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1、FSAE赛车单体壳简介大家好，我是杨昌龙。我来自哈尔滨工业大学（威海），09年末组建了哈 工大的HRT车队并一直在车队工作，经历了 3届比赛，见证了 3辆赛车的诞生。 现在离开车队来到日本1个多月了，有些怀恋那些为梦想而奋斗的日子。现在有 些时间，而且牛蛙也各种催稿，所以写下这篇文章。HRT车队在2011年开始设 计制造单体壳，今年HRT12赛车的单体壳重约19kg （包括前环），基本接近FSAE 的先进水平。作为先行者，现在请容许我为大家稍稍介绍一下单体壳吧。由于篇 幅较大，所以这篇文章将会作为连载来“放送”。图0.陪我走过三年的赛车们简介单体壳 Monocoque （/1 mnokkor
2、/1 mnokok）,想必这个词在赛车和超跑 领域不知被提起过多少次了，但是它到底是什么意思呢，有什么优缺点，怎么把它做出来呢？或许很多人没有答案。Monocoque,是一种结构技术。它通过一个物体的表面来承载，而不是使用内部 框架来承载。Mono来源于希腊,指单一的意思。COqUe是来源于法语,壳的意思。所以monocoque 就算是承载式车身的一种。但现代大多数乘用车的白车身，并不是完整意义上的 单体壳，而是箱体、管件和舱壁的组合，并不强调表面的刚度和强度，主要通过 凹凸形成的箱体和管件来承载。另外，对于单体壳，大家可以参考看一下鸟蛋， 这是一个完美的“单体壳”。历史单体壳最早起源于船和飞
3、机。早期的飞机使用内部框架，再在外表蒙皮形成一个 光滑封闭的外表，但是外表仅仅是减少阻力而不承载载荷，所以重量并不理想。 在将二者功能整合以减重的思想下，单体壳开始应用于飞机，效果明显，没过多 久各个公司都开始应用单体壳技术。图1 DePerdUSSin Monocoquel912年出现的单体壳飞机。1962年的参加Fl赛事的LOtUS 25就采用了单体壳，虽然它并不是赛车领域的第 一个单体壳，但是这是单体壳第一次出现在Fl赛事并广为大家所知，同时也可 以算是现代汽车单体壳的开山鼻祖。这次尝试可以说是获得了极大的成功，这辆 赛车拥有更小的前视面积、更轻的重量、更大的扭转刚度、更大的驾驶舱空间，
4、 62年这个赛季中赢得了 10站比赛的7站。图2 Lotus 25的单体壳图3 LOtUS 25赛车经过多年发展，赛车的单体也从金属单体壳发张到了复合材料单体壳，越来越轻 越来越硬。FSAE界的单体壳也绝大多数是碳纤维增强树脂(CarbOrl Fibre Reinforced Plastic (CFRP) 简称碳纤维的单体壳，金属单体壳仅有英国 的Oxford Brookes University近几年的赛车，它使用的是铝合金来制造单体壳。 另外在超跑和赛车领域，也几乎都是碳纤维单体壳。而我们车队制作的单体壳也 是碳纤维单体壳，因此这篇文章我们仅仅讨论碳纤维单体壳。图4 Oxford Broo
5、kes Racing 2012赛季的赛车ISISI2使用的就是铝合金单体壳单体壳的优点 为什么赛车和跑车使用单体壳呢？当然是要比较它的优缺点之后，对比各项数据 才会做出这样的选择。除了上一节所说的优势以外，我们以FSAE赛场的单体壳 和钢管车架对比来详细论述。1 .重量在FSAE界内，据我所知，当然这不是太全面，一般最优秀的单体壳，包含所有 防滚架和安装支座能做到17、8kg左右，而最优秀的钢管车架包含所有支架的话 大约25、6kgo不仅如此，单体壳同时还将大部分面积密封起来，相对于钢管还 节省了约一半的覆盖件。所以，单体壳对于FSAE来说直接减少了至少IOkg。2 .扭转刚度钢管车架，一般也
6、称之为空间绮架结构(SPaCeFrame Structure),每一根管子 可以简化为线体；而单体壳，顾名思义，是一个半封闭的壳，可以简化为面体, 因此单体壳有着先天的惯性矩上的极大优势，所以可以使车身的扭转刚度直接翻 几番。FSAE的全单体壳赛车基本都拥有4000NM以上的扭转刚度，例如去年日本 上智大学的SRlO赛车的单体壳就拥有傲人的8956NMdeg的扭转刚度，虽然 22.7kg有一点点重。图5上智大学SRIo的单体壳有很高的扭转刚度3 .整合度这里将上面说的驾驶舱空间和前视面积不再详细叙述，而突出整合度。因为FSAE 规则所特有的、远大于实际车手所需空间的驾驶舱空间模板规定，所以基本
7、大家 都会按照规则的要求来设计赛车的驾驶舱空间，所以单体壳没有空间这块的优势 了。由于钢管车架几乎是直线构成所需结构，所以设计灵活度不高使得空间利用 不是太好，同时在钢管之外再套一层覆盖件,所以使得钢管车身的前视面积稍大， 但是模板本身就很大，所以前视面积的优势也不是太明显。不过由于单体壳空间 利用率高，同时作为一个面，只要接近这个面就容易安装部件，而钢管车架必须 接近一根管件才易安装，有时候甚至为了安装某个部件而需要单独增加一个管件。 另外单体壳还将部分覆盖件包含在内，所以减少了零部件、简化了安装，使得赛 车的整合度很高。4 .安全这是非常重要的一点，不仅对于FSAE,尤其对于其他非Time
8、 Trial的赛车来说， 这就更加重要，一起比拼时发生事故的概率更高。单体壳相比钢管车架来说，有 更高的强度，能保证在高速碰撞的时候为车手提供足够的SafetyCage。诚然可 能你的赛车是单体壳的，安全，但是真正的安全是意识，是操作，是充分的准备。赛车不是速度第一，成绩第一，甚至友谊也不是第一，记住，安全第一！ ！ ！图6有时候危险离你并不远，安全第一!单体壳的缺点好了，我们说完了优点，再来说说缺点，是什么造成单体壳没有那么广泛的使用 呢。1. 成本这个说来话长了，单体壳的原材料贵，首先碳纤维贵。我们来举个例子，乘用车 -一般经过炼钢、轧钢、冲裁和冲压、组装焊接就能得到需要的车身。而单体壳,
9、 主要是由碳纤维构成，制造碳纤维丝，织布，浸入树脂（预浸布，Prepreg）, 裁剪碳布，铺层，固化等等步骤才能得到，另外预浸布保存困难，需要低温保存， 如果30度的室温保存的话连30天都撑不过去。第二点是成型需要昂贵的专门模 具，而且需要阴模，这就需要先制作阳模再翻阴模，或者直接制作成本更高、更 复杂的阴模。然后是需要大量人工去裁剪、铺层，除非类似于波音、空客等世界 一流且复合材料使用量巨大的企业才会有机械铺层设备。最后是需要复杂的固化 设备和大量的耗材，保存时需要在碳纤维布的两侧都附上保护膜，然后需要专门 设备抽真空、加温加压，同时固化的时候，需要真空袋、密封条、通气毛毡、隔 离膜等耗材。
10、最后总结下来就是碳纤维单体壳原材料价格高昂，成型工艺复杂， 需要专门模具，需要大量人工，边角废料多，需要大量耗材，需要专门固化设备 等。因为我们HRT车队的单体壳是在赞助商光威复合材料、民世达纸业、山川复 合材料等等企业的帮助之下制作出来的，我想大部分其他FSAE车队也有赞助商 的帮助才能完成单体壳的制作。所以我并不太清楚实际花费或者说市场价格，但 是赞助商的员工有说过如果这个单体壳是完全购买的话，他们公司可能会开价 20万人民币，但这只是个猜测，没有住够的说服力。0K,单体壳成本到底有多 高，我们来用Cornell University 2011年的成本模板来看看。单体壳的成本总 共为693
11、7. 79美元。然后，成本表上的成本可以认为是零售价的一半，比如采购 件就直接按零售价的50%i,虽然标准件和自制件是按公式或者填表来计算的， 但是这个规律基本好使，因为还有其他消耗和利润呢。好了，那6937. 79*2=13874. 58美元，现在汇率大概是6. 2左右，所以零售市场大概需要 86000人民币才能买到一个小小的半单体壳，当然这还是要在量产的情况下。图7八万六人民币才能买到这个CornelI的单体壳UniversityCornell UniversitySystemFrame and BodyAssemblyMonocoqueP/N BaseAO1SuffixAADetails
12、PartPart CostQuantitySub TotalMonocoque Laminate$6,829.471.$6,829.47Front Roll Hoop$16.041.$16.04Insert$92.281.$92.28Sidepod$441.212.$882.42Sub Total$7,820.21图8 Cornell的单体壳成本表若一个参加FSAE的车队要做单体壳，但是没有企业给赞助，那么大概要花费多 少呢？我们还是通过这个成本表来看吧，首先，单体壳的人工成本是没有了的， 大家是免费劳力。然后模具需要单独来计算，因为成本表中是一个模具重复使用 120次。除去劳动力和模具之后的
13、成本是3205. 17美元，但是这其中是恰好的统 计，所以其实老美写成本也有钻空子，因为就我们来说原材料基本会浪费掉大约 30%,边角废料也很可观，所以至少需要4578. 81*2=9157. 62美元的原材料，大 约是56777. 3元人民币。一般需要进两次固化炉，而固化炉没赞助的话不仅很难 找、可能不让用、而且还要钱，按成本表来看，一次119. 19美元，那么大约会 花费3000元人民币，在成本表中固化耗材包含在内了，但是国内可能没有这么 好心的企业，所以这块其实是相对乐观的计算了。然后是模具了，如果是多次使 用的模具,48600美元的模具成本还算比较合理,基本不需要乘以2来当零售价， 因
14、为根本没有零售模具，哈哈。若做一个不太耐用的模具，而且自己负责人工的 话，那么这个价格的五分之一到六分之一比较合理，我们的模具也差不多花费了 这么多吧。这么最后根据Cornell的成本表在没有赞助的情况下最乐观的估算是 需要12万人民币才能制作单体壳，而且是所有人工自己负责，没有运费税费等 等的负担，而钢管车架的成本远远小于这个数字，所以单体壳的成本是第一大难 点。因为模具相对贵，所以即使世界顶尖的FSAE车队也尽量将一款模具连续使 用好几年。这里有好长的论述啊，不过想必大家也都明白这玩意为什么这么贵了 吧，超跑一个单体壳要价百万也并不过分。2.设计复杂碳纤维作为复合材料的典型代表，其特性和机
15、械常用的金属材料有着本质的区别。 金属材料是各项同性材料，而碳纤维则是典型的各项异性材料。可能有些人第一 次听说这两个词，我先浅显的说说，详细大家去自学吧。各向同性就是他的性能强度、刚度、泊松比等等一一对于任意一个方向都是一样的。各向异性就是 不同方向这个材料表现出不同的性能，碳纤维是正交各向异性，顺着纤维厉害， 而其他方向就不好，也就是它在XYZ三个方向的性能是不一样的，这样比如刚度 的常见2个参数一一杨氏模量、泊松比（还有个剪切模量，不过可以通过前两个 计算出来），变成了 9个参数，杨氏模量、泊松比、剪切模量各三个。同时，它 的强度，也就是破坏形式更加复杂：对冲击的敏感，特别是低速冲击很敏感；损 伤扩展不明显，然后“突然死亡”，根本没有材料的屈服阶段来给大家警示；最 过分的就是竟然出现了静强度和疲劳强度的分散性均高于金属，特别是疲劳强度 尤为突出，也就是同一批一模一样的产品，有些500Mpa坏，而有些300Mpa就坏。3 .加工要求高单体壳的加工要求是离奇的高，而且加工的战线会拉得很长，我们的单体壳大约 7、8人一直铺层，铺了约两周，中间很容易犯下一些错误如混入杂质、忘揭保 护膜、铺层不密实等等，可能某一个错误就要了这个单体壳的命。而且铺层的时 候，会进行区域分割，然后两个块重叠铺层，这里就会和计算略有区别。另外, 如果不是使用预浸布，而是使用湿式成型（将会在连载
