大学生方程式赛车使用材料分析

大学生方程式赛车使用材料分析

摘要：本论文主要内容为大学生方程式赛车正在普及中国的高校，在参赛队伍的努力下，这项比赛正在给中国的汽车制造业注入活力。对于参赛者而言，对汽车材料知识的学习非常重要，因为通过对车架、车身、轮胎、油气系统材料选择以及优化可以极大提高赛车的整体性能下文，将会对现在的方程式赛车的整体车结构的材料进行分析以及对于参赛者材料选择重要性的论述。

Abstract: the main content of this thesis is to popularize Chinese for college students of Formula One racing college, in the team's efforts, this game is to Chinese automobile manufacturing industry infuse vigor.The contestants, to automotive materials knowledge learning is very important, because the frame, body, tires, oil and gas system in material selection and optimization can greatly improve the overall performance of the car below, will be on the present formula car integral structure material for analysis and material selection for contestants in the exposition of the importance.

中国大学生方程式汽车大赛（以下简称“FSAE”）是中国汽车工程学会及其合作会员单位在学习和总结美、日、德等国家相关经验的基础上结合中国国情精心打造的一项全新赛事。我们大学生参与其中主要意义在于通过动手实践增强理论知识，为我国的汽车工业发展输送高素质的人才。在参与FASE中，对于赛车的设计固然重要，但是对于赛车材料的选择同样是重中之重。通过对材料的准确把握，设计制造出合格的赛车，是FASE的灵魂。而灵魂的重要性值得所有参与其中的人认真研究。

首先我们从车架说起。车架是是构起赛车的基本，车架是车辆的主体结构，为其他部件，如悬架、发动机、座椅、踏板、传动装置等提供安装的位置，并承受所有部件传来的力。所以我们说，对于车架材料的选择非常重要，因为它决定了赛车的稳定性。对因为于大学生来讲，设计的赛车从简单以及可行性来考虑，多采用空间衍架结构，设计制造简单便宜，并且发生碰撞后可以很容易的检修。

（Christopher Scott Baker,University of Souther FoES Formula SAE-A Space Frame Chassis Design）对于材料的选择，目前大多采用低碳钢及合金钢，铝合金和复合材料也有车队采用。大赛规则对材料的限制，例如铝合金的壁厚须在3mm以上等规定，是选择材料首先要考虑的问题。对材料不仅仅要考虑它的强度和密度，同样重要的是材料的稳定性、加工焊接工艺要求、能否获得、价格等因素。不同部位可以选择不同的材料和管型，以在受力能保证的前提下降低成本。在一定的情况下，我们可以学习有限元分析软件，通过对材料的优化，合理选择车架的材料，推荐使用ANSYS软件，对于选材帮助很大。特别的，我们需要考虑铝合金与钢结构的焊接问题，因为金属材料之间的焊接需要通过多次测量才能够解决好焊接不稳定的问题。从整体来看，目前从车辆制造角度来看，大家多采用4130号钢，即铬钼钢。因为铬钼钢不易折断，比较稳定，但是焊接有一定困难，需要赛车设计参与者能够仔细研究焊接问题。那么，对于整车的成品来讲，将会有很大的帮助。会起到事倍功半的效果，提高效率，增加赛车的稳定性。

方程式赛车的发动机一般可以直接购买，对于我们来说无法决定他的材料，谈论意义不大。所以我们可以对车身的材料进行更多的研究，因为所有参赛队伍，车身都由自己设计制造。赛车的车身既要满足强度和使用寿命的要求，还应满足性能、安全、价格、节能等方面的需要。综合各方面的考虑，大都选择铝合金材料，因为铝合金密度小，比强度和比刚度高，塑性好，易于成型，工艺简单成本低廉等。新型的车身材料多种多样，诸如泡沫铝合金车身，全铝车身，钛合金车身TD1车身部件，高强度纤维复合材料等。从成本性能考虑，现在的FASE参赛队伍多采用铝合金材料，当然现在也有些队伍开始使用钛纤维材料车身，这对于整车的性能来讲，又有较大改进，在整车的质量上，减轻了质量，提高节能性能，增加了车身使用寿命。从专业角度来看，这将成为未来赛车车身制造的主流。所以，在一定的可能情况下，大胆尝试新材料，在节约成本以及能源的情况下，不断提高赛车性能，是FASE所极力提倡的。

现代车辆的构造材料极其多样，主要材料钢、铁、铝、橡胶占车接近90％，其余为其他多种材料，包括有色金属。上面主要讨论了金属材料在赛车中的应用，下面，着重分析非金属材料在大学生方程式赛车中的应用。车用材料的主题始终围绕环保、节能、安全、舒适性和低成本这五个主题展开，当然大学生方程式赛车也不例外。现在出现使用的陶瓷材料发动机，碳纤维强化塑料等都蕴含上述的主题。

在非金属中，首先分析橡胶的使用，因为橡胶对车胎的使用重要。轮胎是汽车行驶系统中的主要组成部分之一，轮胎的合理使用，关系到汽车安全、能源节约和成本的降低。轮胎的技术状况使赛车油耗在10％到15％范围内变化，所以轮胎选材意义重大。在方程式赛车设计制造中，配合铝合金内盘的橡胶轮胎多采用钢丝纤维、胎面环、凸缘、胎体组成。一般来说，轮胎最重要的一个特性就是抓地力。对轮胎表面的花纹设计，符合道路条件，行车速度，美观。赛车轮胎使用普遍采用子午胎，弹性大，耐磨性好，抓地力强。其次，在在赛车的制造中，橡胶的用处还有很多，统一称为用橡胶制品，如传动V形带、各种胶管、密封制品、减震橡胶制品及安全气袋几大类。在赛车制造中，一定要选好橡胶种类，增加赛车的整体安全性能。

另一个非金属材料用于方程式赛车上的是车身涂料。汽车涂料在车的性能上没有帮助，但要保证满足展示参赛队伍的特色。要求满足漂亮的外观，极好地耐腐蚀性，极好地耐擦洗性和耐污性以及可修补性。常用的车身涂漆有C06-1铁红