本發(fā)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(shù)背景

賽車半軸作為賽車的差速器與驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)速變化極大的工況下中穩(wěn)定工作。為此，賽車半軸應(yīng)有足夠的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度、剛度及疲勞強(qiáng)度，以使在賽車起步、提速過程中保持穩(wěn)定高效的性能，且能在高強(qiáng)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(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，傳動(dòng)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(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了完善現(xiàn)有賽車半軸存在的以上不足，本發(fā)明提供一種質(zhì)量輕，使用壽命長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)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(nèi)徑為35mm的空心套筒狀，所述半軸接頭為金屬材質(zhì)，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(nèi)徑相同的定心凸臺(tái)。

進(jìn)一步地，所述膠接段與花鍵段連接處設(shè)置有限位凸臺(tái)。

更進(jìn)一步地，所述膠接段設(shè)置有減重凹槽，所述減重凹槽開口位于膠接段端頭。

再進(jìn)一步地，所述花鍵段設(shè)置有軸向通孔，所述軸向通孔與減重凹槽連通。

再進(jìn)一步地，所述定心凸臺(tái)與膠接槽的高度差為0.2mm。

再進(jìn)一步地，所述膠接槽和定心凸臺(tái)交替布置，且膠接槽的總長(zhǎng)度大于75mm。

一種如權(quán)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(huán)氧樹脂復(fù)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(duì)碳纖維半軸主體進(jìn)行打磨處理；

s2制備半軸接頭：將合金鋼棒料進(jìn)行加工，得到半軸接頭半成品，并對(duì)連接三球銷的花鍵段進(jìn)行高頻淬火的熱處理，熱處理后再進(jìn)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(duì)半軸接頭的粘接區(qū)域進(jìn)行內(nèi)表面打磨，并保證留有0.2mm的粘接厚度，膠粘總長(zhǎng)度為75mm；對(duì)加工好的半軸接頭及碳纖維半軸主體進(jìn)行粘接連接，并在常溫靜止固化24h以上。

優(yōu)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(huán)氧樹脂復(fù)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(huán)氧樹脂復(fù)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?yàn)?°，順時(shí)針為負(fù)角度，逆時(shí)針為正角度，[±15°]2表示+15°、-15°、+15°、-15°的鋪層順序。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明所述的承載大扭矩的方程式賽車碳纖維半軸質(zhì)量較扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度相同的傳統(tǒng)金屬半軸減重35％-45％，具有更小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可使傳動(dòng)平順性有效提高，大大提高賽車提速性能。

2、本發(fā)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(gòu)件不易發(fā)生共振破壞。碳纖維復(fù)合材料不會(huì)被銹蝕，半軸耐腐蝕性好，耐疲勞強(qiáng)度強(qiáng)，壽命高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種承載大扭矩的方程式賽車碳纖維半軸的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的剖視圖。

圖3為本發(fā)明所述的半軸接頭的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)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(qū)域3.1，定心凸臺(tái)3.2，限位凸臺(tái)3.3，減重凹槽3.4，花鍵段4。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)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(zhì)，通過環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)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(jié)的花鍵段4。膠接段3包括膠接區(qū)域3.1和若干個(gè)與碳纖維半軸主體1內(nèi)徑同半徑的定心凸臺(tái)3.2，定心凸臺(tái)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(qū)域3.1與定心凸臺(tái)3.2交替布置，膠接區(qū)域3.1在連接前需要進(jìn)行表面粗糙處理，以保證足夠的粘接強(qiáng)度。定心凸臺(tái)3.2與膠接區(qū)域3.1的高度差為0.2mm，保證膠層的厚度，且膠接區(qū)域3.1的總長(zhǎng)度至少為75mm，保證膠接可靠性。

膠接段3上設(shè)置有限位凸臺(tái)3.3，限位凸臺(tái)3.3位于膠接段3與花鍵段4連接處，半軸接頭內(nèi)還設(shè)有減重凹槽3.4，減重凹槽3.4槽深不能超過限位凸臺(tái)3.3的右端界面。在半軸接頭2內(nèi)還開有一個(gè)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(shí)碳纖維半軸主體內(nèi)氣壓沖破膠層，在膠層中形成空隙，影響粘接強(qiáng)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(huán)氧樹脂的復(fù)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(jī)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(duì)碳纖維半軸主體的粘接內(nèi)表面進(jìn)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(jìn)行車銑機(jī)加工，得到半軸接頭半成品，并對(duì)連接三球銷的外花鍵進(jìn)行高頻淬火的熱處理，熱處理后再進(jìn)行裝配性的精加工。用砂紙對(duì)半軸接頭的粘接區(qū)域進(jìn)行內(nèi)表面打磨，并保證留有0.2mm的粘接厚度，膠粘總長(zhǎng)度為75mm。

3、對(duì)加工好的碳纖維半軸主體與半軸接頭用dp460環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠進(jìn)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)載荷。而碳纖維復(fù)合材料是各向異性材料，對(duì)于碳纖維軸件，0°、±15°主要是提供扭轉(zhuǎn)剛度，±45°、90°主要是提供扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，故通過分析優(yōu)化，設(shè)計(jì)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(nèi)徑，向外纏繞鋪層，其中軸向規(guī)定為0°。以t700碳纖維紗/環(huán)氧樹脂作為材料，采用半干法纏繞成型的方式進(jìn)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(shè)計(jì)成與三球銷萬向節(jié)標(biāo)準(zhǔn)件裝配。半軸接頭膠接端需留有若干個(gè)與碳纖維半軸主體內(nèi)徑小間隙配合的定心凸臺(tái)進(jìn)行定心，膠接區(qū)域相對(duì)于定心凸臺(tái)的深度為0.2mm，為粘接劑空間。根據(jù)許用剪切強(qiáng)度計(jì)算，粘接總長(zhǎng)度至少為為52.59mm，故所述的半軸接頭膠接端粘接凹槽總長(zhǎng)度放大設(shè)計(jì)成75mm。為了提高粘接強(qiáng)度，半軸接頭需開一個(gè)直徑為4mm的通孔進(jìn)行通氣，防止粘接過程半軸內(nèi)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(qiáng)度。所述的半軸接頭膠接端與花鍵端間須留有一限位凸臺(tái)進(jìn)行限位，花鍵端與限位凸臺(tái)圓角過度均勻，無尖角。

為了更進(jìn)一步減輕碳纖維半軸整體重量，減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，所述的半軸接頭內(nèi)設(shè)有減重凹槽，所述減重凹槽深度不超過膠接段與限位凸臺(tái)最接近的第一個(gè)定心凸臺(tái)。

本發(fā)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(xiàn)象。

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

單搭接接頭實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定條件：溫度20℃，碳纖維層合板長(zhǎng)100mm、寬25mm、厚1.6mm，金屬板長(zhǎng)100mm、寬25mm、厚1.6mm，膠層厚度0.2mm、膠接長(zhǎng)度12.5mm，膠接面粗糙處理。

實(shí)驗(yàn)可變條件：膠粘劑的選擇

表2顯示不同粘接劑對(duì)粘接極限拉力的影響

表2

以上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明dp460可選為膠接金屬與碳纖維復(fù)合材料的理想粘接劑。

本發(fā)明所述的碳纖維半軸質(zhì)量較扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度相同的傳統(tǒng)金屬半軸減重35％-45％，具有更小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可使傳動(dòng)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(gòu)件不易發(fā)生共振破壞。碳纖維復(fù)合材料不會(huì)被銹蝕，半軸耐腐蝕性好，耐疲勞強(qiáng)度強(qiáng)，壽命高。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種變動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。