石雨心、林闽妍、余陈海、廖文辉
华南理工大学广州学院 机械工程学院 广东广州 510800
摘要：在现实生活中，人们从未放弃过汽车对速度的追求，想要速度快有两种方法，一种是拥有大力的发动机支持，另一种就是使车达到更轻量化，由于社会的发展越来越需要注重节能减排。强劲的发动机带来的是更多的环境污染，能源消耗，所以轻量化是人们研究的目标。
而针对于一种竞赛原型车的单体壳车身，想要达到更加节能、跑的更远已达到研究竞赛的目的，使车身更加轻量化也是各类爱好者研究的重点。那么如何达到既轻量化又更低成本呢？车身的设计也是尤为重要的一部分。
关键词：原型车；碳纤维；连接优化
一、原型车材料优化
原型车的设计既要达到强度要求又要尽量做到轻量化，因此车身结构可以分为两种，一种是传统车架结构而另一种则是单体壳结构。传统车架是一种比较简单的方式可以做出车壳，考虑到成本以及工艺，大部分高校都是使用传统车架结构，但此方法并不能达到更加轻量化的作用。
单体壳车身是一种更好的创新改变，通过取代掉车架结构，进行更简洁的车身结构组成，以达到轻量化的目的。利用ANSYS进行仿真受力分析，得出车身的部位承重值，根据最优化数据进行车壳的制作，控制部位所用材料。
在单体壳上应用较多的结构为碳纤维增强树脂复合材料和中间密度较低的芯材组成的夹芯层结构，即在芯材的两个外表面铺上碳纤维布，在芯层使用密度较低的蜂窝铝、泡沫等夹芯材料。
1.碳纤维复合材料性能及制备
碳纤维是由碳元素组成的的高强度高模量纤维，含碳量一般在90%以上，根据含碳量的不同，碳纤维也分为很多种类。碳纤维不仅具有一般碳素材料的特性，其外形还有显著的各向异性、柔软性，因此可加工成各种织物。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维材料不仅性能好，成本也比钢材低很多。
1.1性能
碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料被称为碳纤维增强树脂复合材料。碳纤维增强树脂复合材料质量比钢更轻，但抗拉强度却比钢强好几倍。正是因为力学性能优异，这种材料最早用于航天航空材料，之后逐渐发展到汽车等行业方面，于是我们将这材料也运用到了竞赛原型车的单体壳制作。
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碳纤维还有一个金属材料所不具备的优势，即它的外形有着柔软可加工性，我们利用真空压缩成型的方式，将碳纤维形成我们设计好的车型外壳，同时不需要其他复杂的工艺流程，将我们单体壳的成本大大降低，这也是我们选择碳纤维作为全车的材料原因之一。
1.2制备
目前碳纤维复合材料的制备方法较少, 较为普遍的是手糊和RTM, 除此还有热压罐成型、滴灌成型等方法。这些方法只适用于中小型等等制作，我们竞赛原型车的单体壳制作所用的方法便是手糊。手糊制备效率虽然不高，但是手糊制备能让表面更加光滑，并且能将力学性能薄弱的地方加厚，成本也比其它的工艺更低。
2.碳纤维预浸布选择
碳纤维预浸布是在经过高压高温技术将环氧树脂复合在碳纤维上。一般来说，碳纤维预浸布使用的是干式成型法的铺层方式。
根据交织布的排布不同，在碳纤维结构里有可以分为平纹、斜纹、缎纹三种形式。在同样纱织和密度的情况下，平纹更加紧密厚实，斜纹结构相对于就会比较松软。这就使得平纹布难以弯曲，而且平纹布弯曲较多也会使得机械性能不如其他结构，而斜纹布就具有良好的润湿性能和弯曲覆盖性能，所以弯曲的斜纹布有着比平纹布更好的光滑表面和机械性能。所以对于竞赛原型车单体壳的制作，我们选择的是斜纹布。
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3.夹芯层结构
用于复合材料夹层结构的夹芯材料主要有：硬质泡沫、蜂窝和轻木三类。夹芯材料可以提高弯曲强度、降低重量。同等刚度和强度下夹层结构要比实体层状结构的质量轻好几倍。夹芯结构材料还具有削弱噪音与震动等优点，我们通过对夹芯结构材料合理的选择还能够降低单位体积的成本，这也是我们课题主要研究的对象。
对于夹芯材料的作用，是将表面板的剪切力传到中间层，中间夹层只承受垂直于夹层中面的剪切力，并且夹芯材料还具有稳定两块表面板，防止局部弯曲的作用。由于中间部位承受的载荷较小，因此可以在单体壳板材的中心使用更轻的材料来代替。夹层材料结构自身不会使用固定零部件，这样免除了应力集中，提高了疲劳强度，这就是单体壳的夹芯层结构
夹芯材料一般价格比较贵，根据我们的分析和选择，我们选择使用的是成本更低，性能较好的改良聚氨酯泡沫。
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二、悬架部分连接设计优化
悬架方面的连接设计理念便是在保证车架和转向安全的情况下做到尽可能的节能环保，在不断的改进创新中提升车辆性能，不断地寻找新的轻量材料。在各个部分的制作都比之前节约了很多成本。
碳纤维车架经过车架的避震结构设计后，可以在震动传输过程中将震动减缓。这种舒适性并没有牺牲刚性，相反碳纤维车架通过精密的碳布堆叠工艺，呈现了极强的刚性，使刚性与轻量完美的结合。
碳纤维车架是在模具上包裹碳布，然后高温成形，所以很容易制作模具打造各种形状的车架，这对车身的模型来说有更多考虑的空间。除此之外，还对部分的铝架进行镂空设计，减轻重量的同时也节省了材料，一举两得。
经过有限元仿真分析，可以从等效应力图中可以知道架子受到的应力最大值为1.4MPa，和6061铝合金以及T700碳纤的屈服极限对比，所受的应力值远小于材料强度屈服极限，所以安全系数都要大于1。数据表明，架子在设计中的结构性能满足使用要求，可以保证车辆行驶的安全性能。
在连接强度方面，采用特有的设计方法，将部件与部件间紧密贴合，不用担心在激烈的运动中部件的脱落与损坏。
关于承重方面，车架通过复杂的应力计算，设计出了最好的承重模型，让电动车在轻的同时能承受更大的重量，以便我们车手取得更好的成绩。
以油液为介质，通过对刹车踏板的作用力带动油管里面的油液将压力传递给卡钳从而推动卡钳内的活塞，带动刹车片夹紧刹车碟。之前采用的是拉线碟刹现在改为油压碟刹两者之间最大的区别是传动原理不同，线刹是通过对刹车线的拉力使卡钳夹紧刹车碟产生制动，油刹是通过对油管内刹车油施加压力推动刹车卡钳对刹车碟摩擦产生制动。
许多的零部件我们没有选择定制，而是选择了自己测试以后应用3D打印，使得制车成本大大降低，同时也能满足比赛场地环境的艰难需求使用。
三、传动部分连接设计优化
1.传动设计
支座与单体壳间用螺栓固定，去除了支撑结构上多余的材料，使得结构达到低成本、轻量化、高稳定性的设计要求，从而以更低的成本达到目的。
2.制动系统
采用碟刹，相对其他的刹车来说，碟刹制动效果非常灵敏、刹车力度大、雨天和泥泞路面依然可靠。在为车手保障了安全的前提下，可以很好地控制成本。
3.传动方式
在传动方式上，使用齿轮传动，它有瞬时传动比恒定，工作平稳性较高，传动效率高，结构紧凑，传递功率范围大，承载能力高等优点，对齿轮进行了轻量化设计。在控制成本的同时，还可以把材料最大化利用。
4.传动离合器
在离合器方面，使用离心式/自动离合器，且电机启动速度始终低于离合器的啮合速度。这种离合器的生产成本低，广为社会应用。
5.齿轮传动轴
在齿轮传动轴的设计方面上，齿轮传动轴作为齿轮传动系统重要组成零件， 我们对齿轮轴的危险截面进行优化设计，让其最大疲劳寿命可以达到 68654次，从而提高齿轮传动轴疲劳寿命。从而可以降低对原型车的其他零件的强度要求，从而可以让其他零件降低生产成本。
6.电机和轮子
在电机方面，我们使用的是三叶电机，且这种电机安装简单，重量低，所需要的零部件少。这种离合器的生产成本低，广为社会应用；采用带有辐条的自行车轮子，这种轮子有一定的减震作用，加橡胶轮胎就可以减少减震器的安装及其成本了。