FSC賽車碳纖維懸架粘接工藝及安裝定位研究

王茂美，孔曉林，牛雅麗

FSC賽車碳纖維懸架粘接工藝及安裝定位研究

王茂美，孔曉林，牛雅麗

（北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京 100176）

FSC賽車懸架導(dǎo)向機(jī)構(gòu)中碳纖維和鋁合金的粘接工藝是研究重點(diǎn)。試驗(yàn)中通過自主研發(fā)兩套夾具保證了碳纖維管和鋁合金接頭同心度以及碳纖維管在賽車上的安裝精度要求，利用粘接件的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定碳纖維與鋁制接頭粘接強(qiáng)度。通過不同的膠層粘接厚度的破壞性力學(xué)實(shí)驗(yàn)，證明利用美國3M公司的DP460環(huán)氧膠可以使碳纖維和鋁合金的粘接強(qiáng)度達(dá)30 kN以上，完全滿足賽車碳纖維懸架30 kN抗拉強(qiáng)度的要求。

同心度；粘接工藝；安裝精度；套接

引言

輕量化設(shè)計是當(dāng)前中國大學(xué)生方程式汽車大賽（簡稱“中國FSC”）研究的方向和熱點(diǎn)，新型材料碳纖維具有強(qiáng)度高、模量高、密度低、耐疲勞性好、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性好等優(yōu)勢，碳纖維抗拉強(qiáng)度約為鋼材的10倍，因此被廣泛應(yīng)用于FSC方程式賽車懸架機(jī)構(gòu)，并成為一種趨勢。碳纖維管與鋁合金接頭的粘接是技術(shù)難點(diǎn)，碳纖維管在賽車上的安裝定位是關(guān)鍵技術(shù)。

國內(nèi)外均有關(guān)于碳纖維與鋁合金粘接的研究，并能達(dá)到較好的粘接強(qiáng)度，但是在保證碳纖維管與鋁合金接頭粘接安裝時的同心度和鋁合金接頭表面與碳纖維管內(nèi)表面間膠層厚度的均勻性方面并沒有提供很科學(xué)的方法。碳纖維管在賽車上的定位精確性的保證方面也沒有資料可參考。

因此本文在前人研究的基礎(chǔ)上，汲取精華，選用更加科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、實(shí)效的碳纖維和鋁合金粘接工藝，自主研發(fā)兩套夾具保證碳纖維管和鋁合金接頭同心度以及碳纖維管在賽車上的安裝精度要求，利用粘接件的拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定碳纖維與鋁制接頭粘接強(qiáng)度，并選用最優(yōu)方案應(yīng)用在不等長雙橫臂結(jié)構(gòu)的FSC方程式賽車上，通過了多次路試和比賽的考驗(yàn)。進(jìn)一步發(fā)掘了碳纖維復(fù)合材料在汽車懸架上的應(yīng)用，節(jié)省了成本[1]。

1 粘接方式及強(qiáng)度分析

經(jīng)過分析和研究碳纖維和鋁合金粘接的成功經(jīng)驗(yàn)，決定采用套接的連接方式，即將碳纖維管套接在鋁合金接頭上，并用特定材料的膠將兩者牢靠地粘在一起。此種方式粘接面積大，形式簡單，易于操作，可靠性高，受力狀況好。但是只有保證碳纖維管和鋁合金接頭安裝精度及同心度，以及鋁合金接頭表面與碳纖維管內(nèi)表面間膠層厚度的均勻性才能保證粘接的強(qiáng)度和抗拉伸能力。

通常情況下，F(xiàn)SC方程式賽車懸架桿件受力為2 000 N～3 000 N。碳纖維懸架的制作可以達(dá)到賽車輕量化目的，但碳纖維懸架存在粘接效果不穩(wěn)定、疲勞、練車路況差等問題。近年來由于碳纖維粘結(jié)工藝的提升，可使碳纖維懸架承受最大達(dá)25 kN的拉力。參考其他成功使用碳纖維懸架的車隊試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終決定此次試驗(yàn)的粘接抗拉強(qiáng)度要達(dá)到30 kN[1]。

2 試驗(yàn)材料選擇

總結(jié)前人碳纖維懸架和鋁制接頭粘接的經(jīng)驗(yàn)，并與參加中國FSC的兄弟院校進(jìn)行溝通和交流，還考慮到制作過程中的經(jīng)濟(jì)與實(shí)效性，最終決定采用DP460環(huán)氧膠，丙酮清洗劑，膠槍，若干碳纖維管，不同規(guī)格粘接頭，240水磨砂紙，包裹砂紙鋼管，橡膠手套，工業(yè)紙巾等材料。

圖1 實(shí)驗(yàn)材料

2.1 DP460環(huán)氧膠粘接劑

通常所說的碳纖維是指碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，是用很多碳纖維，按照一定的方向排布，然后用樹脂或者其他黏合材料緊密地連接成一體，纖維和樹脂共同組成了纖維復(fù)合材料?；w樹脂與膠粘劑主體樹脂的相容性直接影響粘接的界面結(jié)構(gòu)與性能。對于碳纖維復(fù)合材料和鋁合金接頭的粘接，需要選用匹配的粘接劑，否則很容易發(fā)生脫粘，界面分離[2]。

碳纖維和鋁合金的粘接常用改性環(huán)氧樹脂，可得到較高的粘結(jié)強(qiáng)度，本次試驗(yàn)采用美國3M公司的DP460環(huán)氧膠作為鋁合金和碳纖維材料的膠粘劑，DP460環(huán)氧膠可用于粘接塑料和其他許多不同類型的材料，廣泛應(yīng)用于電子和電器設(shè)備的制造，牢固耐久的結(jié)構(gòu)粘接是DP460環(huán)氧膠的一大亮點(diǎn)，它還可作為細(xì)小縫隙的填充劑，用于塑料和木材表面不流淌?？烧辰虞p微油污的金屬表面，不必表面處理。可替代機(jī)械性或熔接性固定連接，具有持久的粘接力、柔性、抗蠕性和抗熱性，對金屬和塑料類材料的粘接表現(xiàn)相當(dāng)優(yōu)異。

DP460環(huán)氧膠具有高粘度膏體，可方便、受控點(diǎn)膠，不會滴漏、下垂或移位，膠粘接后對產(chǎn)品無污染、點(diǎn)膠后不自化，氣味很小。它是長操作時間的堅韌型環(huán)氧樹脂膠，空隙填補(bǔ)特性能使不夠密合的兩個表面牢固地粘合在一起。DP460環(huán)氧膠可滿足玻璃、電子元件、皮革、塑料類、橡膠類、纖維類、石材類、金屬類、木材以及水泥制品等牢固粘接，更是運(yùn)動器材類產(chǎn)品粘接的不二選擇。

DP460環(huán)氧膠的粘接在室溫固化24小時即可達(dá)到操作強(qiáng)度，48小時完全固化，具有防水、耐溫/耐濕，低釋氣性，耐腐蝕、耐沖擊等特性，可提高產(chǎn)品可靠性。DP460環(huán)氧膠還具有高抗沖擊抗振動性以及強(qiáng)力的剪切和剝離強(qiáng)度，可用于更大的設(shè)計空間、更光潔平整的連接面。利用DP460環(huán)氧膠接碳纖維和鋁合金接頭，有利于材料替換、減少機(jī)械加工、減輕重量、經(jīng)久耐用，還可以降低成本。

2.2 丙酮清洗劑

丙酮清洗劑是一種很好的有機(jī)溶劑，具有良好的洗凈性能，對金屬安全無腐蝕。既具有脂溶性，也具有水溶性。脂溶性會洗掉雜質(zhì)，水溶性會使水溶性的雜質(zhì)洗去。能徹底清除泡沫灰塵等各類污物，可完全替代鹵代烴溶劑、丙酮類溶劑。而且有機(jī)溶劑中丙酮的沸點(diǎn)比較低，容易揮發(fā)掉。一般清洗金屬表面都是用（丙酮）BT清洗劑。去污力強(qiáng)，不傷底材，揮發(fā)快，無殘留，氣味溫和不刺激。

2.3 膠槍

采用美國3M公司的AB膠專用膠槍，適用于2:1和1:1比例的AB型環(huán)氧樹脂膠水，須配合3M雙組份膠混合管一起使用手動打膠，力度操控自如，硬鐵材質(zhì)，精細(xì)打磨，手感好，堅固耐用，是一般塑料膠槍的使用壽命十倍以上。

2.4 碳纖維管

碳纖維管又稱碳素纖維管，也稱碳管、碳纖管，是采用碳纖維復(fù)合材料預(yù)浸入苯乙烯基聚酯樹脂經(jīng)加熱固化拉擠（纏繞）而成。在制作過程中，可以通過不同的模具生產(chǎn)出各種型材，如不同規(guī)格的碳纖維圓管、方管、片材以及其他型材等。

碳纖維管抗拉強(qiáng)度高，是鋼材的6～12倍，可達(dá)到3 000 MPa以上。重量輕，它的密度不到鋼材的1/4，是輕量化賽車的最佳選擇。同鈦、鋼、鋁等金屬材料相比，碳纖維在物理性能上具有強(qiáng)度大、模量高、密度低、線膨脹系數(shù)小等特點(diǎn)，可以稱為新材料之王。

本次試驗(yàn)采用3 k高強(qiáng)度進(jìn)口碳纖維管。

3 夾具制作

3.1 膠粘接夾具制作

碳纖維和鋁合金的粘接簡便、成本比較低，較難控制的是膠接的質(zhì)量。膠接件需要傳遞很高載荷，膠接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，則受力不可靠。目前，國內(nèi)對FSAE碳纖維懸架粘接問題的研究主要是以哈爾濱工業(yè)大學(xué)為代表的通過改變粘膠劑的類型、粘接的長度、粘接間隙、表面處理等因素進(jìn)行改善與研究。雖然取得了一定的進(jìn)步與改進(jìn)，但是由于在碳纖維管與鋁接頭的粘膠過程中人為因素的影響非常大。經(jīng)過重復(fù)性試驗(yàn)后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，便發(fā)現(xiàn)各個試件的粘接強(qiáng)度的差異性很大，并且經(jīng)常會出現(xiàn)粘接強(qiáng)度不符合要求的情況[3]。

為保證膠接質(zhì)量，降低人為因素的影響，保證碳纖維管與鋁合金接頭粘接安裝時的同心度和鋁合金接頭表面與碳纖維管內(nèi)表面間膠層厚度的均勻性，本次試驗(yàn)決定自制一套夾具，如圖2所示。

圖2 自制膠粘接夾具

如圖2(a)所示為試驗(yàn)加工的鋁合金接頭，圖2(b)為同心度夾具，夾具中心半圓柱形溝槽的半徑和碳纖維管的半徑相同，末端溝槽的半徑和鋁合金接頭的半徑相等。再制作兩個半徑與碳纖維管和鋁合金接頭半徑相等的端蓋，通過螺紋連接可以和同心度夾具的兩個溝槽無誤差地匹配。

當(dāng)碳纖維管和鋁合金接頭按照規(guī)定要求涂抹DP460環(huán)氧膠后，利用同心度夾具固定后即可保證碳纖維管與鋁合金接頭的同心度，還能保證兩者中間環(huán)氧膠涂層的厚度均勻。如圖2(c)和圖2(d)所示。

3.2 定位夾具制作

本次試驗(yàn)賽車的前懸架采用雙叉臂式懸架，如何保證兩個鋁合金接頭、一個V型鋁合金接頭和兩根碳纖維管相對安裝位置的精度以及膠接精度和膠層厚度的均勻性，直接影響碳纖維管在賽車上的安裝精度，從而影響賽車性能。人工安裝的方式很難保證精度和要求，于是總結(jié)同心度夾具的制作經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，本次試驗(yàn)自發(fā)研制了一套定位夾具，如圖3所示。

圖3 自制定位夾具

夾具固定在底板上的溝槽內(nèi)，夾具2溝槽半徑等于碳纖維管半徑，夾具1和夾具3溝槽深度保證碳纖維管和鋁合金接頭的同心度。碳纖維管內(nèi)壁和鋁合金接頭涂抹DP460后固定到夾具上，利用螺母扭矩和夾具2的端蓋可保證碳纖維管與鋁合金接頭的相對位置、同心度以及膠層厚度的均勻性。

4 試驗(yàn)步驟

（1）依據(jù)設(shè)計圖紙加工鋁合金接頭。

（2）將碳纖維管切成若干段（每段長度視鋁合金接頭長度而定），并將切口磨平。

（3）用240砂紙將碳纖維管內(nèi)壁的脫膜層抹掉（打磨管內(nèi)壁相對粗糙一點(diǎn)，或手指按著砂紙打磨內(nèi)壁能發(fā)出吱吱響聲即可），用240砂紙將鋁合金接頭粘接部分打磨粗糙，以增加膠水附著力。

（4）用工業(yè)紙巾蘸著丙酮清洗碳纖維管內(nèi)壁的碳纖粉塵以及污漬，清洗鋁合金接頭表面的鋁屑及污漬，避免影響膠水的粘接性能。（清洗前帶上防護(hù)手套，因?yàn)楸哂休p微腐蝕性，清洗后切忌不要用手再去觸摸粘接部位）。

（5）在碳纖維管內(nèi)壁粘接部位涂抹少量DP460環(huán)氧樹脂膠，在鋁合金接頭粘接部位涂上DP460環(huán)氧樹脂膠（第一次試驗(yàn)若擔(dān)心粘接不夠，可以多凃些膠水）。

（6）把涂好的粘接頭慢慢通過旋轉(zhuǎn)方式伸進(jìn)碳纖維管內(nèi)，盡量讓膠與碳纖維管內(nèi)壁完全融合。

（7）粘接好一頭后貼上標(biāo)簽，將接頭朝上豎直放置

（8）放置一天后重復(fù)步驟（3）—（7）粘接另一頭。

（9）將粘接好的試驗(yàn)樣件通過實(shí)驗(yàn)室萬能電子實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計處理。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及圖表分析

（1）長度38 mm，膠膜厚度0.2 mm/0.3 mm數(shù)據(jù)采集。

圖4 長度38 mm、膠膜0.2 mm數(shù)據(jù)

圖5 長度38 mm、膠膜0.3 mm數(shù)據(jù)

（2）長度43 mm，膠膜厚度0.2 mm/0.3 mm數(shù)據(jù)采集。

圖6 長度43 mm、膠膜0.2 mm數(shù)據(jù)

（3）數(shù)據(jù)圖表分析。

表1 數(shù)據(jù)采集表

厚度/mm長度/mm 3843 0.2第一組/kN26.34(最大拉力)27.717 5（平均）32.428(最大拉力)32.428(平均) 第二組/kN29.095(最大拉力)24.942(失敗) 0.3第一組/kN38.111(最大拉力)33.265（平均）30.32(最大拉力)32.461 5(平均) 第二組/kN28.419(最大拉力)34.603(最大拉力)

注：因?yàn)殚L度43 mm、膠層0.2 mm厚拉伸出來半層未粘好，屬于失敗實(shí)驗(yàn)。

第一次試驗(yàn)由于經(jīng)驗(yàn)不足，粘接一個粘接頭所需DP460約為4 ml，比較浪費(fèi)。通過拉伸看出有一只粘接頭只粘接了一半，原因是粘接過程由多人共同完成，粘接手法不能完全相同。為避免此問題的再次發(fā)生，利用自行設(shè)計的同軸裝備，可保證碳纖維管與鋁合金粘接頭同軸，粘接打磨過程均由一人完成。

對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，膠接長度和膠層厚度與剪切強(qiáng)度的關(guān)系，膠層厚度0.3 mm，膠接長度43 mm時，抗拉強(qiáng)度為32.461 5 kN，滿足本次試驗(yàn)對于賽車粘接抗拉強(qiáng)度的要求。

6 結(jié)語

碳纖維懸架機(jī)構(gòu)以其較輕的質(zhì)量，在汽車產(chǎn)品尤其賽車上得到越來越多的應(yīng)用。碳纖維和鋁合金的膠結(jié)技術(shù)及工藝得到大量研究。本次試驗(yàn)采用美國3M公司的DP460環(huán)氧膠，利用自行研發(fā)的膠粘接夾具保證了膠結(jié)過程中碳纖維管和鋁合金接頭的同心度，以及碳纖維管和鋁合金接頭中間膠層后的均勻性。利用自制的定位夾具確保了V型鋁合金接頭和碳纖維管的安裝定位的精確性[4]。

將鋁合金接頭表面和碳纖維管內(nèi)壁打磨可以增加膠接強(qiáng)度和附著力，但是人工打磨因人而異，會導(dǎo)致打磨表面不均勻從而影響膠接效果。較長的碳纖維管內(nèi)壁更增加了手工打磨的難度，以后的試驗(yàn)中可以考慮自制打磨工具，提升打磨質(zhì)量和均勻度[5]。

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

[2] 喬海濤,鄒賢武.碳纖維復(fù)合材料的膠接工藝與性能[J].宇航材料工藝,2009,39(01):66-69+77.

[3] 裴天佑,黎國威,徐昂然.FSC賽車碳纖維懸架推桿粘接工藝研究[J].機(jī)電信息,2018(15):113-114.

[4] 張海鵬,韓忠浩,李剛,等.FSC賽車碳纖維懸架鋁制接頭設(shè)計與粘接方法研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2015(12):43-45.

[5] 郭小農(nóng),王奔,蔣首超,等.碳纖維布加固鋁合金連接試驗(yàn)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,43(03):371-378+435.

Research on Bonding Process and Installation Positioning of FSC Racing Car Carbon Fiber Suspension

WANG Maomei, KONG Xiaolin, NIU Yali

( Beijing Vocational College of Electronic Technology, Beijing 100176 )

The bonding process of carbon fiber and aluminum alloy in FSC racing car suspension guide mechanism is the research focus. In this test, through independent research and development of two sets of fixtures, the concentricity of carbon fiber tube and aluminum alloy joint and the installation accuracy requirements of carbon fiber tube on racing car are ensured. The bonding strength of carbon fiber and aluminum alloy joint is determined by using the tensile test data of bonding parts. Through the destructive mechanical experiments of different adhesive thickness, it is proved that the bonding strength of carbon fiber and aluminum alloy can reach above 30kN by using DP460 epoxy adhesive of 3M company, which fully meets the requirements of 30kN tensile strength of carbon fiber suspension of racing car.

Concentricity; Bonding process;Installation accuracy; Socket

U466

A

1671-7988(2021)23-148-05

U466

A

1671-7988(2021)23-148-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.023.042

王茂美（1976—），碩士，講師，就職于北京電子科技職業(yè)學(xué)院，主要研究方向：汽車節(jié)能與環(huán)保。