本田节能赛车单体壳制作技术研究
来源:用户上传
作者:
摘 要：在Honda节能赛车车身设计中，单体壳是一种新型的结构技术车身，具有较高的结构强度。解决了传统半承载式车壳的车壳与车架连接不良晃动、重量高的缺点，研究单体壳的设计思路与制作流程。使制作出的单体壳重量轻、风阻小、强度高满足赛场苛刻的赛道要求。该文主要研究对象是单体壳这种新型的结构技术车身，对单体壳进行的设计直走过程进行研究，使制作出的单体壳车身在满足降低风阻和结构强度同时也解决车手操作空间的紧凑性。
关键词：单体壳；轻量化；碳纤维；强度
中图分类号：U463 文献标志码：A
Honda節能竞技大赛是一项以注重能源、创造节约型社会为主体的赛事。车身作为赛车的主体部分，主要负责承载车手及发动机的重量及减小风阻。为了满足赛事规则、提高比赛成绩以及保护车手的安全，因此在设计车壳时主要从轻量化、降低风阻系数以及车壳的安全强度入手。在实际比赛过程中也时常会有使用半承载式车壳的车队，但其造成油耗较高甚至翻车的情况。因此一款重量低、强度高、风阻低的单体壳对比赛来说十分重要。
1 本田节能赛车车身的结构
1.1 设计思路与目标
本田节能赛车传统的全包式半承载式车身是由车架与复合材料车壳由连接螺栓连接而成的，复合材料车壳被分为车壳底部、车壳头部、车壳尾部3个部分，车架是由6061铝合金方管焊接而成。其主要优点是车手的操作空间较大、视野较广和整体美观等优点，但相应的存在车壳与车架连接不牢高速时车壳抖动严重、车壳质量较重、风阻系数较大和结构强度不够的缺点。所以该文的研究对象碳纤维单体壳采用质量减轻的蜂窝铝预埋于碳纤维复合材料中使其成为一体，因此在解决车壳晃动和结构强度的同时实现了轻量化的主旨，并且在设计时以水滴为原型将其风阻系数降到最低。
该文主要研究对象是单体壳这种新型的结构技术车身，对单体壳进行的设计直走过程进行研究，使制作出的单体壳车身在满足降低风阻和结构强度同时也解决车手操作空间的紧凑性。
1.2 车身材料的选择
单体壳车身采用碳纤维层加上铝蜂窝芯组成的夹层结构.碳纤维布由基体和碳纤维丝组成，基体的作用是将碳纤维丝黏结在一起，使其处于合适的方向和位置，以便纤维均匀地承受载荷，并保证复合材料的层间剪切强度。考虑到赛车对基体力学性能要求高，同时复合材料将在常温中工作，因此选择环氧树脂作为基体。
1.3 车身制作工艺的选择
碳纤维复合材料加工工艺是在一类产品特性的基础上根据材料的特性及应用领域而不断发展演变的。碳纤维复合材料在发挥轻质、高强的基础上，也根据应用对象的不同而采取不同的成型制作工艺，从而最大限度地发挥出碳纤维材料所具有的特殊性能。该文制作的碳纤维单体壳选择的制作工艺选择手糊成型工艺和抽真空树脂辅助灌注工艺。
1.4 单体壳的设计建模
结合三维车架并预估驾驶人员身高，由于之前计算风阻系数以及模型设计灵感，设计出车壳模型，整体感觉设计成为水滴形状，考虑到其造型影响风阻系数，因此在设计过程中将其两侧棱角处设计成流线型，可以降低风阻，能够让空气在与车壳头部接触时会沿着预定的运动轨迹流动，从而减小风阻。
在这个设计过程中考虑到车壳的轻量化，因此将其后端设计得较为狭窄，其好处有以下几点：第一，在制作过程中可以节省一部分制作材料。第二，在加工方面，为工作人员可以节省一部分时间，因为面积过大其工作面会增加，整个加工制作过程任务加重，加工难度增高。因棱角分明加工难度较高，因此选用图2模型进行加工。第三，考虑到在整个设计之初衷，必须将车身自重减小，所以在整个设计中能减少的材料尽量减少。
2 模具制作
2.1 阳模的设计与制作
第一步先用砂纸将车壳模型进行打磨，将表面抛光，把表面的刻痕磨掉并将环氧树脂按比例调好，均匀地刷在模型上。第二步刮腻子；将腻子粉、水、工业胶按100︰15︰15的比例混合好，待环氧树脂干燥后，在模型上先涂一层工业胶，目的是为了在刮腻子时将模型上的细小裂纹修复。
第三步刮原子灰等树脂干燥以后，看面是否光滑平整，如果平整则开始喷胶衣，如果不平则在不平整的地方将调和好的原子灰腻子刮在上面，尽量保证阳模的平面性和光滑性，等原子灰腻子干燥以后开始进行研磨，因为胶衣固化之好不易研磨所以需要进行水磨，第四步喷胶衣对阳模表面进行喷胶衣。首先，对胶衣按照比例配比，比例是胶衣100︰固化剂2︰调和剂1需要放在阴凉地配比，防止胶衣固化太快。，喷胶衣的时候要注意树脂要喷得均匀从左至右从上到下依次喷涂使整个阳模表面喷涂均匀，使表面看起来光滑。
2.2 阴模的设计与制作
2.2.1 阴模制作准备工作
第一步找平阳模胶衣平面，进行二次胶衣的喷涂。第二步进行打蜡、分形、堵油泥当第二层胶衣干燥后，将已经准备好的分型板固定在阳模上。第三步将在卡板与阳模接触处填上工业油泥。阳模被分成3个部分，先将工业油泥高温加热成黏稠状，填入缝隙时让卡板与阳模之间的缝隙填好不要有一丝漏光出现。
2.2.2 阴模制作过程
第一步在模具上涂抹PMR脱模剂，在模具上均匀的喷涂环氧兼容聚酯胶衣。第二步在模具边缘黏贴密封胶带，铺上一层碳布，喷适量的环氧树脂使碳布更好的贴合在模具上。第三步将蜂窝铝按车架承载结构预埋在第一层碳布之上，并在铺上一层碳布。并将多余的碳布裁剪掉，铺上一层强芯毡，保证强度的同时节省成本。第四步铺好导流网、在导流网的边缘铺设进料螺旋管，使导流树脂从四周导入，吸得比较均匀。同时将2个抽真空和吸注树脂用的注胶座固定在导流网边缘，在真空薄膜上打孔，插入导管并用密封胶带与注胶座连接好，然后连接真空泵和收集器，进行抽真空。第五步抽真空结束，用阀门夹住树脂导流管，按比例调制导流树脂，然后连接导入管，按比例调制导流树脂，然后连接导入管，关掉树脂导入管和导出管，等待成品的形成。
3 实验对比
通过模拟赛场实际的工况，对制作出的单体壳与传统半承载式车身的数据收集与实验对比，得出单体壳具有轻量化（单体壳只有10 kg），风阻系数小，结构强度高的优点。表1为各车辆滚动阻力和空气阻力以及滑行量的比较。
4 结语
该文通过理论与实践结合确定了碳纤维单体壳的设计制作过程，碳纤维复合材料与单体壳的结合，使车身轻量化得到最大优化，风阻系数降为最低。同时也使车身结构强度得到更大的进步，制作成本得到控制。
参考文献
[1]池奕承.关于honda中国节能竞技大赛节能车的创新设计[J].科协论坛（下半月），2012（9）：53-54.
[2]余海燕，徐豪，周辰晓.大学生方程式赛车复合材料单体壳车身优化[J].同济大学学报（自然科学版），2016，44（11）：1729-1734，1748.
[3]黄天柱，马其华，贺懿，等.碳纤维复合材料节能竞技车车身研发[J].上海工程技术大学学报，2016，30（1）：51-55.
[4]甘辰予.大学生方程式赛车罩壳制作技术研究[J].大众科技，2013，15（3）：72-75.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-14775416.htm
