FSC賽車輕量化系統(tǒng)研究

彭仁杰，陽(yáng) 林，周永光，馮 勇，賀紹華，曾繁武

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

在中國(guó)大學(xué)生方程式汽車大賽（Formula Student China，簡(jiǎn)稱FSC）中，賽車輕量化設(shè)計(jì)非常重要，它有利于提高賽車的動(dòng)力性，降低燃油消耗，對(duì)比賽成績(jī)影響很大。其主要指導(dǎo)思想是在確保賽車安全、性能穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，輕量化設(shè)計(jì)各總成零部件。目前，汽車輕量化主要有三個(gè)方向：一是高強(qiáng)度輕質(zhì)材料的應(yīng)用；二是結(jié)構(gòu)改進(jìn)，優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)；三是制造技術(shù)革新。這同樣適用于賽車設(shè)計(jì)。除此之外，本文針對(duì)FSC賽車工程實(shí)際首次提出功能輕量化概念。功能輕量化主要是通過(guò)取消部分不必要的功能或降低某些功能，從而達(dá)到輕量化的目的。以上四種輕量化方法既可以獨(dú)立運(yùn)用，也可以交叉組合運(yùn)用，形成一套完整的賽車輕量化方法體系。

1 輕量化設(shè)計(jì)原則

輕量化的研究并不是孤立的，輕量化會(huì)帶來(lái)安全和成本的問(wèn)題。因此，不能一味地減重，必須遵守基本的輕量化設(shè)計(jì)原則。

1）符合零部件功能性、規(guī)范性要求，滿足強(qiáng)度、剛度以及特定的性能指標(biāo)，確保零部件安全可靠。

2）保證零部件結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易性、可加工性、可裝配性、可檢查性、維護(hù)性、美觀性、環(huán)保性等。

3）考慮成本因素，兼顧“重量-成本”的綜合效益。輕量化中主要成本組成的幾個(gè)基本趨勢(shì)[1]見(jiàn)圖1。

2 輕量化方法及效果

2.1 材料輕量化

材料輕量化是通過(guò)采用高強(qiáng)度輕質(zhì)材料來(lái)達(dá)到減重目的。對(duì)于承力件，受載荷后表現(xiàn)為尺寸和形狀上的變形。根據(jù)載荷的形式，變形可以歸納為拉伸、剪切、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲等。不同材料承受載荷的能力也不同，這種能力表現(xiàn)為材料的強(qiáng)度特性和剛度特性等。這些特性可以作為材料選擇的理論依據(jù)。

1）材料的強(qiáng)度屬性。在輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中，承力件的強(qiáng)度性能是必須要考慮的。為此，引入比屈服強(qiáng)度的概念，比屈服強(qiáng)度定義為材料的屈服強(qiáng)度與材料密度之比，即σs/ρ（單位m2/s2）。比屈服強(qiáng)度可以作為評(píng)估材料“強(qiáng)度-重量”輕量化效果的一種方法。材料比屈服強(qiáng)度越高，則可以以越小的截面質(zhì)量滿足強(qiáng)度要求。

2）材料的剛度屬性。承力件的剛度性能是不容忽視的，實(shí)現(xiàn)低重量下的高剛度是輕量化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。在構(gòu)件幾何形狀恒定的情況下，剛度S主要取決于材料屬性。材料效率M是評(píng)估材料“剛度-重量”輕量化效果的一種方法，為此引入材料效率的概念，表示為材料彈性模量與密度的函數(shù)[2]，材料效率越高，則其可以用越輕的重量滿足剛度要求。FSC賽車中常用的幾種輕質(zhì)材料的比屈服強(qiáng)度和效率值的對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 幾種輕質(zhì)材料的比屈服強(qiáng)度和效率值對(duì)比表

2.2 結(jié)構(gòu)輕量化

結(jié)構(gòu)輕量化是另一個(gè)重要手段，一般包含整體基本結(jié)構(gòu)和局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩部分內(nèi)容。

1）基本結(jié)構(gòu)。零部件的整體基本結(jié)構(gòu)大致分為差動(dòng)式結(jié)構(gòu)、整體式結(jié)構(gòu)和混合式結(jié)構(gòu)[3]。三種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如表2所示。

表2 三種基本結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

2）結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。最初，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法借鑒了一些生物增長(zhǎng)載體（如葉子的三明治結(jié)構(gòu)）的力學(xué)特性，借助結(jié)構(gòu)的變異使應(yīng)力分布均勻化[2]。如今，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車零部件上，大致包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化四種[4]。使用不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法前后的構(gòu)件變化示意圖見(jiàn)圖2。

將有限元與結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合，對(duì)零件進(jìn)行輕量化研究已經(jīng)廣泛應(yīng)用于賽車零部件的設(shè)計(jì)之中。我校2012年賽車的傳動(dòng)大鏈輪、小鏈輪、前后立柱和車架的設(shè)計(jì)都采用這種方法。以大鏈輪為例，2012年大鏈輪采用材料和結(jié)構(gòu)聯(lián)合輕量化設(shè)計(jì)后質(zhì)量為0.21kg，比2011年減輕了2.67kg。

2.3 制造輕量化

制造技術(shù)可以分為連接技術(shù)和加工工藝兩大類。連接技術(shù)主要是指零部件的裝配組合技術(shù)；加工工藝主要是指構(gòu)件的加工成型技術(shù)。

2.3.1 連接技術(shù)

FSC賽車中常用連接技術(shù)有螺栓連接、鉚接、焊接、粘接等。FSC賽車中常用的幾種輕量化連接技術(shù)的使用價(jià)值見(jiàn)表3。

表3 幾種輕量化連接技術(shù)的使用價(jià)值

2.3.2 加工工藝

本文主要介紹車隊(duì)所運(yùn)用的復(fù)合材料的加工工藝。復(fù)合材料成型工藝可分為應(yīng)用干纖維和預(yù)浸漬纖維兩大類。下面主要介紹手工層合和樹(shù)脂傳遞模塑成型，兩者都是應(yīng)用干纖維。

1）手工層合成型。在手工層合成型中，所有的加工步驟都通過(guò)人工進(jìn)行，增強(qiáng)材料以干燥的方式鋪設(shè)。手工層合工藝廣泛應(yīng)用于各高校賽車車身和其他附件的制作。賽車車身材料主要有玻璃纖維和碳纖維，少數(shù)賽車采用金屬板材，其中碳纖維是密度最輕的。2011年我校FSC賽車車身選擇玻璃纖維材料，車身重9.5kg。2011年賽車陽(yáng)模和車身實(shí)物圖如圖3所示。

2012年我校FSC賽車車身采用碳纖維材料，車身重3.7kg，比2011年減輕了5.8kg。2012年賽車陽(yáng)模和車身實(shí)物圖如圖4所示。

2）樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）成型。RTM工藝是將增強(qiáng)材料預(yù)先鋪設(shè)在預(yù)制的、滿足特定工藝尺寸的模型腔內(nèi)，鎖緊模具，采用注射設(shè)備或真空泵將樹(shù)脂溶液注入模腔內(nèi)，浸透增強(qiáng)材料后固化，脫模得到所需高性能復(fù)合材料制品的一種成型技術(shù)[5-6]。RTM工藝原理如圖5所示[7]。

RTM工藝最大的優(yōu)點(diǎn)是以一步浸潤(rùn)代替了傳統(tǒng)成型工藝兩步或多步浸潤(rùn)的過(guò)程，減少了預(yù)浸料制備、鋪層及在熱壓罐中固化等工序[8]，大大降低了成型時(shí)間和成型成本，成為降低先進(jìn)復(fù)合材料成型成本的重要工藝。

2012年我校賽車座椅采用RTM工藝的一個(gè)派生工藝——“真空導(dǎo)入模塑工藝”，座椅重量為1.68kg，比2011年的座椅減輕了2.32kg。

2.4 功能輕量化

賽車運(yùn)動(dòng)分秒必爭(zhēng)，注重賽車的動(dòng)力性和操作穩(wěn)定性，所以很多時(shí)候會(huì)為了降低賽車重量，提高賽車動(dòng)力性而犧牲賽車的舒適性、多功能性或智能性。比如FSC賽車不安裝后視鏡、車載空調(diào)、倒檔裝置等；在賽車方向盤(pán)上集成速度、檔位、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等顯示，以及各種開(kāi)關(guān)按鈕、換檔撥片等；同時(shí)也會(huì)根據(jù)實(shí)際需要，適當(dāng)降低對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的要求，從而選用質(zhì)量更輕的小型發(fā)動(dòng)機(jī)。國(guó)外許多FSC賽車技術(shù)強(qiáng)隊(duì)可以將賽車的整備質(zhì)量降到180kg，更傾向于選擇質(zhì)量更輕的單缸發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。

功能集成的輕量化措施是賽車輕量化設(shè)計(jì)的重要方向，因?yàn)樗静挥绊戀愜囆阅?，同時(shí)還可以提高賽車集成和輕量化程度。比如省掉了賽車方向盤(pán)上的集成儀表盤(pán)，不僅節(jié)省了座艙的內(nèi)部空間，而且賽車更緊湊、更美觀。2012年賽車方向盤(pán)見(jiàn)圖6。因此，功能輕量化方法在賽車上有可觀的應(yīng)用空間。

2.5 輕量化方法應(yīng)用結(jié)果

在綜合運(yùn)用上述輕量化方法后，我校2012年FSC賽車典型零部件得到了大幅度輕量化，與2011年賽車的效果對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 輕量化效果對(duì)比表

由表4可知，只采用單種輕量化方法的重量降幅都低于50%，而采用多種輕量化方法聯(lián)合應(yīng)用重量降幅都大于50%，其中大鏈輪減重效果最好，降幅達(dá)到92.71%。廣東工業(yè)大學(xué)FSAE賽車從原來(lái)的301.0kg降低到232.0kg，減輕了69.0kg，下降幅度達(dá)22.9%。

3 結(jié)束語(yǔ)

FSC賽車的輕量化是一個(gè)系統(tǒng)工程，既要遵循基本的輕量化設(shè)計(jì)原則，又要綜合考慮功能、材料、結(jié)構(gòu)和工藝。本文結(jié)合大學(xué)生方程式賽車，概述了材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化、制造輕量化和功能輕量化四類輕量化方法，組成了一個(gè)完整的輕量化設(shè)計(jì)體系。通過(guò)FSC賽車工程實(shí)踐表明，聯(lián)合應(yīng)用多種輕量化方法比單種輕量化方法減重效果要好。

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