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

机械工程学院 1116150107 包俊

中文摘要：本篇论文介绍了大学生方程式赛车所用的材料，主要从车身材料，底盘材料以及车轮材料三个方面介绍。材料是方程式赛车的基础，必须具有优良的性能。其中，车身材料主要采用的是碳纤维，它具有轻盈，抗冲击的性能；赛车底盘则采用蜂窝铝材和碳纤维合成的复合材料，其具有机械强度高,耐温性好,耐腐蚀性好等性能；而车轮材料则比较复杂，会根据比赛赛道的不同选用不同的轮胎，有的软，有的硬，每场比赛所使用的轮胎成分差别很大，但是其外框主要是尼龙和聚酯纤维的复杂编织物。

English Abstract: This paper introduces the formula of materials used for college students, mainly from the body material, material of the chassis and wheel material is introduced from three aspects. Material is a Formula One racing based, must have excellent performance, which, the body material is the main use of carbon fiber, it has a light, shock resistant performance; racing chassis uses the titanium alloy material, which has high mechanical strength, good temperature resistance, good corrosion resistance and other properties; while the wheel material more complex, depending on the race track choose different tires, some soft, some hard, every game the used tire composition varies greatly, but the frame is mainly nylon and polyester fiber complex woven fabric.

中国大学生方程式汽车大赛（简称“中国FSAE”）是一项由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛。各参赛车队按照赛事规则和赛车制造标准，在一年的时间内自行设计和制造出一辆在加速、制动、操控性等方面具有优异表现的小型单人座休闲赛车，能够成功完成全部或部分赛事环节的比赛。而本文则主要对其车身所用材料展开探究，赛车主要由车身，底盘和轮胎构成，下面就从这三方面来分别详细地介绍其所用材料和性能特点。

车身材料：碳纤维

车身是一辆赛车的主体部分，其重要性不言而喻，而赛车对于速度的追求则理所当然地要求车身材料必须具有轻盈的特点。而作为赛车手的屏障，其又必须具有良好的抗冲击性能，这两种看似矛盾的要求必须在一种材料中体现，似乎有些困难，而碳纤维材料则很好地符合了这两样要求。碳纤维，又称碳化纤维，泛指一些以碳纤维编织或多层复合而成的材料。因为它又轻又坚硬，所以它的用途很广泛。碳纤维在汽车领

域的应用率先从赛车开始，近年来在民用汽车中得到了广泛的引用。涂着清漆，故意

露出深沉的黑色编织花纹的碳纤维组件已不单单只是为了看上去拉风，“高碳”之风

越刮越烈。一般碳纤维的密度为1750 kg/立方米，如此低的密度让其更是广泛被使用

于大型飞机，例如空中客车的A350与A380，波音787均利用碳纤维复合材料来减轻耗油量。另外大型风力发电机的叶片，赛车、高端自行车的车身均为碳纤维复合材料需

求量增加的重要因素。另外，碳纤维还能够很好地保护车手。这是为什么呢？我们可

以可以注意一下F1赛车出现事故后，比如前鼻翼撞到护墙了，我们找不到鼻锥在哪里，原因是鼻锥是完全由碳纤维制成的，在撞击的一霎那产生巨大的冲力，极短的时间，

巨大的撞击力，碳纤维立即成为粉末了，尽可能地吸收这些力，从而保护赛车手。但

是碳纤维也有其缺点，就是价格昂贵。所以除了航空航天用的到以外，剩下的基本就

是F1赛车了。大学生方程式赛车毕竟不能和世界顶级的F1赛车相比，但是在2011年

方程式大学生赛车比赛上，8支团队的赛车采用了TeXtreme®丝束展开碳纤维织物，该

材料的使用使赛车的重量大大减轻，同时其性能也改善了。

底盘材料：蜂窝铝材和碳纤维合成的复合材料

赛车的底盘具有承重，以及装载赛车的各种器件的作用，所以其对稳固性的要求

很高，所以在碳纤维材料的基础上又增加了蜂窝铝材，一起构成复合材料，提高了性能，使其具有高强度的特点。蜂窝铝材的特点是中心为铝质六边形蜂窝，密度小（每

平方米大约为3～7公斤），是同厚度同面积木板重量的1/5，玻璃的1/6、铝材的

1/7，铝蜂窝板表面具有极高的平整度，抗震性能好，仅为玻璃幕墙比重的八分之一。追随自然产品的创新往往要模仿大自然的结构和形式，人类的发明创造无不受

到大自然的启发，并适应自然界的要求，蜂窝铝材就是一个很好的例子。而这两样

材料的结合所形成的符合材料则同时具备了两种材料的优点，从而使其更加符合要求。

轮胎材料：不同规格成分不同

赛车轮胎的制造成分大约包含了100多种物质，有时或许还会更多，然而，最重

要的成分只有三种：碳、油和硫磺。轮胎的软硬度对轮胎最终产生的效果有很大的影响，而轮胎的结构始终是在随着比赛的发展而巧妙地改进。轮胎的框架，是由尼龙和

聚酯这两种材料以复杂的方式混合在一起，制作而成的，因为轮胎需要应对强空气动

力阻力(赛车的速度达到每小时250公里时，强泻气流大于1吨)、纵向强阻力(4G)和

横向强阻力(5G)，以及偶尔辗过赛道边石块形成的强烈撞击，所以轮胎的框架必须具

备充足的硬度。在干燥气候下，这种轮胎遇到的主要问题是凹槽间的橡胶变形，因为

赛车不可能适应所有赛道的特征。所以在不同的赛道就会使用不同的轮胎.主要还是分