一種承載大扭矩的方程式賽車碳纖維半軸及其制備方法與流程

本發明涉及方程式賽車碳纖維半軸，具體地指一種承載大扭矩的方程式賽車碳纖維半軸及其制備方法。

技術背景

賽車半軸作為賽車的差速器與驅動輪之間的傳遞扭矩的軸，承受著較大的扭矩，且須在扭矩及轉速變化極大的工況下中穩定工作。為此，賽車半軸應有足夠的扭轉強度、剛度及疲勞強度，以使在賽車起步、提速過程中保持穩定高效的性能，且能在高強度的工況下保持足夠的可靠性與壽命。目前，方程式賽車半軸多采用金屬半軸，轉動慣量較大，傳動平順性有一定影響，且輕量化與共振問題上也存在不足。

技術實現要素：

為了完善現有賽車半軸存在的以上不足，本發明提供一種質量輕，使用壽命長的新型承載大扭矩的方程式賽車碳纖維半軸及其制備方法。

為了實現上述目的，本發明所設計的承載大扭矩的方程式賽車碳纖維半軸，其特殊之處在于：包括碳纖維半軸主體和半軸接頭，所述碳纖維半軸主體為內徑為35mm的空心套筒狀，所述半軸接頭為金屬材質，包括花鍵段和和與碳纖維半軸主體連接膠接段，所述膠接段包括膠接槽和與碳纖維半軸主體內徑相同的定心凸臺。

進一步地，所述膠接段與花鍵段連接處設置有限位凸臺。

更進一步地，所述膠接段設置有減重凹槽，所述減重凹槽開口位于膠接段端頭。

再進一步地，所述花鍵段設置有軸向通孔，所述軸向通孔與減重凹槽連通。

再進一步地，所述定心凸臺與膠接槽的高度差為0.2mm。

再進一步地，所述膠接槽和定心凸臺交替布置，且膠接槽的總長度大于75mm。

一種如權利要求1所述承載大扭矩的方程式賽車碳纖維半軸的制備方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

s1、制備碳纖維半軸主體：采用半干法纏繞成型的方法將碳纖維/環氧樹脂復合材料按不同的角度逐層繞在直徑為35mm的芯模上形成碳纖維半軸主體，成型后脫膜取出碳纖維半軸主體，并對碳纖維半軸主體進行打磨處理；

s2制備半軸接頭：將合金鋼棒料進行加工，得到半軸接頭半成品，并對連接三球銷的花鍵段進行高頻淬火的熱處理，熱處理后再進行裝配性的精加工得到半軸接頭成品；

s3粘接碳纖維半軸主體和半軸接頭：用砂紙對半軸接頭的粘接區域進行內表面打磨，并保證留有0.2mm的粘接厚度，膠粘總長度為75mm；對加工好的半軸接頭及碳纖維半軸主體進行粘接連接，并在常溫靜止固化24h以上。

優選地，所述步驟s1中所述的采用半干法纏繞成型的方法將碳纖維/環氧樹脂復合材料按不同的角度逐層繞在芯模上形成碳纖維半軸主體具體為：將碳纖維或環氧樹脂復合材料共20層，按90°、[±15°]2、[±45°]2、[90°]2、[±45°]2、[±15°]2、90°組成繞在芯模上。其中軸向為0°，順時針為負角度，逆時針為正角度，[±15°]2表示+15°、-15°、+15°、-15°的鋪層順序。

本發明的優點在于：

1、本發明所述的承載大扭矩的方程式賽車碳纖維半軸質量較扭轉強度相同的傳統金屬半軸減重35％-45％，具有更小的轉動慣量，可使傳動平順性有效提高，大大提高賽車提速性能。

2、本發明所述的承載大扭矩的方程式賽車碳纖維半軸擁有良好的減震性能，它較高的固有頻率使構件不易發生共振破壞。碳纖維復合材料不會被銹蝕，半軸耐腐蝕性好，耐疲勞強度強，壽命高。

附圖說明

圖1為本發明一種承載大扭矩的方程式賽車碳纖維半軸的立體結構示意圖。

圖2為本發明的剖視圖。

圖3為本發明所述的半軸接頭的立體結構示意圖。

圖4為本發明所述的半軸接頭的剖視圖。

圖中：碳纖維半軸主體1，半軸接頭2，膠接段3，膠接區域3.1，定心凸臺3.2，限位凸臺3.3，減重凹槽3.4，花鍵段4。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細描述：

圖中所示的一種承載大扭矩的方程式賽車碳纖維半軸，包括碳纖維半軸主體1和半軸接頭2，碳纖維半軸主體1為空心套筒狀，半軸接頭2為金屬材質，通過環氧樹脂結構膠粘接固定在的碳纖維半軸主體1的兩端。

其中，半軸接頭2可分為膠接段3與配套三球銷萬向節的花鍵段4。膠接段3包括膠接區域3.1和若干個與碳纖維半軸主體1內徑同半徑的定心凸臺3.2，定心凸臺寬度為2mm，以保證半軸接頭2與碳纖維半軸主體1的同軸度，膠接區域3.1與定心凸臺3.2交替布置，膠接區域3.1在連接前需要進行表面粗糙處理，以保證足夠的粘接強度。定心凸臺3.2與膠接區域3.1的高度差為0.2mm，保證膠層的厚度，且膠接區域3.1的總長度至少為75mm，保證膠接可靠性。

膠接段3上設置有限位凸臺3.3，限位凸臺3.3位于膠接段3與花鍵段4連接處，半軸接頭內還設有減重凹槽3.4，減重凹槽3.4槽深不能超過限位凸臺3.3的右端界面。在半軸接頭2內還開有一個軸向通孔4.1，位于花鍵段4與減重凹槽3.4連通，防止膠接時碳纖維半軸主體內氣壓沖破膠層，在膠層中形成空隙，影響粘接強度。半軸接頭2的所有過渡端都必須圓角光滑過渡均勻，無尖角。

一種承載大扭矩的方程式賽車碳纖維半軸的制備方法主要包括以下步驟：

1、碳纖維半軸主體制備：采用半干法纏繞成型將20層t700/環氧樹脂的復合材料按鋪層方案90°、[±15°]2、[±45°]2、[90°]2、[±45°]2、[±15°]2、90°逐層纏繞在直徑為35mm的芯膜上，上述鋪層方案的表述方式參考表1所示，將定型好的纏繞料從纏繞機取出并固化；軸件固化后，芯模脫模，得到碳纖維半軸主體，并用240目的砂紙對碳纖維半軸主體的粘接內表面進行打磨，除去多余的樹脂。

表1

2、半軸接頭制備：將合適尺寸的40cr合金鋼棒料進行車銑機加工，得到半軸接頭半成品，并對連接三球銷的外花鍵進行高頻淬火的熱處理，熱處理后再進行裝配性的精加工。用砂紙對半軸接頭的粘接區域進行內表面打磨，并保證留有0.2mm的粘接厚度，膠粘總長度為75mm。

3、對加工好的碳纖維半軸主體與半軸接頭用dp460環氧樹脂結構膠進行膠粘連接，并在常溫下靜止固化24h以上。

其中，碳纖維半軸主體采用全浮式汽車半軸桿徑的坡道載荷設計法，確定重量為380kg的方程式賽車，其半軸需承受450n*m的極限扭轉載荷。而碳纖維復合材料是各向異性材料，對于碳纖維軸件，0°、±15°主要是提供扭轉剛度，±45°、90°主要是提供扭轉強度，故通過分析優化，設計碳纖維半軸主體的鋪層方案為90°、[±15°]2、[±45°]2、[90°]2、[±45°]2、[±15°]2、90°，以35mm為內徑，向外纏繞鋪層，其中軸向規定為0°。以t700碳纖維紗/環氧樹脂作為材料，采用半干法纏繞成型的方式進行加工成型。

為了增加碳纖維半軸的通用性，半軸接頭花鍵端設計成與三球銷萬向節標準件裝配。半軸接頭膠接端需留有若干個與碳纖維半軸主體內徑小間隙配合的定心凸臺進行定心，膠接區域相對于定心凸臺的深度為0.2mm，為粘接劑空間。根據許用剪切強度計算，粘接總長度至少為為52.59mm，故所述的半軸接頭膠接端粘接凹槽總長度放大設計成75mm。為了提高粘接強度，半軸接頭需開一個直徑為4mm的通孔進行通氣，防止粘接過程半軸內部形成密閉空間，氣壓上升使半軸粘接層形成氣孔間隙，影響粘接強度。所述的半軸接頭膠接端與花鍵端間須留有一限位凸臺進行限位，花鍵端與限位凸臺圓角過度均勻，無尖角。

為了更進一步減輕碳纖維半軸整體重量，減小轉動慣量，所述的半軸接頭內設有減重凹槽，所述減重凹槽深度不超過膠接段與限位凸臺最接近的第一個定心凸臺。

本發明所述的賽車碳纖維軸管要求圓度度盡量小，端面要求平整；表面光滑，無劃痕，無漏絲、分層、缺膠現象。

本發明所述碳纖維半軸本體與接頭采用膠粘劑進行粘接，把粘接厚度定為0.2mm，通過以下試驗進行粘接劑的選定。

單搭接接頭實驗

實驗穩定條件：溫度20℃，碳纖維層合板長100mm、寬25mm、厚1.6mm，金屬板長100mm、寬25mm、厚1.6mm，膠層厚度0.2mm、膠接長度12.5mm，膠接面粗糙處理。

實驗可變條件：膠粘劑的選擇

表2顯示不同粘接劑對粘接極限拉力的影響

表2

以上的試驗數據表明dp460可選為膠接金屬與碳纖維復合材料的理想粘接劑。

本發明所述的碳纖維半軸質量較扭轉強度相同的傳統金屬半軸減重35％-45％，具有更小的轉動慣量，可使傳動平順性有效提高，大大提高賽車提速性能。且擁有良好的減震性能，它較高的固有頻率使構件不易發生共振破壞。碳纖維復合材料不會被銹蝕，半軸耐腐蝕性好，耐疲勞強度強，壽命高。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種變動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其同等技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。