碳纖維懸架的設(shè)計與制作

劉硯文

摘要：在大學(xué)生方程式大賽中，隨著傳統(tǒng)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(zhì)量，又有較高的強度和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：碳纖維懸架;大學(xué)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(dǎo)向機構(gòu)強度及穩(wěn)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(shè)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(fù)合材料簡介

碳纖維復(fù)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(tǒng)的鋼材和塑料，碳纖維材料有以下優(yōu)點：

（一）較高比量和比強度

該材料單位質(zhì)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(fù)合材料可以減輕質(zhì)量近四倍，尤其相對于汽車而言，減少質(zhì)量是提高燃油經(jīng)濟性和操縱穩(wěn)定性的重要途徑。對于賽車，整車質(zhì)量更是非常重要，尤其是簧下質(zhì)量，通過降低簧下質(zhì)量降低輪胎運動慣性，提高懸架動態(tài)響應(yīng)，從而提高整車操穩(wěn)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(fù)雜的零部件。

二、碳纖維桿件粘接設(shè)計

（一）連接方式與膠粘劑的選擇

在我們進行設(shè)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(qū)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(zhì)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(nèi)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(jù)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(guī)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(dǎo)致不同軸帶來的影響將導(dǎo)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(dǎo)致裝配誤差產(chǎn)生。于是設(shè)計時在接頭靠近桿端處設(shè)置 0.1mm 的凸臺使其與碳桿過盈配合，這樣可以在碳纖維內(nèi)壁經(jīng)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(nèi)部打成通孔，這樣在可以避免在粘接時空氣被封鎖在管內(nèi)，進而在膠接層內(nèi)形成氣泡。通過調(diào)整鋁接頭的外徑可以修改粘接層的厚度，調(diào)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(shè)計。

（三）正交實驗設(shè)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(huán)境溫度等，影響因素比較復(fù)雜，在這種實驗情況下我們采用正交實驗法。

1.實驗?zāi)康?/p>

通過正交實驗的方法，驗證膠水長度與厚度關(guān)系，確定碳纖維桿與膠接接頭粘接強度，與仿真數(shù)據(jù)進行對標，驗證仿真與試驗數(shù)據(jù)的誤差，并得出最優(yōu)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(gòu)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?zāi)康?，根?jù)膠水長度厚度加工若干實驗鋁接頭

2）準備相同規(guī)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(nèi)壁（增大表面粗糙度，增大粘接面積）。

4）重復(fù)實驗，記錄所有接頭失效反力峰值并整理出正交實驗數(shù)據(jù)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(shè)置人工阻尼大小為 0.001（此處必須小于自動時間步長），根據(jù) DP 模型材料參數(shù)，設(shè)置最大滑移應(yīng)力為 1Mpa。

（二）邊界條件及后處理

導(dǎo)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(wǎng)格。在邊界條件中構(gòu)建膠粘關(guān)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(jié)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(jié)規(guī)律，旨在優(yōu)化接頭設(shè)計達到更高的膠粘強度。

四、結(jié)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(jù)仿真結(jié)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(xù)增加厚度。實驗結(jié)果分別為31948N、24180N、18382.5N。誤差分別為5.5%，11%、12%。仿真數(shù)據(jù)皆高于實驗數(shù)據(jù)，考慮到做實驗實際粘接過程中可能存在工藝的問題導(dǎo)致膠水不均勻、產(chǎn)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(shè)計提供了巨大的好處，通過仿真數(shù)據(jù)明白膠水厚度與強度之間關(guān)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(shù)據(jù)對標，更加驗證了仿真的可靠性與準確性。

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