（大连民族学院设计学院，辽宁 大连 116600）

中国大学生方程式赛车大赛已经连续成功举办了三届。2012年10月在上海举行的中国大学生方程式赛车大赛上，大连民族学院民族之魂Ⅱ赛车造型简洁美观，罩壳设计效果良好，得到大赛评委及各参赛队的好评（见图1）。现就民族之魂Ⅱ赛车罩壳制作技术作简单介绍。

图1 民族之魂Ⅱ赛车示意图

1 罩壳总体设计及工艺选择

1.1 罩壳总体设计目标与思路

1.1.1 设计目标

（1）整体感：罩壳主体与侧箱曲面一体化，肌肉线条凸显，整体美观。

（2）轻量化：赛车罩壳目标质量8kg。

（3）符合空气动力学：低阻力系数，低升力系数，利于发动机散热。

（4）结构紧凑，贴合车架。

1.1.2 设计思路

为了达到以上设计目标，民族之魂Ⅱ赛车参考了多款国际F1赛车罩壳的外形结构，并有所创新；为了达到轻量化，赛车采用了碳纤维材料；外形采用流体力学原理设计，既降低风阻，又整洁美观；罩壳侧箱不全部包裹发动机，有利于散热。

1.2 材料与工艺选择

1.2.1 材料选择

在 FSC（中国大学生方程式赛车）设计中，赛车罩壳的主流选材是树脂基复合材料（玻璃纤维或碳纤维），几乎很少使用金属板材。为此，我们在进行赛车罩壳设计时，对树脂基复合材料性能进行了比较。

（1）玻璃纤维：玻璃纤维比有机纤维耐温高，不燃，抗腐，隔热、隔音性好（特别是玻璃棉），抗拉强度高，电绝缘性好（如无碱玻璃纤维）。但性脆，耐磨性较差。玻璃纤维主要用作电绝缘材料，工业过滤材料，防腐、 防潮、 隔热、隔音、减震材料。还可作为增强材料，用来制造增强塑料或增强橡胶、增强石膏和增强水泥等制品。

（2）碳纤维：碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的 1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在 3500Mpa以上，是钢的 7～9倍，抗拉弹性模量为 230～430Gpa亦高于钢。因此CFRP的比强度即材料的强度与其密度之比可达到2000Mpa/(g/cm3)以上，而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其比模量也比钢高。材料的比强度愈高，则构件自重愈小；比模量愈高，则构件的刚度愈大。

碳纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻，强度大，其重量相当于钢材的20%～30%，硬度却能达到钢材的10倍以上[1]。碳纤维的抗拉强度远远大于玻璃纤维，可以在保证车身整体强度的情况下减轻车身重量。但碳纤维最大的缺点是成本过高，碳纤维布的价格大约为玻璃纤维布的30倍。另外，不管是玻璃纤维还是碳纤维，都不能承受剪切力。

玻璃纤维和碳纤维都是制作赛车罩壳的比较好的材料。通过比较，我们在制作民族之魂Ⅱ赛车模具时，使用了玻璃纤维材料，而在制作罩壳时使用了碳纤维的材料。

1.2.2 工艺选择

利用玻璃纤维或碳纤维制作赛车罩壳，一般采用抽真空辅助树脂灌注法和手糊成形法两种。

（1）抽真空辅助树脂灌注法：抽真空辅助树脂灌注法是在真空条件下，利用树脂的流动、浸透，实现对纤维织物的浸渍，并在真空下固化的成型方法[2]。真空灌注成型最大的优点是：没有气泡，树脂含量可控制，最低可达35-40%；制品强度高，可重复性强，成型效率高，特别是厚制品可一次成型；制品厚度均匀。缺点是铺层较困难，材料性能要求高，会增加成本，有些形状无法用抽真空灌注法实现。模具设计复杂。

（2）手糊成形法：用刷子或滚刷将树脂涂刷到纤维布上。手糊成形法优点是：成功率高，可以做出复杂的形状，工艺简单，易操件，成本低。缺点是树脂用量控制困难，会有气泡产生，而且树脂分布不均匀。

由于民族之魂Ⅱ赛车是单件生产，而且需要尽可能降低制作成本，为保证成功率，我们采用了手糊成形法。

1.3 罩壳设计建模

（1）手绘造型图案：先将赛车整车总布置及罩壳用马克笔手工绘制出来，尽量表现出罩壳的形体和空间感，这样可方便CAD设计，目标明确，减少重复。

（2）CAD曲面设计：

①车架装配体catia模型（见图2）：由整车总布置来设计车架装配体模型。由于车身罩壳需要将车架、冷却水箱覆盖起来，所以车身罩壳的设计需要在车架以及其他零部件装配完成之后才能进行设计。车身设计的坐标原点与整车装配体的设计坐标原点相同，这样就可以简化车身的装配设计。

图2 车架装配体catia模型

②曲面建模（见图3）：使用创成式曲面模式建立车身模型。在靠近车架的位置，按照最初的造型方案设置若干个关键点，并用样条曲线连接关键点，然后调整样条曲线，直至符合最初的造型，最后需要用填充曲面或者扫掠等功能完成车身罩壳曲面设计，并且需要检查车身是否与赛车其他部分发生干涉。

图3 曲面建模

③配色渲染（见图4）：根据所需要的车身罩壳颜色进行模拟配色，在catia软件中模拟配色效果。

图4 配色渲染效果图

2 模具设计

2.1 模具制作方案选择

（1）截面制作法：

优点：成本低，无需大型设备，可手工制作，制作方法简单；缺点：精度难以保证，工作量大，耗费时间长。

（2）龙门铣整体制作法：

优点：快速高效，精度高；缺点：成本过高。

由于车队资金有限，使用龙门铣加工成本高，因此我们选择截面制作法制作赛车罩壳的阳模。

2.2 罩壳模具截面CAD绘制

（1）鼻锥模具CAD设计（见图5）：

图5 鼻锥模具CAD设计

在车身罩壳模型上取截面制作模具模型，每隔50mm取一个截面，每一个截面都需要标注位置，在实际截面组装的时候按照标注位置组装。设计时需要将截面的厚度以及截面安装的方式考虑在内。

（2）侧箱模具CAD设计（见图6）：

设计方法与鼻锥模具设计基本相同。

图6 侧箱模具CAD设计

3 模具制作

3.1 阳模制作

阳模的作用是用来制作阴模，制造出阴模的内部空间形状。

3.1.1 制作5cm木板截面

按1∶1打印出赛车罩壳的截面图，各截面相距5cm。将截面图粘贴在胶合板上，然后使用曲线锯将所有截面锯出。

3.1.2 组装木板截面，并填充泡沫

在阳模底板上用记号笔画出每一块截面的安装位置，将截面安装在阳模底板上，并用射钉枪固定截面，在截面之间的空隙填充泡沫。然后将表面适当打磨光滑。

在粗模表面打石膏，石膏厚度约 5mm。打磨石膏，使用砂纸或抛光机将阳模表面打磨光滑。然后用高精度工具测量模具并打磨至尺寸。

图7 阳模制作

3.2 阴模制作

阴模的作用主要是制造赛车罩壳，突出罩壳的形状。

3.2.1 阴模制作准备

（1）喷隔离漆∶由于石膏中含有水分，而水分会影响树脂固化后的效果，因此需要在石膏表面喷漆，将石膏中的水分与树脂隔离。要求喷涂均匀，完全覆盖石膏表面即可。

（2）打脱模蜡：在隔离漆干燥之后，需要在阳模表面涂抹脱模蜡。脱模蜡的作用是将树脂和模具隔离。如果不涂抹脱模蜡，树脂和模具便会粘在一起，无法脱模。脱模蜡需要均匀涂抹于阳模表面，需要涂抹3遍，每一遍间隔约半小时。

（3）手糊模具胶衣：选择乙烯基模具胶衣。胶衣的主要作用是使模具具有较高的热变形温度，更高的光洁度，表面坚硬耐用。手糊胶衣要求厚薄均匀。

（4）脱模角度设计：在阳模中间制作分模隔板，相当于将阴模分成左右两大部分制作，并且需要制作模具法兰，将左右两半阴模通过法兰连接。

3.2.2 手工涂刷玻璃纤维+模具树脂

（1）模具楷树脂使用配比。

树脂∶固化剂∶促进剂 = 100∶1～2∶1～2（体积比，比例视温度而定）。

（2）玻璃纤维布约为7层，局部弯折区域需要增加纤维布的层数，每铺一层玻璃纤维布，涂刷一遍树脂。树脂用量按照实际需求使用，待树脂固化后，可进行下一层。在最外面两层使用粗布，增加模具强度，可防止模具变形，在拐角折弯处可使用细布。通过增加法兰厚度，保证合模法兰的强度，减少模具变形。

在阴模外表，使用树脂和玻璃纤维将木条粘在模具外表面，起到防止模具变形，加固模具的作用。

（3）待树脂完全干燥后，在法兰上面用手电钻打出定位螺栓孔。

（4）手工脱模。手工脱模要尽可能避免模具被破坏，避免使用尖锐的工具破坏模具内表面。

4 罩壳制作

4.1 碳纤维罩壳制作方法

4.1.1 制作准备

（1）去除阴模内表面杂质，用砂纸将阴模粗糙的表面打磨光滑。

（2）阴模组装，在螺栓连接处加装垫片，防止模具受损。在分模线拼合处，涂上原子灰，使模具表面平整。

（3）涂脱模蜡：在阴模内表面涂抹脱模蜡，涂抹三遍。

4.1.2 碳纤维布+手糊树脂成型

（1）碳纤维布选择市面上较常见的3k平纹布，220g/m2。

首先现在阴模内铺设一层碳纤维布，并刷上配好固化剂与促进剂的树脂。刷树脂时要注意要将树脂均匀刷开，并且要用刷子挤压纤维布，使其紧贴模具表面，防止制品内气泡产生。在涂刷树脂的过程中需要注意树脂固化的时间，如果发现未涂刷的树脂有固化的迹象，需要用新的树脂进行涂刷。

待第一层碳纤维布上的树脂完全固化后，可依照此方法进行第2层、第3层碳纤维布的铺设及树脂的涂刷。

从罩壳质量及车身强度方面的考虑，主要部分使用3层碳纤维布即可满足要求。而在罩壳与车架连接处、车头以及造型拐角处需适当多铺设2至3层碳纤维布以增加其强度，保证其在撞击赛道上的障碍物时，不发生较大损坏。

（2）脱模。待树脂完全固化后，即可松开紧定螺钉，手工脱模。脱模时应小心谨慎，尽可能避免弄伤罩壳。

4.2 罩壳表面处理

（1）表面打磨：用砂纸砂掉罩壳表面上的毛刺、油污、灰尘等，以获得较好的平滑表面，提高涂装效果。打磨时，必须顺罩壳纵向打磨。

（2）涂装：根据需要选择油漆或喷漆。喷漆可使罩壳漆面厚薄均匀，粘接牢固。

（3）贴纸：贴纸可使赛车美观醒目，张扬个性，增加内涵。贴纸时需要使用电吹风加热贴纸，可以使贴纸贴得更牢固。在罩壳边缘附近的贴纸须向内弯折，并用电吹风加热，这样做可避免贴纸脱落。

图8 罩壳贴纸

5 结论与建议

（1）民族之魂Ⅱ赛车罩壳制作工艺比较简单，在保证符合规则和安全的情况下，通过选择合适材料，保证强度并降低罩壳厚度，减少了树脂用量。赛车整体美观，结构紧凑，效果凸显，车身罩壳强度高，散热效果好。在第三届中国大学生方程式赛车大赛的耐久赛中，民族之魂Ⅱ赛车水箱散热器的温度也能始终保持在80～90℃之间。赛车罩壳8.5kg，基本达到了设计目标要求。

（2）建议：在制作赛车罩壳前须制定详细计划，以免材料消耗量过多，时间消耗量过大。另外可将整个罩壳和阳模全部做成一体的，然后设计出分块阴模来实现脱模。在进行罩壳设计时，必须考虑罩壳与车架配合，这样可以减少连接件，减少装配差错，节省装配时间。

[1]新材料信息网.碳纤维材料广泛应用于高新科技行业[J].功能材料信息,2012,10(3):51-51.

[2]苏峰,于洋,于柏峰.真空辅助树脂灌注工艺的创新性改进[J].纤维复合材料,2010(1):18-20.