一种FSAE赛车复合材料轮辋及其成型方法
技术领域
本发明属于FSAE方程式赛车技术领域，具体涉及一种FSAE赛车复合材料轮辋及其成型方法。
背景技术
大学生方程式汽车大赛(FSAE/Formula Student)是一项由高等院校汽车工程或相关专业在校生组队参加的汽车设计与制造比赛，类似于大学生的F1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小型方程式赛车，进行成本、营销、设计、加速、耐久、油耗等，全方位的动静态比赛。
轮辋轻量化能够有效减轻FSAE赛车的簧下质量，对提升赛车的操控稳定性有着至关重要的作用。目前，铝合金轮辋和镁合金轮辋都已经在FSAE赛车上取得了较为广泛的应用，不少轮辋制造商也将FSAE轮辋作为产品发展领域的一部分。然而复合材料轮辋由于材料价格较高，工艺复杂，且耐久性和抗疲劳性能较差原因，还未在FSAE赛事上普及应用，将FSAE赛车碳纤维轮辋作为产品发展领域的公司和企业也非常少。
现有技术中，由DYMAG赛车公司公开的专利号为CN101218110A，专利名称为“车轮”的专利，轮辋由塑料制成，轮辐单元或轮盘用金属制成，在轮辋底部周围依圆周分布地设置多个螺栓形式的连接件，将其旋入轮辐单元或轮盘的螺纹孔中，组成轮辋；由北京纳盛新材料科技有限公司公开的的专利号为CN201420496310.2，专利名称为“一种长碳纤维增强热塑性复合材料汽车轮毂”，该轮毂将复合材料与碳纤维结合，具有强度高，散热性好等特点；由中信戴卡股份有限公司公开的专利号为CN205853745U，专利名称为“一种组合式车轮”，通过止转圈结构设计，增大了铝合金与复合材料体的接触面积，解决了紧固力矩下降、可靠性低、车轮失效问题，但是加工方式较为复杂；由哈尔滨工业大学(威海)公开的专利号为CN110254128A，专利名称为“一种碳纤维三片式组合轮辋及其成型模具”，其内外轮辋通过高强密封胶粘接，内外轮辋及其模具分开制作。由浙江大学公开的专利号为CN207388741U，专利名称为“一种一体化成型碳纤维复合材料轮辋”的专利，该一体化成型轮辋，其轮辋底与轮辐全部采用圆角过渡，避免应力集中，幅板与轮毂采用连续纤维连接，使用凹槽结构改进轮辐与轮辋的连接处。
这些轮辋的结构和成型方法都一定程度上解决了特定工况下轮辋的结构和成型问题，但对轮辋抗冲击性能的研究较少，特别是对于FSAE赛车用轮辋，其承受的侧向力较大，且常为交变动载荷，对其侧向刚度和抗冲击性要求尤为严格，难以满足该需求。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种FSAE赛车复合材料轮辋及其成型方法，在保证良好的制动散热性能的前提下，具有良好的侧向刚度，抗冲击性能，且成型容易。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种FSAE赛车复合材料轮辋，包括内轮辋、外轮辋以及连接盘，所述内轮辋为圆筒状，所述外轮辋为圆盘状，所述外轮辋通过连接件安装在所述内轮辋端面，所述外轮辋与内轮辋均由纤维材质制得，内部设有夹心层，所述外轮辋包括外轮辋本体以及与外轮辋本体一体成型的辐条，所述辐条的端部与所述连接盘连接为一体。
进一步地，所述夹心层包括但不限于泡沫或蜂窝材料，与外侧纤维层构成”三明治”结构，轻量化的同时增强了轮辋的侧向刚度，所述纤维材质为碳纤维与芳纶纤维的混合，其中芳纶纤维能够显著提高轮辋的抗冲击性，碳纤维提供强度和刚度。
进一步地，所述辐条短而宽，辐条数目为3～5条，所述幅条之间设有椭圆型开孔，椭圆型开孔能保证轮辋转动时制动盘的散热效能。
所述辐条末端与所述连接盘通过镶嵌结构相连接，能够防止辐条和连接盘在旋转扭矩下发生窜动。
进一步地，所述内轮辋与外轮辋边缘的轮缘厚度为6-8mm，轮缘的高度为10-15mm，以确保能够承受轮胎传递到轮辋内侧的侧向力。
进一步地，所述内轮辋圆周面上还设有便于轮胎装卸的凹槽结构，所述内轮辋与外轮辋在所述轮缘的内侧还设有3-5mm的凸台，以防止在赛车极大侧向力下轮胎从轮辋内脱出。
进一步地，所述外轮辋由外层的纤维铺层和内层的外轮辋夹心层组成，所述外轮辋夹心层的形状与所述外轮辋本体的轮廓相匹配，所述纤维铺层包覆在所述外轮辋夹心层的外部，二者组合形成所述外轮辋本体。
进一步地，所述外轮辋夹心层的辐条末端设有楔形结构，所述连接盘圆周上设有与该楔形结构相匹配的槽形结构，二者镶嵌连接；
所述连接盘端面上设有凸台结构，所述外轮辋外层的纤维铺层搭接在所述连接盘表面的凸台结构上；
所述连接盘为铝制，所述连接盘端面设有多个盲孔，用于与车轮心轴连接。
进一步地，所述纤维铺层厚度为1-5mm，所述外轮辋的轮缘处纤维铺层厚度不少于3mm；
所述纤维铺层通过0.2～0.3mm厚度的环氧树脂胶膜与外轮辋夹心层及连接盘粘结。
进一步地，所述内轮辋设有用于与所述外轮辋螺栓连接的法兰盘，所述法兰盘内部铺设用于增强刚度的内轮辋夹心层，所述内轮辋夹心层的厚度为3-5mm；
所述外轮辋通过钛合金螺栓与所述内轮辋连接，并在螺栓连接孔内设置预埋件，避免螺栓对结构造成磨损。
一种FSAE新型复合材料轮辋的成型工艺，具体包括以下步骤：
步骤1，依据设计需求加工出内轮辋与外轮辋的夹心层部分，同时加工出法兰连接孔处的预埋件；
步骤2，在外轮辋模具表面上铺设碳纤维及芳纶纤维铺层，在外轮辋轮缘处进行局部补强，对于连接盘区域，保留纤维铺层用于与连接盘搭接；
步骤3，在铺设好的碳纤维蒙皮上铺设环氧树脂胶膜；
步骤4，将连接盘镶嵌结构与预埋件外表面铺设环氧树脂的胶膜，并与夹心层部分装配粘接，将其覆盖粘接于所铺设的外轮辋碳纤维铺层上；
步骤5，在铺设的夹心层上继续铺设碳纤维及芳纶纤维铺层，并与步骤2所铺设的铺层搭接以使铺层闭合；
步骤6，用相同于步骤2～5的方法铺设内轮辋，铺层厚度依据不同区域而有所不同；
步骤7，将铺设完成的预型件进行封袋，抽真空处理；
步骤8，将封袋完成的制件放入热压罐内，同时进行袋内抽真空和袋外惰性气体加压处理，同时按照所用环氧树脂的固化曲线进行加热加压处理，使制件固化成型；
步骤9，冷却并卸压，将制件从热压罐内取出，脱模取出制件，进行后处理得到成品。
与现有发明相比，本发明具有以下优点：
1、提供了一种FSAE赛车复合材料轮辋，与现有FSAE铝合金和镁合金轮辋相比，大大减轻赛车簧下质量，提升赛车动力学性能，同时轮辋辐条之间设有椭圆形开孔，保证了赛车制动盘的散热性能。
2、本发明外轮辋及辐条处，内轮辋端面法兰处利用夹心材料与纤维构成“三明治”结构，轻量化的同时增强了轮辋的侧向刚度；辐条末端设有楔形结构，同时连接盘圆周上设有与该楔形结构相匹配的槽形结构，通过装配粘接防止窜动失效，增强了轮辋的可靠性；
3、本发明基于芳纶纤维优异的耐冲击特性，将芳纶纤维按照一定比例混合铺设到碳纤维铺层中，在充分利用碳纤维复合材料高强度，轻量化优势的基础上弥补了其不耐冲击的缺点，增强了轮辋主体的抗冲击性。
4、提供了一种FSAE轮辋的成型方法，将内外轮辋分体成型，降低了模具加工难度和制件铺设难度，内轮辋和辐条一体成型使得整体强度和刚度更高，将外轮辋铺层和连接盘搭接，提高轮辋的可靠性。
附图说明
图1为本发明轮辋组装后的整体结构示意图；
图2为本发明轮辋爆炸示意图；
图3为本发明外轮辋与连接盘的爆炸示意图；
图4为本发明连接盘的结构示意图；
图5为本发明外轮辋夹心层的结构示意图；
图6为本发明外轮辋纤维铺层的结构示意图；
图7、8、9为本发明连接盘与外轮辋夹心层的装配结构示意图；
图10为本发明轮辋的圆周面结构示意图；
图11为本发明外轮辋的局部剖视图。
图中：1-内轮辋，2-外轮辋，3-连接盘，4-环氧树脂胶膜，5-预埋件，101-内轮辋夹心层，102-轮缘，103-凸台，104-凹槽结构，201-纤维铺层，202-外轮辋夹心层，203-楔形结构，301-槽形结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1、2，一种FSAE赛车复合材料轮辋，包括内轮辋1、外轮辋2以及连接盘3，内轮辋1为圆筒状，外轮辋2为圆盘状，外轮辋2通过连接件安装在内轮辋1端面，外轮辋2与内轮辋1均由纤维材质制得，内部设有夹心层，外轮辋2包括外轮辋本体以及与外轮辋本体一体成型的辐条，辐条的端部与连接盘3连接为一体。其中，夹心层包括但不限于泡沫或蜂窝材料，纤维材质为碳纤维或芳纶纤维。
如图3，辐条短而宽，辐条数目为3～5条，幅条之间设有椭圆型开孔，椭圆型开孔能保证轮辋转动时制动盘的散热效能，如图7、8，辐条末端与连接盘3通过镶嵌结构相连接，能够防止辐条和连接盘3在旋转扭矩下发生窜动。
如图10，内轮辋1与外轮辋2边缘的轮缘102厚度为6-10mm，轮缘102的高度为10-12mm，以确保能够承受轮胎传递到轮辋内侧的侧向力，内轮辋1圆周面上还设有便于轮胎装卸的凹槽结构104，内轮辋1与外轮辋2在轮缘102的内侧还设有3-5mm的凸台103，以防止在赛车极大侧向力下轮胎从轮辋内脱出。
如图3、5、6，外轮辋2由外层的纤维铺层201和内层的外轮辋夹心层202组成，外轮辋夹心层202的形状与外轮辋本体的轮廓相匹配，纤维铺层201包覆在外轮辋夹心层202的外部，二者组合形成外轮辋本体。
如图9，外轮辋夹心层202的辐条末端设有楔形结构203，如图4，连接盘3圆周上设有与该楔形结构203相匹配的槽形结构301，二者镶嵌连接，如图7、8，连接盘3端面上设有凸台结构，外轮辋2外层的纤维铺层搭接在连接盘3表面的凸台结构上，连接盘3为铝制，连接盘3端面设有多个盲孔，用于与车轮心轴连接。纤维铺层201厚度为1-5mm，外轮辋2的轮缘处纤维铺层201厚度不少于3mm；如图11，纤维铺层201通过0.2～0.3mm厚度的环氧树脂胶膜4与外轮辋夹心层202及连接盘3粘结。
如图2，内轮辋1设有用于与外轮辋2螺栓连接的法兰盘，法兰盘内部铺设用于增强刚度的内轮辋夹心层101，内轮辋夹心层101的厚度为3-5mm；外轮辋2通过钛合金螺栓与内轮辋1连接，并在螺栓连接孔内设置预埋件5，避免螺栓对结构造成磨损。
上述碳纤维轮辋生产工艺，包括以下步骤：
步骤1，依据设计需求加工出内轮辋法兰处夹芯材料4与外轮辋幅条处的夹芯材料5部分，同时加工出法兰连接孔处的预埋件；
步骤2，在外轮辋模具表面上铺设不少于1mm的碳纤维铺层，在外轮辋轮缘处进行局部补强，使其厚度不少于3mm，特别地，对于连接盘区域，保留1mm厚度碳纤维铺层用于与连接盘搭接；
步骤3，在铺设好的碳纤维蒙皮上铺设0.2～0.3mm厚度的环氧树脂胶膜7；
步骤4，将将铝制连接盘3的镶嵌结构与预埋件外表面铺设0.2～0.3mm的胶膜7，并与夹心材料4装配连接，将其覆盖粘接于所铺设的外轮辋2的碳纤维蒙皮上；
步骤5，在铺设的内轮辋夹心材料4上继续铺设不小于2mm的碳纤维铺层，并将铺层闭合。
步骤6，用相同于2～5步骤的方法铺设内轮辋，铺层厚度依据不同区域而有所不同；
步骤7，将铺设完成的预型件进行封袋，抽真空处理；
步骤8，将封袋完成的制件放入热压罐内，同时进行袋内抽真空和袋外惰性气体加压处理，同时按照所用环氧树脂的固化曲线进行加热加压处理，使制件固化成型；
步骤9，冷却并卸压，将制件从热压罐内取出，脱模取出制件，进行后处理得到成品。
在本实施例中，所用碳纤维材料为型号T700，克重为220g/m2的预浸材料，芳纶纤维为型号Kevlar-49，克重为200g/m2的预浸材料。两种材料以约3：1的面积比例混合铺设，但在不同结构中，材料比例应有所差异，以充分发挥材料性能。
在本实施例中，所得复合材料轮辋质量为1.83kg，比铝合金轮辋轻约40％，比镁合金轮辋轻约19.3％，轻量化效果明显；侧向刚度为3406.98N/mm，能够满足FSAE赛车的工况需求。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
