèi)徑為16 mm的碳纖維樹脂復(fù)合材料管。

1.3 粘接長(zhǎng)度

理論上說，粘接長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好，但實(shí)際操作過程中粘接長(zhǎng)度過長(zhǎng)，會(huì)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(zhǎng)度應(yīng)處于一合理范圍。通過與優(yōu)秀車隊(duì)交流，我們決定首先設(shè)定20 mm、25 mm、30 mm三種粘接長(zhǎng)度作為粘接長(zhǎng)度變量。

1.4 膠層厚度

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

2 碳纖維拉伸試驗(yàn)

2.1 初次試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

由于表面粗糙度較難控制，故初次試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為在表面粗糙度相同的情況下找出粘接長(zhǎng)度和膠層厚度的合理范圍。

2.1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

控制接頭粗糙度為Ra6.3，方法為數(shù)控車床調(diào)整相同的轉(zhuǎn)速和吃刀量。然后，將碳纖維試件與接頭按照設(shè)計(jì)的不同變量梯度粘接好，一共分為9組。為防止試驗(yàn)的偶然誤差，每組包含9個(gè)試件。

利用學(xué)校萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，各組剔除明顯不符合規(guī)律的數(shù)據(jù)后，計(jì)算平均數(shù)并記錄，如表1所示。

表1 初次試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過初次試驗(yàn)，初步確定了膠層的厚度和粘接長(zhǎng)度這兩個(gè)要素的范圍，確認(rèn)長(zhǎng)度在25 mm附近，膠層厚度在0.2 mm附近，并以此范圍進(jìn)行二次試驗(yàn)，引入了表面粗糙度這個(gè)變量。

2.2 二次試驗(yàn)

由于表面粗糙度要求越高，加工中主軸轉(zhuǎn)速越高，存在主軸躥動(dòng)以及刀具震動(dòng)造成表面粗糙度控制不當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，故采用車削加工中滾花刀的進(jìn)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(zhuǎn)速為60 r/min，進(jìn)刀量分別為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm，設(shè)置4組試件，每組試件中包含9個(gè)接頭試件。

利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，各組剔除明顯不符合規(guī)律的數(shù)據(jù)后求出平均值并記錄，如表2所示。

表2 二次試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)總結(jié)

3.1 數(shù)據(jù)總結(jié)

經(jīng)過兩次試驗(yàn)，初步確定粘接過程中需要控制粘接長(zhǎng)度為25 mm，膠層厚度為0.2 mm，粘接處表面加工時(shí)先將其加工至Ra6.3，而后轉(zhuǎn)速調(diào)至60 r/min，滾花刀進(jìn)刀量設(shè)置為0.3 mm，加工其表面。

3.2 試驗(yàn)待改進(jìn)之處

首先是在一些失效試件中發(fā)現(xiàn)試件膠層分布不均，經(jīng)分析討論，認(rèn)為有如下原因：（1）碳纖維管與接頭粘接時(shí)不同軸，造成有些地方受擠壓而膠層稀?。唬?）第二個(gè)接頭粘接時(shí)，造成碳纖維管內(nèi)部氣壓作用于膠層使其分布不均；（3）涂抹3M DP460時(shí)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(jìn)試驗(yàn)

4.1 改進(jìn)方案

加工20個(gè)相同的鋁接頭，設(shè)置粘接長(zhǎng)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(jìn)刀量設(shè)置為0.3 mm。

將碳纖維管中央打出一個(gè)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(shù)控車床對(duì)中程序，將接頭與碳纖維管結(jié)合。

4.2 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

在2017賽季方程式用車上安裝懸架線位移傳感器，并進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，采集出各種工況下懸架壓縮量和拉伸量（圖1），根據(jù)胡克定律以及運(yùn)動(dòng)學(xué)定理計(jì)算出實(shí)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(yàn)機(jī)，選取安全系數(shù)分別為5、6、7、8，計(jì)算相應(yīng)拉力數(shù)值，進(jìn)行碳纖維試件的拉伸試驗(yàn)。每組試件50個(gè)，統(tǒng)計(jì)失效試件的個(gè)數(shù)，并記錄試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 懸架線位移傳感器數(shù)據(jù)處理

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 改進(jìn)后試驗(yàn)結(jié)果

4.4 試驗(yàn)結(jié)論

當(dāng)安全系數(shù)為8時(shí)，拉應(yīng)力為24.8 kN，此時(shí)失效概率為8%，排除偶然誤差影響后符合預(yù)期要求，故該改進(jìn)方法有效且適用。

5 結(jié)論

根據(jù)上述試驗(yàn)，得出的粘接工藝流程如下：（1）使用酒精棉簽沾取體積分?jǐn)?shù)75%的醫(yī)用酒精清理碳纖維內(nèi)管壁，然后陰干使其自然蒸發(fā)；（2）將3M DP460膠水打入膠套中，然后用鋁制接頭均勻沾?。唬?）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(shù)控車床對(duì)中性能開始結(jié)合；（4）結(jié)合后的管件，放置于陰涼處?kù)o置2.5 h。

[1]李艷，張大成，覃文峰，等.FSC賽車碳纖維懸架設(shè)計(jì)與制作[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)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(shè)計(jì)與粘接方法研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2015（12）：43-45.