本田節能賽車單體殼制作技術研究

呂慶祥 王新建 劉西超

摘 要：在Honda節能賽車車身設計中，單體殼是一種新型的結構技術車身，具有較高的結構強度。解決了傳統半承載式車殼的車殼與車架連接不良晃動、重量高的缺點，研究單體殼的設計思路與制作流程。使制作出的單體殼重量輕、風阻小、強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構技術車身，對單體殼進行的設計直走過程進行研究，使制作出的單體殼車身在滿足降低風阻和結構強度同時也解決車手操作空間的緊湊性。

關鍵詞：單體殼；輕量化；碳纖維；強度

中圖分類號：U463 文獻標志碼：A

Honda節能競技大賽是一項以注重能源、創造節約型社會為主體的賽事。車身作為賽車的主體部分，主要負責承載車手及發動機的重量及減小風阻。為了滿足賽事規則、提高比賽成績以及保護車手的安全，因此在設計車殼時主要從輕量化、降低風阻系數以及車殼的安全強度入手。在實際比賽過程中也時常會有使用半承載式車殼的車隊，但其造成油耗較高甚至翻車的情況。因此一款重量低、強度高、風阻低的單體殼對比賽來說十分重要。

1 本田節能賽車車身的結構

1.1 設計思路與目標

本田節能賽車傳統的全包式半承載式車身是由車架與復合材料車殼由連接螺栓連接而成的，復合材料車殼被分為車殼底部、車殼頭部、車殼尾部3個部分，車架是由6061鋁合金方管焊接而成。其主要優點是車手的操作空間較大、視野較廣和整體美觀等優點，但相應的存在車殼與車架連接不牢高速時車殼抖動嚴重、車殼質量較重、風阻系數較大和結構強度不夠的缺點。所以該文的研究對象碳纖維單體殼采用質量減輕的蜂窩鋁預埋于碳纖維復合材料中使其成為一體，因此在解決車殼晃動和結構強度的同時實現了輕量化的主旨，并且在設計時以水滴為原型將其風阻系數降到最低。

該文主要研究對象是單體殼這種新型的結構技術車身，對單體殼進行的設計直走過程進行研究，使制作出的單體殼車身在滿足降低風阻和結構強度同時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構.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，并保證復合材料的層間剪切強度。考慮到賽車對基體力學性能要求高，同時復合材料將在常溫中工作，因此選擇環氧樹脂作為基體。

1.3 車身制作工藝的選擇

碳纖維復合材料加工工藝是在一類產品特性的基礎上根據材料的特性及應用領域而不斷發展演變的。碳纖維復合材料在發揮輕質、高強的基礎上，也根據應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 單體殼的設計建模

結合三維車架并預估駕駛人員身高，由于之前計算風阻系數以及模型設計靈感，設計出車殼模型，整體感覺設計成為水滴形狀，考慮到其造型影響風阻系數，因此在設計過程中將其兩側棱角處設計成流線型，可以降低風阻，能夠讓空氣在與車殼頭部接觸時會沿著預定的運動軌跡流動，從而減小風阻。

在這個設計過程中考慮到車殼的輕量化，因此將其后端設計得較為狹窄，其好處有以下幾點：第一，在制作過程中可以節省一部分制作材料。第二，在加工方面，為工作人員可以節省一部分時間，因為面積過大其工作面會增加，整個加工制作過程任務加重，加工難度增高。因棱角分明加工難度較高，因此選用圖2模型進行加工。第三，考慮到在整個設計之初衷，必須將車身自重減小，所以在整個設計中能減少的材料盡量減少。

2 模具制作

2.1 陽模的設計與制作

第一步先用砂紙將車殼模型進行打磨，將表面拋光，把表面的刻痕磨掉并將環氧樹脂按比例調好，均勻地刷在模型上。第二步刮膩子；將膩子粉、水、工業膠按100︰15︰15的比例混合好，待環氧樹脂干燥后，在模型上先涂一層工業膠，目的是為了在刮膩子時將模型上的細小裂紋修復。

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和好的原子灰膩子刮在上面，盡量保證陽模的平面性和光滑性，等原子灰膩子干燥以后開始進行研磨，因為膠衣固化之好不易研磨所以需要進行水磨，第四步噴膠衣對陽模表面進行噴膠衣。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陽模表面噴涂均勻，使表面看起來光滑。

2.2 陰模的設計與制作

2.2.1 陰模制作準備工作

第一步找平陽模膠衣平面，進行二次膠衣的噴涂。第二步進行打蠟、分形、堵油泥當第二層膠衣干燥后，將已經準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油泥。陽模被分成3個部分，先將工業油泥高溫加熱成黏稠狀，填入縫隙時讓卡板與陽模之間的縫隙填好不要有一絲漏光出現。

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構預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，鋪上一層強芯氈，保證強度的同時節省成本。第四步鋪好導流網、在導流網的邊緣鋪設進料螺旋管，使導流樹脂從四周導入，吸得比較均勻。同時將2個抽真空和吸注樹脂用的注膠座固定在導流網邊緣，在真空薄膜上打孔，插入導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，進行抽真空。第五步抽真空結束，用閥門夾住樹脂導流管，按比例調制導流樹脂，然后連接導入管，按比例調制導流樹脂，然后連接導入管，關掉樹脂導入管和導出管，等待成品的形成。

3 實驗對比

通過模擬賽場實際的工況，對制作出的單體殼與傳統半承載式車身的數據收集與實驗對比，得出單體殼具有輕量化（單體殼只有10 kg），風阻系數小，結構強度高的優點。表1為各車輛滾動阻力和空氣阻力以及滑行量的比較。

4 結語

該文通過理論與實踐結合確定了碳纖維單體殼的設計制作過程，碳纖維復合材料與單體殼的結合，使車身輕量化得到最大優化，風阻系數降為最低。同時也使車身結構強度得到更大的進步，制作成本得到控制。

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