大學(xué)生方程式賽車(chē)罩殼制作技術(shù)研究

（大連民族學(xué)院設(shè)計(jì)學(xué)院，遼寧 大連 116600）

中國(guó)大學(xué)生方程式賽車(chē)大賽已經(jīng)連續(xù)成功舉辦了三屆。2012年10月在上海舉行的中國(guó)大學(xué)生方程式賽車(chē)大賽上，大連民族學(xué)院民族之魂Ⅱ賽車(chē)造型簡(jiǎn)潔美觀，罩殼設(shè)計(jì)效果良好，得到大賽評(píng)委及各參賽隊(duì)的好評(píng)（見(jiàn)圖1）?，F(xiàn)就民族之魂Ⅱ賽車(chē)罩殼制作技術(shù)作簡(jiǎn)單介紹。

圖1 民族之魂Ⅱ賽車(chē)示意圖

1 罩殼總體設(shè)計(jì)及工藝選擇

1.1 罩殼總體設(shè)計(jì)目標(biāo)與思路

1.1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

（1）整體感：罩殼主體與側(cè)箱曲面一體化，肌肉線條凸顯，整體美觀。

（2）輕量化：賽車(chē)罩殼目標(biāo)質(zhì)量8kg。

（3）符合空氣動(dòng)力學(xué)：低阻力系數(shù)，低升力系數(shù)，利于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱。

（4）結(jié)構(gòu)緊湊，貼合車(chē)架。

1.1.2 設(shè)計(jì)思路

為了達(dá)到以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，民族之魂Ⅱ賽車(chē)參考了多款國(guó)際F1賽車(chē)罩殼的外形結(jié)構(gòu)，并有所創(chuàng)新；為了達(dá)到輕量化，賽車(chē)采用了碳纖維材料；外形采用流體力學(xué)原理設(shè)計(jì)，既降低風(fēng)阻，又整潔美觀；罩殼側(cè)箱不全部包裹發(fā)動(dòng)機(jī)，有利于散熱。

1.2 材料與工藝選擇

1.2.1 材料選擇

在 FSC（中國(guó)大學(xué)生方程式賽車(chē)）設(shè)計(jì)中，賽車(chē)罩殼的主流選材是樹(shù)脂基復(fù)合材料（玻璃纖維或碳纖維），幾乎很少使用金屬板材。為此，我們?cè)谶M(jìn)行賽車(chē)罩殼設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料性能進(jìn)行了比較。

（1）玻璃纖維：玻璃纖維比有機(jī)纖維耐溫高，不燃，抗腐，隔熱、隔音性好（特別是玻璃棉），抗拉強(qiáng)度高，電絕緣性好（如無(wú)堿玻璃纖維）。但性脆，耐磨性較差。玻璃纖維主要用作電絕緣材料，工業(yè)過(guò)濾材料，防腐、 防潮、 隔熱、隔音、減震材料。還可作為增強(qiáng)材料，用來(lái)制造增強(qiáng)塑料或增強(qiáng)橡膠、增強(qiáng)石膏和增強(qiáng)水泥等制品。

（2）碳纖維：碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)類似人造石墨，是亂層石墨結(jié)構(gòu)。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的 1/4，碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在 3500Mpa以上，是鋼的 7～9倍，抗拉彈性模量為 230～430Gpa亦高于鋼。因此CFRP的比強(qiáng)度即材料的強(qiáng)度與其密度之比可達(dá)到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比鋼高。材料的比強(qiáng)度愈高，則構(gòu)件自重愈??；比模量愈高，則構(gòu)件的剛度愈大。

碳纖維作為汽車(chē)材料，最大的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕，強(qiáng)度大，其重量相當(dāng)于鋼材的20%～30%，硬度卻能達(dá)到鋼材的10倍以上[1]。碳纖維的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玻璃纖維，可以在保證車(chē)身整體強(qiáng)度的情況下減輕車(chē)身重量。但碳纖維最大的缺點(diǎn)是成本過(guò)高，碳纖維布的價(jià)格大約為玻璃纖維布的30倍。另外，不管是玻璃纖維還是碳纖維，都不能承受剪切力。

玻璃纖維和碳纖維都是制作賽車(chē)罩殼的比較好的材料。通過(guò)比較，我們?cè)谥谱髅褡逯辎蛸愜?chē)模具時(shí)，使用了玻璃纖維材料，而在制作罩殼時(shí)使用了碳纖維的材料。

1.2.2 工藝選擇

利用玻璃纖維或碳纖維制作賽車(chē)罩殼，一般采用抽真空輔助樹(shù)脂灌注法和手糊成形法兩種。

（1）抽真空輔助樹(shù)脂灌注法：抽真空輔助樹(shù)脂灌注法是在真空條件下，利用樹(shù)脂的流動(dòng)、浸透，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維織物的浸漬，并在真空下固化的成型方法[2]。真空灌注成型最大的優(yōu)點(diǎn)是：沒(méi)有氣泡，樹(shù)脂含量可控制，最低可達(dá)35-40%；制品強(qiáng)度高，可重復(fù)性強(qiáng)，成型效率高，特別是厚制品可一次成型；制品厚度均勻。缺點(diǎn)是鋪層較困難，材料性能要求高，會(huì)增加成本，有些形狀無(wú)法用抽真空灌注法實(shí)現(xiàn)。模具設(shè)計(jì)復(fù)雜。

（2）手糊成形法：用刷子或滾刷將樹(shù)脂涂刷到纖維布上。手糊成形法優(yōu)點(diǎn)是：成功率高，可以做出復(fù)雜的形狀，工藝簡(jiǎn)單，易操件，成本低。缺點(diǎn)是樹(shù)脂用量控制困難，會(huì)有氣泡產(chǎn)生，而且樹(shù)脂分布不均勻。

由于民族之魂Ⅱ賽車(chē)是單件生產(chǎn)，而且需要盡可能降低制作成本，為保證成功率，我們采用了手糊成形法。

1.3 罩殼設(shè)計(jì)建模

（1）手繪造型圖案：先將賽車(chē)整車(chē)總布置及罩殼用馬克筆手工繪制出來(lái)，盡量表現(xiàn)出罩殼的形體和空間感，這樣可方便CAD設(shè)計(jì)，目標(biāo)明確，減少重復(fù)。

（2）CAD曲面設(shè)計(jì)：

①車(chē)架裝配體catia模型（見(jiàn)圖2）：由整車(chē)總布置來(lái)設(shè)計(jì)車(chē)架裝配體模型。由于車(chē)身罩殼需要將車(chē)架、冷卻水箱覆蓋起來(lái)，所以車(chē)身罩殼的設(shè)計(jì)需要在車(chē)架以及其他零部件裝配完成之后才能進(jìn)行設(shè)計(jì)。車(chē)身設(shè)計(jì)的坐標(biāo)原點(diǎn)與整車(chē)裝配體的設(shè)計(jì)坐標(biāo)原點(diǎn)相同，這樣就可以簡(jiǎn)化車(chē)身的裝配設(shè)計(jì)。

圖2 車(chē)架裝配體catia模型

②曲面建模（見(jiàn)圖3）：使用創(chuàng)成式曲面模式建立車(chē)身模型。在靠近車(chē)架的位置，按照最初的造型方案設(shè)置若干個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，并用樣條曲線連接關(guān)鍵點(diǎn)，然后調(diào)整樣條曲線，直至符合最初的造型，最后需要用填充曲面或者掃掠等功能完成車(chē)身罩殼曲面設(shè)計(jì)，并且需要檢查車(chē)身是否與賽車(chē)其他部分發(fā)生干涉。

圖3 曲面建模

③配色渲染（見(jiàn)圖4）：根據(jù)所需要的車(chē)身罩殼顏色進(jìn)行模擬配色，在catia軟件中模擬配色效果。

圖4 配色渲染效果圖

2 模具設(shè)計(jì)

2.1 模具制作方案選擇

（1）截面制作法：

優(yōu)點(diǎn)：成本低，無(wú)需大型設(shè)備，可手工制作，制作方法簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)：精度難以保證，工作量大，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。

（2）龍門(mén)銑整體制作法：

優(yōu)點(diǎn)：快速高效，精度高；缺點(diǎn)：成本過(guò)高。

由于車(chē)隊(duì)資金有限，使用龍門(mén)銑加工成本高，因此我們選擇截面制作法制作賽車(chē)罩殼的陽(yáng)模。

2.2 罩殼模具截面CAD繪制

（1）鼻錐模具CAD設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖5）：

圖5 鼻錐模具CAD設(shè)計(jì)

在車(chē)身罩殼模型上取截面制作模具模型，每隔50mm取一個(gè)截面，每一個(gè)截面都需要標(biāo)注位置，在實(shí)際截面組裝的時(shí)候按照標(biāo)注位置組裝。設(shè)計(jì)時(shí)需要將截面的厚度以及截面安裝的方式考慮在內(nèi)。

（2）側(cè)箱模具CAD設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖6）：

設(shè)計(jì)方法與鼻錐模具設(shè)計(jì)基本相同。

圖6 側(cè)箱模具CAD設(shè)計(jì)

3 模具制作

3.1 陽(yáng)模制作

陽(yáng)模的作用是用來(lái)制作陰模，制造出陰模的內(nèi)部空間形狀。

3.1.1 制作5cm木板截面

按1∶1打印出賽車(chē)罩殼的截面圖，各截面相距5cm。將截面圖粘貼在膠合板上，然后使用曲線鋸將所有截面鋸出。

3.1.2 組裝木板截面，并填充泡沫

在陽(yáng)模底板上用記號(hào)筆畫(huà)出每一塊截面的安裝位置，將截面安裝在陽(yáng)模底板上，并用射釘槍固定截面，在截面之間的空隙填充泡沫。然后將表面適當(dāng)打磨光滑。

在粗模表面打石膏，石膏厚度約 5mm。打磨石膏，使用砂紙或拋光機(jī)將陽(yáng)模表面打磨光滑。然后用高精度工具測(cè)量模具并打磨至尺寸。

圖7 陽(yáng)模制作

3.2 陰模制作

陰模的作用主要是制造賽車(chē)罩殼，突出罩殼的形狀。

3.2.1 陰模制作準(zhǔn)備

（1）噴隔離漆∶由于石膏中含有水分，而水分會(huì)影響樹(shù)脂固化后的效果，因此需要在石膏表面噴漆，將石膏中的水分與樹(shù)脂隔離。要求噴涂均勻，完全覆蓋石膏表面即可。

（2）打脫模蠟：在隔離漆干燥之后，需要在陽(yáng)模表面涂抹脫模蠟。脫模蠟的作用是將樹(shù)脂和模具隔離。如果不涂抹脫模蠟，樹(shù)脂和模具便會(huì)粘在一起，無(wú)法脫模。脫模蠟需要均勻涂抹于陽(yáng)模表面，需要涂抹3遍，每一遍間隔約半小時(shí)。

（3）手糊模具膠衣：選擇乙烯基模具膠衣。膠衣的主要作用是使模具具有較高的熱變形溫度，更高的光潔度，表面堅(jiān)硬耐用。手糊膠衣要求厚薄均勻。

（4）脫模角度設(shè)計(jì)：在陽(yáng)模中間制作分模隔板，相當(dāng)于將陰模分成左右兩大部分制作，并且需要制作模具法蘭，將左右兩半陰模通過(guò)法蘭連接。

3.2.2 手工涂刷玻璃纖維+模具樹(shù)脂

（1）模具楷樹(shù)脂使用配比。

樹(shù)脂∶固化劑∶促進(jìn)劑 = 100∶1～2∶1～2（體積比，比例視溫度而定）。

（2）玻璃纖維布約為7層，局部彎折區(qū)域需要增加纖維布的層數(shù)，每鋪一層玻璃纖維布，涂刷一遍樹(shù)脂。樹(shù)脂用量按照實(shí)際需求使用，待樹(shù)脂固化后，可進(jìn)行下一層。在最外面兩層使用粗布，增加模具強(qiáng)度，可防止模具變形，在拐角折彎處可使用細(xì)布。通過(guò)增加法蘭厚度，保證合模法蘭的強(qiáng)度，減少模具變形。

在陰模外表，使用樹(shù)脂和玻璃纖維將木條粘在模具外表面，起到防止模具變形，加固模具的作用。

（3）待樹(shù)脂完全干燥后，在法蘭上面用手電鉆打出定位螺栓孔。

（4）手工脫模。手工脫模要盡可能避免模具被破壞，避免使用尖銳的工具破壞模具內(nèi)表面。

4 罩殼制作

4.1 碳纖維罩殼制作方法

4.1.1 制作準(zhǔn)備

（1）去除陰模內(nèi)表面雜質(zhì)，用砂紙將陰模粗糙的表面打磨光滑。

（2）陰模組裝，在螺栓連接處加裝墊片，防止模具受損。在分模線拼合處，涂上原子灰，使模具表面平整。

（3）涂脫模蠟：在陰模內(nèi)表面涂抹脫模蠟，涂抹三遍。

4.1.2 碳纖維布+手糊樹(shù)脂成型

（1）碳纖維布選擇市面上較常見(jiàn)的3k平紋布，220g/m2。

首先現(xiàn)在陰模內(nèi)鋪設(shè)一層碳纖維布，并刷上配好固化劑與促進(jìn)劑的樹(shù)脂。刷樹(shù)脂時(shí)要注意要將樹(shù)脂均勻刷開(kāi)，并且要用刷子擠壓纖維布，使其緊貼模具表面，防止制品內(nèi)氣泡產(chǎn)生。在涂刷樹(shù)脂的過(guò)程中需要注意樹(shù)脂固化的時(shí)間，如果發(fā)現(xiàn)未涂刷的樹(shù)脂有固化的跡象，需要用新的樹(shù)脂進(jìn)行涂刷。

待第一層碳纖維布上的樹(shù)脂完全固化后，可依照此方法進(jìn)行第2層、第3層碳纖維布的鋪設(shè)及樹(shù)脂的涂刷。

從罩殼質(zhì)量及車(chē)身強(qiáng)度方面的考慮，主要部分使用3層碳纖維布即可滿足要求。而在罩殼與車(chē)架連接處、車(chē)頭以及造型拐角處需適當(dāng)多鋪設(shè)2至3層碳纖維布以增加其強(qiáng)度，保證其在撞擊賽道上的障礙物時(shí)，不發(fā)生較大損壞。

（2）脫模。待樹(shù)脂完全固化后，即可松開(kāi)緊定螺釘，手工脫模。脫模時(shí)應(yīng)小心謹(jǐn)慎，盡可能避免弄傷罩殼。

4.2 罩殼表面處理

（1）表面打磨：用砂紙砂掉罩殼表面上的毛刺、油污、灰塵等，以獲得較好的平滑表面，提高涂裝效果。打磨時(shí)，必須順罩殼縱向打磨。

（2）涂裝：根據(jù)需要選擇油漆或噴漆。噴漆可使罩殼漆面厚薄均勻，粘接牢固。

（3）貼紙：貼紙可使賽車(chē)美觀醒目，張揚(yáng)個(gè)性，增加內(nèi)涵。貼紙時(shí)需要使用電吹風(fēng)加熱貼紙，可以使貼紙貼得更牢固。在罩殼邊緣附近的貼紙須向內(nèi)彎折，并用電吹風(fēng)加熱，這樣做可避免貼紙脫落。

圖8 罩殼貼紙

5 結(jié)論與建議

（1）民族之魂Ⅱ賽車(chē)罩殼制作工藝比較簡(jiǎn)單，在保證符合規(guī)則和安全的情況下，通過(guò)選擇合適材料，保證強(qiáng)度并降低罩殼厚度，減少了樹(shù)脂用量。賽車(chē)整體美觀，結(jié)構(gòu)緊湊，效果凸顯，車(chē)身罩殼強(qiáng)度高，散熱效果好。在第三屆中國(guó)大學(xué)生方程式賽車(chē)大賽的耐久賽中，民族之魂Ⅱ賽車(chē)水箱散熱器的溫度也能始終保持在80～90℃之間。賽車(chē)罩殼8.5kg，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

（2）建議：在制作賽車(chē)罩殼前須制定詳細(xì)計(jì)劃，以免材料消耗量過(guò)多，時(shí)間消耗量過(guò)大。另外可將整個(gè)罩殼和陽(yáng)模全部做成一體的，然后設(shè)計(jì)出分塊陰模來(lái)實(shí)現(xiàn)脫模。在進(jìn)行罩殼設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮罩殼與車(chē)架配合，這樣可以減少連接件，減少裝配差錯(cuò)，節(jié)省裝配時(shí)間。

[1]新材料信息網(wǎng).碳纖維材料廣泛應(yīng)用于高新科技行業(yè)[J].功能材料信息,2012,10(3):51-51.

[2]蘇峰,于洋,于柏峰.真空輔助樹(shù)脂灌注工藝的創(chuàng)新性改進(jìn)[J].纖維復(fù)合材料,2010(1):18-20.