环氧树脂胶粘合转动轴对汽车侧倾稳定性影响研究

2019-11-08 06:01:33 粘接 2019年9期

张晓伟

摘要:当车辆受到侧向力作用时,可能会出现侧倾现象,影响行车安全。影响汽车侧倾稳定性的因素很多,其中转动轴的性能是影响汽车侧倾稳定性的主要因素之一。环氧树脂胶具有稳定性强、耐腐蚀性好、粘接性强等优点被广泛应用于工程领域。将环氧树脂胶用于粘合的汽车的轴转,有利于提高汽车侧倾的稳定性。文章介绍了环氧树脂胶粘合转动轴的性能及优势,并探究了这种转动轴对汽车侧倾稳定性的影响,结果表明环氧树脂胶粘合的转动轴能够显著提高汽车侧倾的稳定性。

关键词:环氧树脂胶;转动轴;汽车;侧倾稳定性

中图分类号:T0433.4+37 文献标识码:A 文文章编号:1001-5922(2019)09-0066-05

随着汽车的普遍使用,存在的安全问题也逐渐显露出来,其中转动轴稳定性与侧倾运动是控制小汽车行驶安全的主要因素。如果转动轴丧失稳定性,那么汽车将会失去转向能力甚至会产生激烈回转,从而导致汽车失去稳定性引起侧翻。因此,如何提高汽车侧倾稳定性是保障行车安全的关键。为了满足工程应用需求,具有优异性能的环氧树脂胶被发现并用于汽车制造中改善汽车稳定性,汽车转动轴的粘合过程就是提高汽车稳定性的主要应用之一。

1环氧树脂胶粘合转动轴的结构性质

1.1环氧树脂胶粘合技术及性质

胶粘剂是一种可以通过自身具有的粘合特性与被粘合材料在界面处产生黏附作用力,从而将不同的材料牢牢地粘合在一起的高分子材料。胶粘剂的种类很多,环氧树脂胶粘剂是其中粘接性能特别优异的一种。这种胶粘剂不仅是航天等高端科技产品上必不可少的粘合材料,在工程上的各个领域都有应用。例如,在汽车工业上环氧树脂胶粘剂被运用到转动轴的粘合上,可以提高汽车侧倾稳定性。

用于汽车转动轴粘合的环氧树脂胶粘合技术具有如下特点。

1)粘合性能优良;环氧树脂胶对各种极性的材料都能够完美粘合,即使是镁和铝这样的轻质金属也能够很轻松地被粘合。

2)粘合形成的接头受力均匀,因此粘合后得到的组合接头抗击能力依然很强。

3)耐温性能好,固化所需的时间很短,能够满足工业需求。

4)胶粘剂的使用方法简单,制备工艺也很成熟,生产成本较低。

5)属于非电解质,能够起到防止金属腐蚀的作用。使用其他粘合剂将不同金属粘接起来会在粘合的界面处形成原电池结构导致加快金属的腐蚀,减少材料的使用寿命。而环氧树脂胶是有机物,不属于电解质,不能与界面处的金属材料形成“电池”结构,因此能够保护材料,增加材料的使用寿命。

1.2环氧树脂胶黏剂的蠕变特性

高分子材料环氧树脂表面带有含有环氧官能团,催化剂可以通过催化该环氧基团之间发生缩聚反应,而产生液态的环氧树脂胶粘剂。蠕变时指材料在恒温恒压条件下随着时间的流逝而产生形变的现象,当环氧树脂胶长期处于湿热环境中时也会发生一定的蠕变。虽然该胶粘剂粘合l生能优良、粘合形成的接头受力均匀、耐温陛能好还能起到防止金属腐蚀的作用,但是其所应用的工程领域环境恶劣,长时间处于这种环境当中,依然会面临蠕变的现象。因此,即使在汽车的转动轴的粘合中使用了环氧树脂胶粘剂,依然需要对汽车转动轴进行维护,防止因胶粘剂的蠕变而导致转动轴的损耗。

1.3环氧树脂胶黏剂的粘合失效

随着工业化的发展,胶粘剂被普遍应用于工业生产中。而在胶粘剂的使用中有时会产生粘合失效的问题,因此我们需要对粘接结构有所了解,以便更好地了解环氧树脂胶粘合转动轴的性能。如下图1所示为胶粘剂对材料进行粘合時可能发生粘合失效的方式:

如图1(a)所示为粘合界面处的失效,这种情况下被粘合材料和胶粘剂都没有被破坏,只是胶粘剂与材料之间发生分离。出现(a)中所示的粘合失效是由于被粘接材料的强度强于粘合界面处的黏附强度。如图1(b)所示的失效方式为粘合层失效,由图(b)可以看出被粘合的材料部分并未受损,而粘合剂的结构发生断裂。出现这种情况的原因是在粘合过程中产生了气泡或者有杂质混人到胶粘剂中,使得粘合层的黏附强度变小,而引起胶粘剂开裂。如图1(c)所示为混合型断裂失效,从图中断裂情况可知在胶粘剂粘合的界面和胶粘剂本身都出现了裂纹,其原因可能是被粘合材料表面不够干净,带有油污或者黏附有杂质,也可能是由于被粘合的界面强度与胶粘剂黏附的强度大小相近。

利用环氧树脂胶粘剂粘合的汽车转动轴中,不论出现上述三中粘合失效中的哪一种,都会对转动轴的性能造成影响,使转动轴失去控制从而增加汽车侧倾的风险。

2环氧树脂胶粘合转动轴对汽车侧倾稳定性的影响

2.1汽车发生侧倾现象的原因

当汽车受到横向作用力时,会产生横向加速度,此时汽车行驶会发生偏转,是路面与轮胎之间的作用力发生改变,若此时转动轴不够灵敏,就会发生侧倾现象。保持汽车侧倾稳定性的方法很多,例如弯路设计时可以尽量增加弯曲道路的半径,人在控制车辆转弯时尽量降低车速,还可以通过在汽车上安装防抱死系统等等。而本文提出一种通过选择性能更加优异的转动轴一环氧树脂胶粘合转动轴来提高转动轴的灵敏度,从提高汽车侧倾稳定性的方法。

汽车发生侧倾而导致的行车事故可以分为侧滑和侧翻两种。下面分别解释汽车产生侧滑或侧翻的原因。如图2所示为汽车发生侧滑时的轨迹示意图。当人在驾驶汽车高速通过弯道或者进行超车时,会产生横向作用力,而导致车轮偏离行驶方向,就会出现图2所示的两种情况,不足转向和过度转向。如果汽车使用环氧树脂粘合的转动轴,则可以使汽车带有稳定控制系统,沿着期望的轨迹运行,使汽车偏转角度变小,减少事故的发生。

汽车发生侧翻是指汽车一侧的轮胎抬起离开地面,车辆发生翻转,如图3所示为汽车发生侧翻的示意图。汽车的侧翻主要包括与汽车与障碍物相撞引起的侧翻和由于驾驶员转向过度使得汽车的横向加速度过大而导致的侧翻。不论是哪种情况下导致的侧翻都会导致严重的交通事故,因此加强汽车侧倾稳定性是保障汽车行驶安全必不可少的方式。

2.2汽车侧倾稳定性研究模型

为了能够直观地分析汽车侧倾稳定性以便后面对环氧树脂粘合转动轴进行设计和研究,我们设计了如图4所示的汽车侧倾稳定性模型。如图所示,我们将汽车的质心设为坐标原点,汽车车身方向为x轴,横向方向为y轴,与x,y平面垂直的为z轴。

根据D'Alemben定理,作用于一个物体的外力与动力的反作用之和等于零。同理,在图4的模型中,汽车受到的惯性力而产生的力矩和汽车受到外力作用时的力矩之在数值上相等。

为了更好地帮助理解图4所表达的模型以及上述公式,我们对模型中的各个参数进行了定义,如下表1所示。

2.3基于环氧树脂粘合转动轴的汽车侧倾稳定性仿真实验

为了证明环氧树脂粘合转动轴对汽车侧倾稳定性提高的效果,以真实汽车作为研究模型,对该汽车进行了侧倾稳定性的仿真实验。下面是我们所作仿真实验的结果,如图5和6所示。

实验条件:路面附着系数为0.88,汽车由速度为0km/h加速到速度为90km/h,且驾驶员连续转换汽车行驶方向。而汽车转动轴是随汽车方向盘的转动而转动的,因此通过对方向盘转角的控制也是对汽车转动轴的控制。如图5所示为汽车方向盘转角与时间的关系曲线图,从图中拟合得到的正弦曲线可以看出,频率为0.8Hz,最大振幅为1.9rad。

我们对基于环氧树脂粘合转动轴的汽车侧倾稳定性进一步进行仿真实验,得到的结果如图6所示。实验结果可知,当对系统不施加控制时,相轨迹稳定在固定范围之内,摆角速度具有过度转向性。当车辆进行横摆运动时,实验结果的横摆值稳定在参考值附近。图6(3)可知,施加控制对车辆侧倾运动有一定的作用效果,提高了车辆的侧倾稳定性。图6(4)表示的时当车辆发生侧倾时,侧倾预警时间的变化曲线,由图可知,当预警时间为13-14.5s和17.8-19s时,侧傾稳定在一定范围内,表示车辆的正常侧倾稳定性受到威胁。

图6(5)表示当施加控制的情况,图中数字分别代表不同的控制模式,具体如下,1表示横摆控制,2表示侧倾控制,3表示横摆和侧倾的综合控制,0表示无控制。由图中曲线可知,车辆的控制模式与车辆状态有关,当预警时间小于阈值时,车辆控制方式为方式3,其它时间处于方式1控制。图6(6)表示纵向车速变化曲线,由图可知,当车辆处于控制器控制时车速波动变化较小,因此,此时车辆的状态是具有良好的舒适性。图6(7)和6(8)表示的是车辆在有控制和无控制状态时前轮转角和轮胎制动力的曲线,控制方式变化时,前轮转角和轮胎制动力变换缓慢,满足机械意义的安全约束。仿真结果表明,车辆正常运行时,基于环氧树脂胶粘合的转动轴能够满足机械意义的安全约束,切换车辆控制方式能有效的、保证车辆横摆和侧倾的稳定性。

3结语

影响汽车侧倾稳定性的因素很多,其中转动轴的性能是影响汽车侧倾稳定性的主要因素之一。将环氧树脂胶粘剂用于粘合的汽车的轴转,有利于提高汽车侧倾的稳定性。仿真结果表明,车辆正常运行时,基于环氧树脂胶粘合的转动轴能够满足机械意义的安全约束,切换车辆控制方式能有效的保证车辆横摆和侧倾的稳定性。