CN105773993B - 一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管及粘接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管及粘接工艺。目的是提供一种生产成本低、成型快、适合小品量制作的碳纤维管及粘接工艺。所述的粘接工艺包括用于形成碳纤维管外表面形状的外模，用于形成碳纤维管内表面形状的内模，所述的内模、外模的两端分别与铝合金接头、杆端接头连接，所述的铝合金接头上设置与车轮连接的向心轴承，所述的杆端接头上设置与车身连接的杆端轴承；所述的粘接工艺包括以下步骤：模具制作、碳纤维管成型、碳纤维管后处理。使用外模、内模结合的方法制作碳纤维管，使碳纤维管的内、外表面的精度高，且表面光滑，同时碳纤维管固化成型及碳纤维管与铝合金接头粘接是同时进行，节省了时间，提高了工作效率。

Description

一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管及粘接工艺
技术领域
本发明涉及赛车悬架技术领域，具体涉及一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管及粘接工艺。
背景技术
碳纤维复合材料已经从航空航天等高端领域逐步向民用领域普及，碳纤维管具有比重小、刚度大、强度高、耐腐蚀等优点，广泛用于医疗器械、体育器材中。但是由于其自身特性使碳纤维管的机械连接极为困难，所以使用胶水粘接则成为了一种比较简单高效的连接方式。如今，FSAE大学生方程式汽车大赛已经在大量使用碳纤维管与铝合金接头粘接的粘接制品作为赛车悬架系统的导向机构。
现有的赛车前悬架通常使用双叉臂式悬架，其上、下叉臂的连杆可以使用碳纤维管替代传统的钢管或铝合金管，但是选择碳纤维管后，随之出现一个重要的问题，便是碳纤维与悬架铰接金属件的连接。一般采用胶粘剂将碳纤维管与铰接金属件粘接，因为胶连接对纤维破坏最小，产生的应力集中小，最后粘成一个件的总质量小，做出的表面非常光滑、制作工艺很简便、制作加工成本比较低。
粘接的方式只适用于常规方式的固定管径的碳纤维管与铝接头的粘胶，专利CN201310543833.8中所述的一种机械手臂用碳纤维复合材料矩形空心管的制造方法，该方法以碳纤维复合材料为原材料，所述碳纤维复合材料为碳纤维预浸料，所述预浸料包括单向和织物预浸料，采用模压充气成型法制成矩形空心管。但是该方法中的外模具制作工艺复杂，且外模具制作后难以对其表面进行进一步的加工，因此外模充气的方法通常只适用于大批量的生产，而不适合小批量制作，且该方法只针对制作碳纤维空心管的工艺，而没有考虑到碳纤维管成型的同时与铝接头粘接的问题，因此使用该方法制作好碳纤维管后还需要再讲碳纤维管与铝接头粘接，工艺周期很长。而为了保证碳纤维管内径的精度，充气压力值较高，进一步增加了外模具的复杂程度。
赛车悬架上的叉臂所用的碳纤维管通常为变截面管，因此碳纤维管无法购买成品，在实际制作中，只能选择较大管径的固定管径碳纤维管，但这样会产生浪费。
另一个方法是制造一个变截面的内模具，将内模具两端与铝接头连接，然后在内模具外侧缠绕碳纤维布，该方法制作过程简单，但是制作完毕后，内模具通常无法从碳纤维管里取出来，针对这样的情况，有的内模具采用塑料泡沫材料，碳纤维管制作完毕后将汽油倒入碳纤维管内部溶解塑料泡沫，但是这种方法无法彻底清除内模具，且第二次使用时，仍需要重新制作内模具，非常麻烦。现有技术CN201510718040.4中所述的一种碳纤维复合材料薄壁曲线管件的制备方法，该方法使用泡沫芯模装入气袋中，然后利用真空泵对气袋进行抽真空处理，直至使气袋紧密包覆于泡沫芯模外，该方法可实现内膜的形状与碳纤维管形状相适应，但是实际操作中气袋表面容易出现褶皱，导致碳纤维管成型质量不好，且气袋内的压力较难控制，模具成型时还需要设置气源对气袋充气，增加了模具的成本。
发明内容
针对上述监测装置的不足，本发明具体涉及一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管及粘接工艺。目的是提供一种生产成本低、成型快、适合小批量制作的大学生方程式赛车悬架用碳纤维管及碳纤维管的粘接工艺。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管的粘接工艺，包括用于形成碳纤维管外表面形状的外模，用于形成碳纤维管内表面形状的内模，所述的内模、外模的两端分别与铝合金接头、杆端接头连接，所述的铝合金接头上设置与车轮连接的向心轴承，所述的杆端接头上设置与车身连接的杆端轴承；所述的粘接工艺包括以下步骤：模具制作、碳纤维管成型、碳纤维管后处理；所述的碳纤维管成型步骤为：将表面均匀涂有环氧树脂的碳纤维布依次缠绕在杆端接头、内模、铝合金接头的外侧壁上；然后在碳纤维布外侧依次粘贴第二剥离层、第二真空薄膜层，接着将拆除了第三外层的外模重新安装在碳纤维布的外侧；使用密封条将碳纤维布外侧的第二真空薄膜层与内模内侧壁上设置的第一真空薄膜层之间的真空区域进行密封，并使用真空泵对真空区域抽真空然后保压一段时间，使缠绕在杆端接头、内模、铝合金接头外侧壁上的碳纤维布固化为碳纤维管。
优选的，所述的模具制作步骤为：将外模的两端分别与杆端接头、铝合金接头连接，然后将内模浸入水中，使海绵体变软，然后将内模穿入铝合金接头、外模、杆端接头的内腔区域中；向海绵体中依次灌入无黏结剂干砂粉末、胶水，然后烘干海绵体，使海绵体膨胀，让第二真空薄膜层与外模的内侧壁接触，一定时间后水溶性胶水与干砂粘接凝固，使海绵体硬化，然后拆除外模，将外模内侧壁上的第三外层拆除；所述的破胶液为含有生物酶的弱碱性水溶液。
优选的，所述的碳纤维管后处理步骤为：将碳纤维管外侧粘贴的第二剥离层、第二真空薄膜层，以及外模拆除，然后向海绵体中灌入破胶液，当海绵体变软后，将内模从碳纤维管的内腔中抽出。
根据上述的任意一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管的粘接工艺制作而成的碳纤维管，赛车的前部两侧分别设置水平放置的V字形的上叉臂、下叉臂，所述的上叉臂位于下叉臂的正上方，所述的上叉臂、下叉臂包括V字形的铝合金接头，铝合金接头的V字形交点位置设置向心轴承，向心轴承与车轮连接；铝合金接头的V字形两端分别与一个碳纤维管的一端连接，两个碳纤维管的另一端上分别安装杆端接头，杆端接头上设置杆端轴承，杆端轴承与车身连接；内模、外模的两端分别与铝合金接头、杆端接头连接；所述碳纤维管从靠近车轮一侧的位置，向靠近车身一侧的位置，其内径逐渐增大。
优选的，所述外模包括圆筒形第一外层，第一外层内设置可拆卸的第二外层、第三外层，第三外层的内侧面形状与碳纤维管的形状相适应。
优选的，所述第一外层、第三外层的径向热膨胀系数小于第二外层的径向热膨胀系数，第一外层的刚度大于第三外层的刚度。
优选的，所述第一外层的材料为铝合金，所述第二外层的材料为丁腈橡胶或硅橡胶。
优选的，所述内模包括设置在最外侧的第一剥离层，从第一剥离层向内侧依次设置第一真空薄膜层、防水层、粘性层，粘性层的内侧设置海绵体。
优选的，所述的海绵体为疏孔型或蜂窝型吸水海绵。
本发明以下有益效果：使用外模、内模结合的方法制作碳纤维管，使碳纤维管的内、外表面的精度高，且表面光滑，同时碳纤维管固化成型及碳纤维管与铝合金接头粘接是同时进行，节省了时间，提高了工作效率。
附图说明
图1赛车前悬架结构示意图；
图2为上叉臂结构示意图；
图3为模具制作步骤中外模与铝合金接头剖视图；
图4为模具制作步骤中海绵体膨胀剖视图；
图5为模具制作步骤中外模拆除后内模与铝合金接头剖视图；
图6为碳纤维管成型步骤中碳纤维管剖视图；
图7为碳纤维管后处理步骤中碳纤维管剖视图；
图8为图4中A-A剖视图；
图9为图6中B-B剖视图。
具体实施方式
如图1-图8所示的一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管，赛车的前部两侧分别设置水平放置的V字形的上叉臂1、下叉臂2，所述的上叉臂1位于下叉臂2的正上方，所述的上叉臂1、下叉臂2包括V字形的铝合金接头3，铝合金接头3的V字形交点位置设置向心轴承4，向心轴承4与车轮连接；铝合金接头3的V字形两端分别与一个碳纤维管5的一端连接，两个碳纤维管5的另一端上分别安装杆端接头6，杆端接头6上设置杆端轴承7，杆端轴承7与车身连接。内模8、外模9的两端分别与铝合金接头3、杆端接头6连接。
在车轮相对于车身振动时，对于上叉臂1、下叉臂2来说，其靠近车轮的一端所受的力矩较小，而靠近车身的一端所受的力矩较大，因此为了优化悬架结构，所述碳纤维管5从靠近车轮一侧的位置，向靠近车身一侧的位置，其内径逐渐增大。
所述的碳纤维管5的粘接工艺包括以下步骤：模具制作、碳纤维管成型、碳纤维管后处理；
所述的模具制作步骤为：将圆筒形的外模9的两端分别与杆端接头6、铝合金接头3连接，外模9可以是一个整体的变截面圆筒，也可以是两个截面为半圆形的壳体拼接而成。
将内模8浸入水中，使海绵体81变软，然后将内模8穿入铝合金接头3、外模9、杆端接头6的内腔区域中；向海绵体81中依次灌入无黏结剂干砂粉末、胶水，然后烘干海绵体81，这时原本柔软且被压缩的海绵体81逐渐膨胀，第一剥离层82与外模9的内侧壁接触，一定时间后海绵体81内的胶水与干砂粘接凝固，使海绵体81硬化，这时可以拆除外模9，并将外模9内侧壁上的第三外层93拆除，仅保留内模8，此时内模8的形状为海绵体81固化后的形状。
为了让内模8的质量更好，需要使第一剥离层82与外模9的内壁更好的接触，因此更好的实施方式是：所述外模9包括圆筒形第一外层91，第一外层91内侧面设置可拆卸的第二外层92、第三外层93，第三外层93的内侧面形状与碳纤维管5的形状相适应。所述第一外层91、第三外层93的径向热膨胀系数小于第二外层92的径向热膨胀系数，第一外层91的刚度大于第三外层93的刚度。烘干内模8时，第一外层91、第二外层92、第三外层93均会受热而产生径向方向的膨胀，且第一外层91、第三外层93的径向变形量小，而第二外层92的径向变形量大，因此第二外层92会对第一外层91、第三外层93产生压力，而由于第一外层91的刚度大于第三外层93的刚度，会使第二外层92对第三外层93的压力更大，这就使第三外层93与内模8的外表面更好的贴紧。
所述第一外层91的材料可以为铝合金，也可以是不锈钢或其他金属材料，所述第二外层92的材料可以为丁腈橡胶或硅橡胶，也可以是热膨胀系数大于金属材料热膨胀系数的弹性复合材料；所述第三外层93的材料可以是复合材料，也可以是塑料。
所述内模8包括设置在最外侧的第一剥离层82，从第一剥离层82向内侧依次设置第一真空薄膜层83、防水层84、粘性层85，粘性层85的内侧设置海绵体81。所述的海绵体81为疏孔型或蜂窝型吸水海绵。内模8的各层均为弹性软质塑料或弹性软质复合材料构成，因而内模8的外侧面形状可以根据其内侧海绵体1的形状变化而变化，将内模8放入水中一定时间后海绵体1变软时，内模8的形状可以发生变化，海绵体1也可以被压缩。碳纤维管成型时，内膜8的外侧面形状由固化的海绵体1确定，海绵体1的表面形状较规则，不易产生褶皱，因而成型的碳纤维管的内侧面也较光滑，成型质量好。
所述的碳纤维管成型步骤为：将表面均匀涂有环氧树脂的碳纤维布依次缠绕在杆端接头6、内模8、铝合金接头3的外侧壁上；可以缠绕多层碳纤维布，也可以缠绕一层碳纤维布后缠绕高弹性尼龙布或其他弹性增强布，然后再缠绕碳纤维布；缠绕完后在碳纤维布外侧依次粘贴第二剥离层94、第二真空薄膜层95，接着将拆除了第三外层93的外模9重新安装在碳纤维布的外侧；使用密封条86将碳纤维布外侧的第二真空薄膜层95与内模8的内侧壁上设置的第一真空薄膜层83之间的真空区域进行密封，并使用真空泵87对真空区域抽真空然后保压一端时间，使缠绕在杆端接头6、内模8、铝合金接头3外侧壁上的碳纤维布固化为碳纤维管5；
所述的碳纤维管后处理步骤为：将碳纤维管5外侧粘贴的第二剥离层94、第二真空薄膜层95，以及外模9拆除，然后向海绵体81中灌入破胶液。为了提高破胶效率，所述的破胶液为含有生物酶的弱碱性水溶液。
当海绵体81内的胶水失去粘性后，海绵体81变软，这时即可将内模8从碳纤维管5的内腔中抽出。

Claims (8)

1.一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管的粘接工艺，包括用于形成碳纤维管外表面形状的外模(9)，用于形成碳纤维管内表面形状的内模(8)，所述的内模(8)、外模(9)的两端分别与铝合金接头(3)、杆端接头(6)连接，所述的铝合金接头(3)上设置与车轮连接的向心轴承(4)，所述的杆端接头(6)上设置与车身连接的杆端轴承(7)；所述的粘接工艺包括以下步骤：模具制作、碳纤维管成型、碳纤维管后处理；
其特征在于：所述的模具制作步骤为：将外模(9)的两端分别与杆端接头(6)、铝合金接头(3)连接，将内模(8)浸入水中，使海绵体(81)变软，然后将内模(8)穿入铝合金接头(3)、外模(9)、杆端接头(6)的内腔区域中；向海绵体(81)中依次灌入无黏结剂干砂粉末、胶水，然后烘干海绵体(81)，使海绵体(81)膨胀，让第一剥离层(82)与外模(9)的内侧壁接触，一定时间后当胶水与干砂粘接凝固且海绵体(81)硬化，拆除外模(9)，并将外模(9)内侧壁上的第三外层(93)拆除；
所述的碳纤维管成型步骤为：将表面均匀涂有环氧树脂的碳纤维布依次缠绕在杆端接头(6)、内模(8)、铝合金接头(3)的外侧壁上；然后在碳纤维布外侧依次粘贴第二剥离层(94)、第二真空薄膜层(95)，接着将拆除了第三外层(93)的外模(9)重新安装在碳纤维布的外侧；使用密封条(86)将碳纤维布外侧的第二真空薄膜层(95)与内模(8)内侧壁上设置的第一真空薄膜层(83)之间的真空区域进行密封，并使用真空泵(87)对真空区域抽真空然后保压一段时间，使缠绕在杆端接头(6)、内模(8)、铝合金接头(3)外侧壁上的碳纤维布固化为碳纤维管(5)。
2.根据权利要求1所述的一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管的粘接工艺，其特征在于：所述的碳纤维管后处理步骤为：将碳纤维管(5)外侧粘贴的第二剥离层(94)、第二真空薄膜层(95)，以及外模(9)拆除，然后向海绵体(81)中灌入破胶液，当海绵体(81)变软后，将内模(8)从碳纤维管(5)的内腔中抽出；所述的破胶液为含有生物酶的弱碱性水溶液。
3.根据权利要求1至权利要求2所述的任意一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管的粘接工艺制作而成的碳纤维管，其特征在于：赛车的前部两侧分别设置水平放置的V字形的上叉臂(1)、下叉臂(2)，所述的上叉臂(1)位于下叉臂(2)的正上方，所述的上叉臂(1)、下叉臂(2)包括V字形的铝合金接头(3)，铝合金接头(3)的V字形交点位置设置向心轴承(4)，向心轴承(4)与车轮连接；铝合金接头(3)的V字形两端分别与一个碳纤维管(5)的一端连接，两个碳纤维管(5)的另一端上分别安装杆端接头(6)，杆端接头(6)上设置杆端轴承(7)，杆端轴承(7)与车身连接；内模(8)、外模(9)的两端分别与铝合金接头(3)、杆端接头(6)连接；所述碳纤维管(5)从靠近车轮一侧的位置，向靠近车身一侧的位置，其内径逐渐增大。
4.根据权利要求3所述的一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管的粘接工艺制作而成的碳纤维管，其特征在于：所述外模(9)包括圆筒形第一外层(91)，第一外层(91)内设置可拆卸的第二外层(92)、第三外层(93)，第三外层(93)的内侧面形状与碳纤维管(5)的形状相适应。
5.根据权利要求4所述的一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管的粘接工艺制作而成的碳纤维管，其特征在于：所述第一外层(91)、第三外层(93)的径向热膨胀系数小于第二外层(92)的径向热膨胀系数，第一外层(91)的刚度大于第三外层(93)的刚度。
6.根据权利要求5所述的一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管的粘接工艺制作而成的碳纤维管，其特征在于：所述第一外层(91)的材料为铝合金，所述第二外层(92)的材料为丁腈橡胶或硅橡胶。
7.根据权利要求3所述的一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管的粘接工艺制作而成的碳纤维管，其特征在于：所述内模(8)包括设置在最外侧的第一剥离层(82)，从第一剥离层(82)向内侧依次设置第一真空薄膜层(83)、防水层(84)、粘性层(85)，粘性层(85)的内侧设置海绵体(81)。
8.根据权利要求7所述的一种大学生方程式赛车悬架用碳纤维管的粘接工艺制作而成的碳纤维管，其特征在于：所述的海绵体(81)为疏孔型或蜂窝型吸水海绵。
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