CN107031068A - 一种承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴及其制备方法 - Google Patents

一种承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种本发明所设计的承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴及其制备方法，其中碳纤维半轴包括碳纤维半轴主体和半轴接头，所述碳纤维半轴主体为空心套筒状，所述半轴接头为金属材质，包括花键段和和与碳纤维半轴主体连接胶接段，所述胶接段包括胶接槽和与碳纤维半轴主体内径相同的定心凸台。本发明所述的碳纤维半轴重量轻、具有更小的转动惯量，耐腐蚀性好，耐疲劳强度强，寿命高。

Description

一种承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴及其制备方法
技术领域
本发明涉及方程式赛车碳纤维半轴，具体地指一种承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴及其制备方法。
技术背景
赛车半轴作为赛车的差速器与驱动轮之间的传递扭矩的轴，承受着较大的扭矩，且须在扭矩及转速变化极大的工况下中稳定工作。为此，赛车半轴应有足够的扭转强度、刚度及疲劳强度，以使在赛车起步、提速过程中保持稳定高效的性能，且能在高强度的工况下保持足够的可靠性与寿命。目前，方程式赛车半轴多采用金属半轴，转动惯量较大，传动平顺性有一定影响，且轻量化与共振问题上也存在不足。
发明内容
为了完善现有赛车半轴存在的以上不足，本发明提供一种质量轻，使用寿命长的新型承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明所设计的承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴，其特殊之处在于：包括碳纤维半轴主体和半轴接头，所述碳纤维半轴主体为内径为35mm的空心套筒状，所述半轴接头为金属材质，包括花键段和和与碳纤维半轴主体连接胶接段，所述胶接段包括胶接槽和与碳纤维半轴主体内径相同的定心凸台。
进一步地，所述胶接段与花键段连接处设置有限位凸台。
更进一步地，所述胶接段设置有减重凹槽，所述减重凹槽开口位于胶接段端头。
再进一步地，所述花键段设置有轴向通孔，所述轴向通孔与减重凹槽连通。
再进一步地，所述定心凸台与胶接槽的高度差为0.2mm。
再进一步地，所述胶接槽和定心凸台交替布置，且胶接槽的总长度大于75mm。
一种如权利要求1所述承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1、制备碳纤维半轴主体：采用半干法缠绕成型的方法将碳纤维/环氧树脂复合材料按不同的角度逐层绕在直径为35mm的芯模上形成碳纤维半轴主体，成型后脱膜取出碳纤维半轴主体，并对碳纤维半轴主体进行打磨处理；
S2制备半轴接头：将合金钢棒料进行加工，得到半轴接头半成品，并对连接三球销的花键段进行高频淬火的热处理，热处理后再进行装配性的精加工得到半轴接头成品；
S3粘接碳纤维半轴主体和半轴接头：用砂纸对半轴接头的粘接区域进行内表面打磨，并保证留有0.2mm的粘接厚度，胶粘总长度为75mm；对加工好的半轴接头及碳纤维半轴主体进行粘接连接，并在常温静止固化24h以上。
优选地，所述步骤s1中所述的采用半干法缠绕成型的方法将碳纤维/环氧树脂复合材料按不同的角度逐层绕在芯模上形成碳纤维半轴主体具体为：将碳纤维或环氧树脂复合材料共20层，按90°、[±15°]2、[±45°]2、[90°]2、[±45°]2、[±15°]2、90°组成绕在芯模上。其中轴向为0°，顺时针为负角度，逆时针为正角度，[±15°]2表示+15°、-15°、+15°、-15°的铺层顺序。
本发明的优点在于：
1、本发明所述的承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴质量较扭转强度相同的传统金属半轴减重35％-45％，具有更小的转动惯量，可使传动平顺性有效提高，大大提高赛车提速性能。
2、本发明所述的承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴拥有良好的减震性能，它较高的固有频率使构件不易发生共振破坏。碳纤维复合材料不会被锈蚀，半轴耐腐蚀性好，耐疲劳强度强，寿命高。
附图说明
图1为本发明一种承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴的立体结构示意图。
图2为本发明的剖视图。
图3为本发明所述的半轴接头的立体结构示意图。
图4为本发明所述的半轴接头的剖视图。
图中：碳纤维半轴主体1，半轴接头2，胶接段3，胶接区域3.1，定心凸台3.2，限位凸台3.3，减重凹槽3.4，花键段4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
图中所示的一种承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴，包括碳纤维半轴主体1和半轴接头2，碳纤维半轴主体1为空心套筒状，半轴接头2为金属材质，通过环氧树脂结构胶粘接固定在的碳纤维半轴主体1的两端。
其中，半轴接头2可分为胶接段3与配套三球销万向节的花键段4。胶接段3包括胶接区域3.1和若干个与碳纤维半轴主体1内径同半径的定心凸台3.2，定心凸台宽度为2mm，以保证半轴接头2与碳纤维半轴主体1的同轴度，胶接区域3.1与定心凸台3.2交替布置，胶接区域3.1在连接前需要进行表面粗糙处理，以保证足够的粘接强度。定心凸台3.2与胶接区域3.1的高度差为0.2mm，保证胶层的厚度，且胶接区域3.1的总长度至少为75mm，保证胶接可靠性。
胶接段3上设置有限位凸台3.3，限位凸台3.3位于胶接段3与花键段4连接处，半轴接头内还设有减重凹槽3.4，减重凹槽3.4槽深不能超过限位凸台3.3的右端界面。在半轴接头2内还开有一个轴向通孔4.1，位于花键段4与减重凹槽3.4连通，防止胶接时碳纤维半轴主体内气压冲破胶层，在胶层中形成空隙，影响粘接强度。半轴接头2的所有过渡端都必须圆角光滑过渡均匀，无尖角。
一种承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴的制备方法主要包括以下步骤：
1、碳纤维半轴主体制备：采用半干法缠绕成型将20层T700/环氧树脂的复合材料按铺层方案90°、[±15°]2、[±45°]2、[90°]2、[±45°]2、[±15°]2、90°逐层缠绕在直径为35mm的芯膜上，上述铺层方案的表述方式参考表1所示，将定型好的缠绕料从缠绕机取出并固化；轴件固化后，芯模脱模，得到碳纤维半轴主体，并用240目的砂纸对碳纤维半轴主体的粘接内表面进行打磨，除去多余的树脂。
表1
2、半轴接头制备：将合适尺寸的40Cr合金钢棒料进行车铣机加工，得到半轴接头半成品，并对连接三球销的外花键进行高频淬火的热处理，热处理后再进行装配性的精加工。用砂纸对半轴接头的粘接区域进行内表面打磨，并保证留有0.2mm的粘接厚度，胶粘总长度为75mm。
3、对加工好的碳纤维半轴主体与半轴接头用Dp460环氧树脂结构胶进行胶粘连接，并在常温下静止固化24h以上。
其中，碳纤维半轴主体采用全浮式汽车半轴杆径的坡道载荷设计法，确定重量为380Kg的方程式赛车，其半轴需承受450N*m的极限扭转载荷。而碳纤维复合材料是各向异性材料，对于碳纤维轴件，0°、±15°主要是提供扭转刚度，±45°、90°主要是提供扭转强度，故通过分析优化，设计碳纤维半轴主体的铺层方案为90°、[±15°]2、[±45°]2、[90°]2、[±45°]2、[±15°]2、90°，以35mm为内径，向外缠绕铺层，其中轴向规定为0°。以T700碳纤维纱/环氧树脂作为材料，采用半干法缠绕成型的方式进行加工成型。
为了增加碳纤维半轴的通用性，半轴接头花键端设计成与三球销万向节标准件装配。半轴接头胶接端需留有若干个与碳纤维半轴主体内径小间隙配合的定心凸台进行定心，胶接区域相对于定心凸台的深度为0.2mm，为粘接剂空间。根据许用剪切强度计算，粘接总长度至少为为52.59mm，故所述的半轴接头胶接端粘接凹槽总长度放大设计成75mm。为了提高粘接强度，半轴接头需开一个直径为4mm的通孔进行通气，防止粘接过程半轴内部形成密闭空间，气压上升使半轴粘接层形成气孔间隙，影响粘接强度。所述的半轴接头胶接端与花键端间须留有一限位凸台进行限位，花键端与限位凸台圆角过度均匀，无尖角。
为了更进一步减轻碳纤维半轴整体重量，减小转动惯量，所述的半轴接头内设有减重凹槽，所述减重凹槽深度不超过胶接段与限位凸台最接近的第一个定心凸台。
本发明所述的赛车碳纤维轴管要求圆度度尽量小，端面要求平整；表面光滑，无划痕，无漏丝、分层、缺胶现象。
本发明所述碳纤维半轴本体与接头采用胶粘剂进行粘接，把粘接厚度定为0.2mm，通过以下试验进行粘接剂的选定。
单搭接接头实验
实验稳定条件：温度20℃，碳纤维层合板长100mm、宽25mm、厚1.6mm，金属板长100mm、宽25mm、厚1.6mm，胶层厚度0.2mm、胶接长度12.5mm，胶接面粗糙处理。
实验可变条件：胶粘剂的选择
表2显示不同粘接剂对粘接极限拉力的影响
表2
以上的试验数据表明Dp460可选为胶接金属与碳纤维复合材料的理想粘接剂。
本发明所述的碳纤维半轴质量较扭转强度相同的传统金属半轴减重35％-45％，具有更小的转动惯量，可使传动平顺性有效提高，大大提高赛车提速性能。且拥有良好的减震性能，它较高的固有频率使构件不易发生共振破坏。碳纤维复合材料不会被锈蚀，半轴耐腐蚀性好，耐疲劳强度强，寿命高。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种变动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴，其特征在于：包括碳纤维半轴主体(1)和半轴接头(2)，所述碳纤维半轴主体(1)为空心套筒状，所述半轴接头(2)为金属材质，包括花键段(4)和与碳纤维半轴主体(1)连接的胶接段(3)，所述胶接段(3)包括胶接区域(3.1)和与碳纤维半轴主体(1)内径相同的定心凸台(3.2)。
2.根据权利要求1所述的承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴，其特征在于：所述胶接段(3)与花键段(4)连接处设置有限位凸台(3.3)。
3.根据权利要求2所述的承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴，其特征在于：所述胶接段(3)设置有减重凹槽(3.4)，所述减重凹槽(3.4)开口位于胶接段(3)端头。
4.根据权利要求3所述的承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴，其特征在于：所述花键段(4)设置有轴向通孔(4.1)，所述轴向通孔(4.1)与减重凹槽(3.4)连通。
5.根据权利要求4所述的承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴，其特征在于：所述定心凸台(3.2)与胶接区域(3.1)的高度差为0.2mm。
6.根据权利要求5所述的承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴，其特征在于：所述胶接区域(3.1)和定心凸台(3.2)交替布置，且胶接区域(3.1)的总长度大于75mm。
7.一种如权利要求1所述承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备碳纤维半轴主体：采用半干法缠绕成型的方法将碳纤维/环氧树脂复合材料按不同的角度逐层绕在芯模上形成碳纤维半轴主体，成型后脱膜取出碳纤维半轴主体，并对碳纤维半轴主体进行打磨处理；
S2制备半轴接头：将合金钢棒料进行加工，得到半轴接头半成品，并对连接三球销的花键段进行高频淬火的热处理，热处理后再进行装配性的精加工得到半轴接头成品；
S3粘接碳纤维半轴主体和半轴接头：用砂纸对半轴接头的粘接区域进行内表面打磨，并保证留有0.2mm的粘接厚度，胶粘总长度为75mm；对加工好的半轴接头及碳纤维半轴主体进行粘接连接，并在常温静止固化24h以上。
8.根据权利要求7所述的承载大扭矩的方程式赛车碳纤维半轴的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中按不同的角度具体为：将碳纤维或环氧树脂复合材料共20层，按90°、[±15°]2、[±45°]2、[90°]2、[±45°]2、[±15°]2、90°角度逐层绕在芯模上，其中轴向为0°，顺时针为负角度，逆时针为正角度，[±15°]2表示+15°、-15°、+15°、-15°的铺层顺序。
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