呂慶祥 王新建 劉西超

摘 要：在Honda節(jié)能賽車車身設(shè)計(jì)中，單體殼是一種新型的結(jié)構(gòu)技術(shù)車身，具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。解決了傳統(tǒng)半承載式車殼的車殼與車架連接不良晃動、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)度高滿足賽場苛刻的賽道要求。該文主要研究對象是單體殼這種新型的結(jié)構(gòu)技術(shù)車身，對單體殼進(jìn)行的設(shè)計(jì)直走過程進(jìn)行研究，使制作出的單體殼車身在滿足降低風(fēng)阻和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同時(shí)也解決車手操作空間的緊湊性。

關(guān)鍵詞：單體殼；輕量化；碳纖維；強(qiáng)度

中圖分類號：U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Honda節(jié)能競技大賽是一項(xiàng)以注重能源、創(chuàng)造節(jié)約型社會為主體的賽事。車身作為賽車的主體部分，主要負(fù)責(zé)承載車手及發(fā)動機(jī)的重量及減小風(fēng)阻。為了滿足賽事規(guī)則、提高比賽成績以及保護(hù)車手的安全，因此在設(shè)計(jì)車殼時(shí)主要從輕量化、降低風(fēng)阻系數(shù)以及車殼的安全強(qiáng)度入手。在實(shí)際比賽過程中也時(shí)常會有使用半承載式車殼的車隊(duì)，但其造成油耗較高甚至翻車的情況。因此一款重量低、強(qiáng)度高、風(fēng)阻低的單體殼對比賽來說十分重要。

1 本田節(jié)能賽車車身的結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)思路與目標(biāo)

本田節(jié)能賽車傳統(tǒng)的全包式半承載式車身是由車架與復(fù)合材料車殼由連接螺栓連接而成的，復(fù)合材料車殼被分為車殼底部、車殼頭部、車殼尾部3個(gè)部分，車架是由6061鋁合金方管焊接而成。其主要優(yōu)點(diǎn)是車手的操作空間較大、視野較廣和整體美觀等優(yōu)點(diǎn)，但相應(yīng)的存在車殼與車架連接不牢高速時(shí)車殼抖動嚴(yán)重、車殼質(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，因此在解決車殼晃動和結(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。

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

1.2 車身材料的選擇

單體殼車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。考慮到賽車對基體力學(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)氧樹脂作為基體。

1.3 車身制作工藝的選擇

碳纖維復(fù)合材料加工工藝是在一類產(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)出車殼模型，整體感覺設(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)過程中將其兩側(cè)棱角處設(shè)計(jì)成流線型，可以降低風(fēng)阻，能夠讓空氣在與車殼頭部接觸時(shí)會沿著預(yù)定的運(yùn)動軌跡流動，從而減小風(fēng)阻。

在這個(gè)設(shè)計(jì)過程中考慮到車殼的輕量化，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過大其工作面會增加，整個(gè)加工制作過程任務(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 陽模的設(shè)計(jì)與制作

第一步先用砂紙將車殼模型進(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脂干燥以后，看面是否光滑平整，如果平整則開始噴膠衣，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?，盡量保證陽模的平面性和光滑性，等原子灰膩?zhàn)痈稍镆院箝_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，第四步噴膠衣對陽模表面進(jìn)行噴膠衣。首先，對膠衣按照比例配比，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)候要注意樹脂要噴得均勻從左至右從上到下依次噴涂使整個(gè)陽模表面噴涂均勻，使表面看起來光滑。

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模上。第三步將在卡板與陽模接觸處填上工業(yè)油泥。陽模被分成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)氧樹脂使碳布更好的貼合在模具上。第三步將蜂窩鋁按車架承載結(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，用閥門夾住樹脂導(dǎo)流管，按比例調(diào)制導(dǎo)流樹脂，然后連接導(dǎo)入管，按比例調(diào)制導(dǎo)流樹脂，然后連接導(dǎo)入管，關(guān)掉樹脂導(dǎo)入管和導(dǎo)出管，等待成品的形成。

3 實(shí)驗(yàn)對比

通過模擬賽場實(shí)際的工況，對制作出的單體殼與傳統(tǒng)半承載式車身的數(shù)據(jù)收集與實(shí)驗(yàn)對比，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為各車輛滾動阻力和空氣阻力以及滑行量的比較。

4 結(jié)語

該文通過理論與實(shí)踐結(jié)合確定了碳纖維單體殼的設(shè)計(jì)制作過程，碳纖維復(fù)合材料與單體殼的結(jié)合，使車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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