FSC赛车碳纤维悬架设计与制作

李艳 张大成 覃文峰 杨海涛

摘 要：新型复合材料在FSC赛车上使用的情况越来越广泛，它们的使用可以减轻整车质量以提高整车的操纵性和动力性。文章通过理论与实验相结合，描述了FSC赛车碳纤维悬架设计与制作过程，并且得到相应的实验数据，为改進悬架设计及材料使用提供了理论依据与实验数据。

关键词：悬架；碳纤维复合材料；拉伸试验

1 碳纤维悬架

中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSC”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的赛车。然而悬架系统作为汽车一个极其重要的部分，在此项比赛中对整个赛车的操纵性、动力性、舒适性影响颇为重要。随着FSC比赛一次一次的成功举办，各个车队逐渐把用4130钢管为材料的双横臂悬架使用到了一定水平，开始寻求另外一种碳纤维复合材料进行制作。文章以宁远2014年赛车前悬架为例，通过受力分析、力学实验、以及成品应用来为碳纤维悬架的制作提供依据。

2 双横臂悬架几何设计与受力分析

2.1 双横臂悬架形式的选择以及几何模型的建立

由于FSC大赛比赛规则，赛车所有车轮必须安装有功能完善的、带有减震器的悬架。在有车手乘坐的情况下，轮胎的跳动行程至少为50.8mm（2英寸），其中向上25.4mm（1英寸），向下25.4mm（1英寸）。赛车的轴距至少为1525mm（60英寸），较小的轮距（前轮或后轮）必须不小于较大轮距的75%。再结合宁远车队前两年赛车的设计，决定选用拉杆不等长双横臂悬架，因为相比麦弗逊悬架和其他悬架来说，双横臂悬架中间有足够的空间留给悬架的导向杆系布置，有较低的侧倾中心有利于整车的操控性，并且在F1项赛事中得到广范应用。赛车的初步参数如下：轴距=1600mm；前轮距=1250mm；前侧倾中心高=30mm；侧倾外倾变化率=0.65；抗点头ηd=4.54%。通过计算并按照图1作图方式，即可得到前悬架在车架上的8个硬点的坐标以及主销上下球绞的坐标。

图1

在CATIA里面得到的硬点坐标输入，将硬点通过直线连接就可以得到悬架的几何模型。现在得到的几何模型只是通过作图方式得到的初步模型，接下来需要将得到的坐标按照ADAMS软件里的要求输入，得到修改后坐标的悬架模型进行仿真。根据经验与规则，在ADAMS里面做一个上下跳动正负30mm的平行轮跳仿真，得到主销内倾角、主销后倾角、车轮外倾角、前束、轮距以及侧倾中心等参数随着车轮上下跳动的一个变化曲线。如果曲线在一个合理的变化值之内就说明硬点的坐标取得合理，反之，需要通过ADAMS/Insight进一步对硬点坐标进行实验优化、找出对相应曲线变化影响最大的硬点坐标，然后进行修改直到得出最合适的坐标。通过优化后的硬点坐标重新把悬架几何模型在CATIA里面建立。

2.2 双横臂悬架受力分析

在参加FSC动态赛中，赛车行驶过程处在多种复杂工况中，而这些复杂的工况几乎都是由有加速、制动、过弯这三个最基本的工况合成。这三种情况在同一时间不可能同时发生，根据力学知识，可以把这赛车在行驶过程中的工况进行简化，按以下三种情况进行分析：

第一种情况：极限加速工况。借鉴以往参赛经验，在行驶过程中的所有加速工况，只有赛车在参加75m直线加速时的工况较为极限。因此，可以将此瞬时的极限工况简化为一个力学模型，即以10m/s的瞬时加速度在路面附着系数为1.4的路面上行驶，通过计算可以得到下叉臂受力最大，且杆的最大受力大小为3800N。

第二种情况；极限制动工况。同理分析，根据经验当车赛车紧急制动时，赛车载荷前移前悬的制动力分配比较大，这里前后制动力分配按7：3计算。通过计算可以得到此时单个轮胎产生的最大制动力为1450N，且受力最大杆件是下叉臂，受力大小为3082N。

第三种情况：过弯工况。通过对比赛的赛道地图分析，在比赛中最极限过弯工况应该是以40km/h的速度通过一个半径为8m的弯道，等同于1.6g侧向加速度。此时可得车轮所受最大侧向力为1742N，单根杆件得最大受力为2367N。

通过上面三种情况的分析，可以推测出碳纤维悬架叉臂杆的最大受力为3800N，即用碳纤维复合材料制作的碳纤维悬架单根杆件最大受力应该大于这种情况的受力。

3 碳纤维悬架制作

3.1 前期实验

对于碳纤维悬架的制作价格是比较昂贵的，所以可以先通过一个前期实验来得到以下数据，为后期制作提供一个依据。借鉴国内外各家车队的经验，此次实验决定选择用3M DP460胶水将铝合金接头与碳纤维管粘接在一起，实验过程的基本变量为胶层厚度和粘接长度。我们确定选用20*16壁厚2mm的碳纤维管，因此实验变量就完全取决于铝合金接头的设计。根据国内外车队经验，取粘接的长度25mm、30mm、35mm；取胶层厚度单边0.1mm、0.15mm、0.2mm。为了节省碳纤维管，决定选用长度为110mm，在这里特别注意铝合金接头外漏的长度应足够让拉伸试验机器的装夹。

接下来是非常重要的粘接过程。首先，应该将切割好的碳纤维管以及加工好的铝制接头与胶水接触的面打磨粗糙，以便胶水与其粘接充分；然后是脱脂处理，把铝制接头放在丙酮溶液中浸泡30分钟左右，接着酒精清洗干净并结合小刷子刷净上面的油污，最后清水清洗干净，晾干。然而在碳管内部的脱脂处理是打磨好后清水冲洗，并用刷子刷干净，接着用酒精清洗，再将碳管头部封住里面注入适量丙酮溶液浸泡30分钟，最后用清水清洗干净，晾干；最后开始粘接工作，涂好胶层之后应该讲接头慢慢旋入碳纤维管内。

根据所买胶水的属性，等胶水完全干了之后可以进行下一步拉伸试验，此次实验总共做了9组实验，实验结果如表所示。

根据实验结果，可以得到实验数据远远大于悬架所承受力。

3.2 碳纤维悬架制作及成品实践

经过前期实验的探索，可以提供一个很好地经验以及粘接手法练习，但是还存在几个问题：第一，打磨碳纤维管与接头的程度以及胶层均匀程度很难控制；第二，很难保证粘接之后的同轴度，这样会导致悬架叉臂硬点变化影响整车性能；第三，两个接头从两端旋入时，碳纤维管内是一个密闭空间，容易对接头产生往外推理，从而导致误差。在接下来的碳纤维叉臂粘接过程中，可以通过尽量用废旧材料练习打磨手艺，做一个悬架几何的定位夹具，以及在碳纤维管上面开排气孔的方式尽可能避免以上几个问题。

在碳纤维悬架制作完成并可以使用之后，将碳纤维悬架装在宁远车队2014赛季赛车上做最接近实际的强度试验，以及疲劳试验。经过一个赛季的认证，整个碳纤维悬架至今没有发现开胶，断裂等一些失效的现象，说明此次碳纤维悬架的制作符合此类型赛车的使用。

4 结束语

在碳纤维悬架的设计与制作中，应在设计悬架几何模型时考虑到后期实验制作过程中可以避免的一些问题，如叉臂夹角的大小，方便粘接时涂胶水操作；叉臂长度，尽量避免使用太长碳纤维管等等。通过对碳纤维悬架与4130钢管普通悬架测重，可以得到用4130普通钢管制作的前悬架重量为1.32kg，而用碳纤维复合材料与铝合金接头制作的前悬架重量为0.67kg，数据显示新材料的运用让整个悬架轻了一半的重量，在保证悬架性能的情况下很好地实现了悬架轻量化。

参考文献

[1]William F.Milliken，Douglas L.Milliken.Race Car Vehicle Dynamic

s[M].Warrendale，PA：SAE International，1997

[2]王霄锋.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社，2010：241-336.

[3]吴健瑜.大学生方程式赛车悬架设计及优化研究[D].华南理工大学，2011.

[4]范学梅.FSAE赛车复合材料悬架的设计与研究[D].哈尔滨工业大学，2013.