呂慶祥 王新建 劉西超

摘 要：在Honda節(jié)能賽車(chē)車(chē)身設(shè)計(jì)中，單體殼是一種新型的結(jié)構(gòu)技術(shù)車(chē)身，具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。解決了傳統(tǒng)半承載式車(chē)殼的車(chē)殼與車(chē)架連接不良晃動(dòng)、重量高的缺點(diǎn)，研究單體殼的設(shè)計(jì)思路與制作流程。使制作出的單體殼重量輕、風(fēng)阻小、強(qiáng)度高滿(mǎn)足賽場(chǎng)苛刻的賽道要求。該文主要研究對(duì)象是單體殼這種新型的結(jié)構(gòu)技術(shù)車(chē)身，對(duì)單體殼進(jìn)行的設(shè)計(jì)直走過(guò)程進(jìn)行研究，使制作出的單體殼車(chē)身在滿(mǎn)足降低風(fēng)阻和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同時(shí)也解決車(chē)手操作空間的緊湊性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)误w殼；輕量化；碳纖維；強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Honda節(jié)能競(jìng)技大賽是一項(xiàng)以注重能源、創(chuàng)造節(jié)約型社會(huì)為主體的賽事。車(chē)身作為賽車(chē)的主體部分，主要負(fù)責(zé)承載車(chē)手及發(fā)動(dòng)機(jī)的重量及減小風(fēng)阻。為了滿(mǎn)足賽事規(guī)則、提高比賽成績(jī)以及保護(hù)車(chē)手的安全，因此在設(shè)計(jì)車(chē)殼時(shí)主要從輕量化、降低風(fēng)阻系數(shù)以及車(chē)殼的安全強(qiáng)度入手。在實(shí)際比賽過(guò)程中也時(shí)常會(huì)有使用半承載式車(chē)殼的車(chē)隊(duì)，但其造成油耗較高甚至翻車(chē)的情況。因此一款重量低、強(qiáng)度高、風(fēng)阻低的單體殼對(duì)比賽來(lái)說(shuō)十分重要。

1 本田節(jié)能賽車(chē)車(chē)身的結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)思路與目標(biāo)

本田節(jié)能賽車(chē)傳統(tǒng)的全包式半承載式車(chē)身是由車(chē)架與復(fù)合材料車(chē)殼由連接螺栓連接而成的，復(fù)合材料車(chē)殼被分為車(chē)殼底部、車(chē)殼頭部、車(chē)殼尾部3個(gè)部分，車(chē)架是由6061鋁合金方管焊接而成。其主要優(yōu)點(diǎn)是車(chē)手的操作空間較大、視野較廣和整體美觀等優(yōu)點(diǎn)，但相應(yīng)的存在車(chē)殼與車(chē)架連接不牢高速時(shí)車(chē)殼抖動(dòng)嚴(yán)重、車(chē)殼質(zhì)量較重、風(fēng)阻系數(shù)較大和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠的缺點(diǎn)。所以該文的研究對(duì)象碳纖維單體殼采用質(zhì)量減輕的蜂窩鋁預(yù)埋于碳纖維復(fù)合材料中使其成為一體，因此在解決車(chē)殼晃動(dòng)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輕量化的主旨，并且在設(shè)計(jì)時(shí)以水滴為原型將其風(fēng)阻系數(shù)降到最低。

該文主要研究對(duì)象是單體殼這種新型的結(jié)構(gòu)技術(shù)車(chē)身，對(duì)單體殼進(jìn)行的設(shè)計(jì)直走過(guò)程進(jìn)行研究，使制作出的單體殼車(chē)身在滿(mǎn)足降低風(fēng)阻和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同時(shí)也解決車(chē)手操作空間的緊湊性。

1.2 車(chē)身材料的選擇

單體殼車(chē)身采用碳纖維層加上鋁蜂窩芯組成的夾層結(jié)構(gòu).碳纖維布由基體和碳纖維絲組成，基體的作用是將碳纖維絲黏結(jié)在一起，使其處于合適的方向和位置，以便纖維均勻地承受載荷，并保證復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度?？紤]到賽車(chē)對(duì)基體力學(xué)性能要求高，同時(shí)復(fù)合材料將在常溫中工作，因此選擇環(huán)氧樹(shù)脂作為基體。

1.3 車(chē)身制作工藝的選擇

碳纖維復(fù)合材料加工工藝是在一類(lèi)產(chǎn)品特性的基礎(chǔ)上根據(jù)材料的特性及應(yīng)用領(lǐng)域而不斷發(fā)展演變的。碳纖維復(fù)合材料在發(fā)揮輕質(zhì)、高強(qiáng)的基礎(chǔ)上，也根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同而采取不同的成型制作工藝，從而最大限度地發(fā)揮出碳纖維材料所具有的特殊性能。該文制作的碳纖維單體殼選擇的制作工藝選擇手糊成型工藝和抽真空樹(shù)脂輔助灌注工藝。

1.4 單體殼的設(shè)計(jì)建模

結(jié)合三維車(chē)架并預(yù)估駕駛?cè)藛T身高，由于之前計(jì)算風(fēng)阻系數(shù)以及模型設(shè)計(jì)靈感，設(shè)計(jì)出車(chē)殼模型，整體感覺(jué)設(shè)計(jì)成為水滴形狀，考慮到其造型影響風(fēng)阻系數(shù)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中將其兩側(cè)棱角處設(shè)計(jì)成流線(xiàn)型，可以降低風(fēng)阻，能夠讓空氣在與車(chē)殼頭部接觸時(shí)會(huì)沿著預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡流動(dòng)，從而減小風(fēng)阻。

在這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到車(chē)殼的輕量化，因此將其后端設(shè)計(jì)得較為狹窄，其好處有以下幾點(diǎn)：第一，在制作過(guò)程中可以節(jié)省一部分制作材料。第二，在加工方面，為工作人員可以節(jié)省一部分時(shí)間，因?yàn)槊娣e過(guò)大其工作面會(huì)增加，整個(gè)加工制作過(guò)程任務(wù)加重，加工難度增高。因棱角分明加工難度較高，因此選用圖2模型進(jìn)行加工。第三，考慮到在整個(gè)設(shè)計(jì)之初衷，必須將車(chē)身自重減小，所以在整個(gè)設(shè)計(jì)中能減少的材料盡量減少。

2 模具制作

2.1 陽(yáng)模的設(shè)計(jì)與制作

第一步先用砂紙將車(chē)殼模型進(jìn)行打磨，將表面拋光，把表面的刻痕磨掉并將環(huán)氧樹(shù)脂按比例調(diào)好，均勻地刷在模型上。第二步刮膩?zhàn)?；將膩?zhàn)臃?、水、工業(yè)膠按100︰15︰15的比例混合好，待環(huán)氧樹(shù)脂干燥后，在模型上先涂一層工業(yè)膠，目的是為了在刮膩?zhàn)訒r(shí)將模型上的細(xì)小裂紋修復(fù)。

第三步刮原子灰等樹(shù)脂干燥以后，看面是否光滑平整，如果平整則開(kāi)始噴膠衣，如果不平則在不平整的地方將調(diào)和好的原子灰膩?zhàn)庸卧谏厦?，盡量保證陽(yáng)模的平面性和光滑性，等原子灰膩?zhàn)痈稍镆院箝_(kāi)始進(jìn)行研磨，因?yàn)槟z衣固化之好不易研磨所以需要進(jìn)行水磨，第四步噴膠衣對(duì)陽(yáng)模表面進(jìn)行噴膠衣。首先，對(duì)膠衣按照比例配比，比例是膠衣100︰固化劑2︰調(diào)和劑1需要放在陰涼地配比，防止膠衣固化太快。，噴膠衣的時(shí)候要注意樹(shù)脂要噴得均勻從左至右從上到下依次噴涂使整個(gè)陽(yáng)模表面噴涂均勻，使表面看起來(lái)光滑。

2.2 陰模的設(shè)計(jì)與制作

2.2.1 陰模制作準(zhǔn)備工作

第一步找平陽(yáng)模膠衣平面，進(jìn)行二次膠衣的噴涂。第二步進(jìn)行打蠟、分形、堵油泥當(dāng)?shù)诙幽z衣干燥后，將已經(jīng)準(zhǔn)備好的分型板固定在陽(yáng)模上。第三步將在卡板與陽(yáng)模接觸處填上工業(yè)油泥。陽(yáng)模被分成3個(gè)部分，先將工業(yè)油泥高溫加熱成黏稠狀，填入縫隙時(shí)讓卡板與陽(yáng)模之間的縫隙填好不要有一絲漏光出現(xiàn)。

2.2.2 陰模制作過(guò)程

第一步在模具上涂抹PMR脫模劑，在模具上均勻的噴涂環(huán)氧兼容聚酯膠衣。第二步在模具邊緣黏貼密封膠帶，鋪上一層碳布，噴適量的環(huán)氧樹(shù)脂使碳布更好的貼合在模具上。第三步將蜂窩鋁按車(chē)架承載結(jié)構(gòu)預(yù)埋在第一層碳布之上，并在鋪上一層碳布。并將多余的碳布裁剪掉，鋪上一層強(qiáng)芯氈，保證強(qiáng)度的同時(shí)節(jié)省成本。第四步鋪好導(dǎo)流網(wǎng)、在導(dǎo)流網(wǎng)的邊緣鋪設(shè)進(jìn)料螺旋管，使導(dǎo)流樹(shù)脂從四周導(dǎo)入，吸得比較均勻。同時(shí)將2個(gè)抽真空和吸注樹(shù)脂用的注膠座固定在導(dǎo)流網(wǎng)邊緣，在真空薄膜上打孔，插入導(dǎo)管并用密封膠帶與注膠座連接好，然后連接真空泵和收集器，進(jìn)行抽真空。第五步抽真空結(jié)束，用閥門(mén)夾住樹(shù)脂導(dǎo)流管，按比例調(diào)制導(dǎo)流樹(shù)脂，然后連接導(dǎo)入管，按比例調(diào)制導(dǎo)流樹(shù)脂，然后連接導(dǎo)入管，關(guān)掉樹(shù)脂導(dǎo)入管和導(dǎo)出管，等待成品的形成。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

通過(guò)模擬賽場(chǎng)實(shí)際的工況，對(duì)制作出的單體殼與傳統(tǒng)半承載式車(chē)身的數(shù)據(jù)收集與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出單體殼具有輕量化（單體殼只有10 kg），風(fēng)阻系數(shù)小，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。表1為各車(chē)輛滾動(dòng)阻力和空氣阻力以及滑行量的比較。

4 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)理論與實(shí)踐結(jié)合確定了碳纖維單體殼的設(shè)計(jì)制作過(guò)程，碳纖維復(fù)合材料與單體殼的結(jié)合，使車(chē)身輕量化得到最大優(yōu)化，風(fēng)阻系數(shù)降為最低。同時(shí)也使車(chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到更大的進(jìn)步，制作成本得到控制。

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