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標(biāo)題: 碳纖維綜合系列專題【六】 F1賽車上的碳纖維 [打印本頁(yè)]
作者: Insigne 時(shí)間: 2017-4-17 16:36
標(biāo)題: 碳纖維綜合系列專題【六】 F1賽車上的碳纖維
碳纖維綜合系列專題【三】 碳纖維特性分析
碳纖維綜合系列專題【四】碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈
碳纖維綜合系列專題【五】中國(guó)碳纖維市場(chǎng)現(xiàn)狀
: X; |+ o$ J; b" _4 y F1是每個(gè)男人心中的圣地,那里有著無(wú)數(shù)傳奇、鮮花和香檳,最重要的還有著世界上最快的賽車。
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4 A1 f+ P8 Q; z 無(wú)論是車身還是動(dòng)力,這些F1賽車和普通的民用車有很大差異。今天我們就來(lái)聊一聊F1賽車獨(dú)特的碳纖維車身,以及這種材料在民用車上使用的可能性。
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碳纖維單體殼歷史
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單體殼技術(shù)由來(lái)已久,早在1923年法國(guó)GP賽場(chǎng)上,被稱為航空工程和汽車設(shè)計(jì)制造先鋒的路易·布萊里奧就發(fā)布了由他設(shè)計(jì)的單體殼式結(jié)構(gòu)的賽車。但直到1962年,在蓮花25賽車上,它才第一次將質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)真正展現(xiàn)出來(lái)。技師的做法是用鉚釘加固的輕金屬殼體替代傳統(tǒng)的管狀框架座艙,這也是引入F1賽壇的第一具單體殼。在次年吉米-克拉克就駕駛著蓮花25獲得了七個(gè)分站賽的勝利,并最終獲得了年度總冠軍。
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有趣的是,據(jù)資料記載,蓮花汽車創(chuàng)始人柯林·查普曼和當(dāng)時(shí)負(fù)責(zé)蓮花賽車底盤設(shè)計(jì)的邁克·考斯丁在一次會(huì)面中用餐巾紙描繪了最初的單體殼車身構(gòu)想。偉大竟然發(fā)生在了一張餐巾紙上!
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2 V L3 d: l) r 至于說(shuō)碳纖維材料在F1賽車上的運(yùn)用那就又是另一個(gè)傳奇了—1981年一級(jí)方程式邁凱倫 MP4/1。
雖然此前該材料多次應(yīng)用于小組件中,但MP4/1才是第一個(gè)真正意義上將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于整個(gè)底盤設(shè)計(jì)的賽車。通過(guò)增加相關(guān)材料鏈軸部位的負(fù)荷,碳纖維復(fù)合材料賽車的剛度重量比大大提高了,這讓賽車變得更輕、更快、更安全了。在此之后,這種使得賽車變得更輕、更快、更安全的材料再也沒(méi)有離開過(guò)F1賽場(chǎng)了。
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+ N, W& w- O+ a" g, k: a5 a' J 有趣的是,由于在F1中優(yōu)異的表現(xiàn),這種材料受到了美國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)的重視,他們希望將這種材料作為覆蓋材料用于武裝直升機(jī)機(jī)身底部,以承受地面火力攻擊,民用走向軍工也是一段佳話了。
% D' O/ C# _7 @8 j% M3 J" C. m 碳纖維單體殼原理是什么?
對(duì)于碳纖維單體殼原理的解釋,這里有種比較生動(dòng)的解釋,那就是雞蛋殼。據(jù)實(shí)驗(yàn)分析,當(dāng)雞蛋受力均勻時(shí),一個(gè)雞蛋可以承受近30Kg的力,而一個(gè)雞蛋也就60g左右。曾在1989年,日本愛(ài)知縣市民春日井市就采用了在汽車前輪各用34個(gè)雞蛋,后輪各用52個(gè)雞蛋的方法支承起了一輛大卡車。
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; q8 D+ I4 D, G0 S 為什么蛋殼能夠承載比自身重量大得多的重量呢?其實(shí)蛋殼是一種多孔固體,具有夾層結(jié)構(gòu),有著高比強(qiáng)度、比剛度以及整體輕量化的特點(diǎn)。作為一種薄殼結(jié)構(gòu),在受到外力作用下,能把力沿著整個(gè)殼體表面向四周均勻傳遞,殼體上并不存在作用力集中在某一個(gè)地方的情況,單位面積受到的力并不大。
事實(shí)上,單體殼技術(shù)就是蛋殼原理的仿生應(yīng)用。它不同于傳統(tǒng)車身利用內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載的方式,而是通過(guò)殼體表面來(lái)進(jìn)行承載,車身上其他零部件直接與單體殼連接。這帶來(lái)的好處是車身重量大大降低,承載重物的作用力均勻分散到每一個(gè)面,這獲得了傳統(tǒng)承載式結(jié)構(gòu)所無(wú)法比擬的扭轉(zhuǎn)剛度。
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4 l6 d. ~ J% @* u 此外由于碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料,它的比重不到鋼的1/4,抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上,是鋼的7~9倍,抗拉彈性模量為23000~43000Mpa也高于鋼。這進(jìn)一步強(qiáng)化了這種結(jié)構(gòu)帶來(lái)的優(yōu)異性能。
6 S. Y2 h1 _) Z T8 B; m 民用使用的可能性
目前,民用車中使用碳纖維材料結(jié)構(gòu)并不多,多是集中在一些跑車上,并且多數(shù)跑車都沿用了F1賽車傳統(tǒng)的布置方式,碳纖維單體殼作為承載結(jié)構(gòu)和連接件而存在。但這終歸只是富人的玩具,具有碳纖維單體殼結(jié)構(gòu)的汽車往往價(jià)格十分昂貴,比如說(shuō)邁凱倫570S Coupe、法拉利-LaFerrari等都是采用這種結(jié)構(gòu)。
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% [$ w$ ]2 ]/ k3 c: `. `/ W' l5 Z 大家對(duì)這種材料的使用持消極態(tài)度,是因?yàn)檫@種材料的造價(jià)高、工藝難度大、維修成本高以及使用壽命不高等,說(shuō)到底其實(shí)就是成本的問(wèn)題。如何降低成本是這項(xiàng)技術(shù)得以走向民用車的關(guān)鍵所在。
隨著近些年國(guó)內(nèi)外對(duì)碳纖維材料的關(guān)注度大大提高,這項(xiàng)技術(shù)得到了很多的的政策和資金紅利,發(fā)展速度相當(dāng)之快。以國(guó)內(nèi)為例,目前就有不少企業(yè)在T300碳纖維方面具備了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力。2005年全球碳纖維市場(chǎng)僅為9億美元,而2013年達(dá)到100億美元,預(yù)計(jì)到2022年有望達(dá)到400億美元,碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用也將進(jìn)入全新的時(shí)代。
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可以看到這種材料的發(fā)展勢(shì)頭十分兇猛,投入往往決定結(jié)果,加之原料加工壁壘并不大,所以降低原材料成本并非不可行。
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, E6 O6 W7 |5 z7 y4 n 解決了原材料成本問(wèn)題,再就是加工成本問(wèn)題。不同于傳統(tǒng)的編織成型工藝、拉擠工藝、纖維纏繞成型工藝等等,現(xiàn)在出現(xiàn)了很多新式的成型方法,比如說(shuō)就有某些公司采用了熱塑性碳纖維工藝,可以將發(fā)動(dòng)機(jī)蓋一次整體成型,并大大提高了產(chǎn)品的強(qiáng)度和精度,解決了汽車碳纖維制件批量化的問(wèn)題,綜合成本相對(duì)會(huì)于鎂鋁合金還降低30%左右。
說(shuō)了這么多,大多都是一些前景式的證明,我們可以來(lái)看看現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)的廉價(jià)車型。比如說(shuō)國(guó)產(chǎn)車型奕代T300,作為一款三輪電動(dòng)跑車,車身采用了復(fù)合材料制作的單體殼車身,整車售價(jià)不到12萬(wàn)元。
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6 x" F! H! }5 I. b 從外表上看它雖然沒(méi)有采用碳纖維材料,但是車身采用了單體殼式結(jié)構(gòu),可以看到單體殼結(jié)構(gòu)是可以應(yīng)用于普通民用車中的,現(xiàn)在來(lái)說(shuō)亟待解決的就是材料問(wèn)題,特別是碳纖維材料,但歷史往往是相似的,就好像第一個(gè)應(yīng)用在F1賽車上的單體殼是使用鋁制材料一樣,或許在不久的將來(lái),碳纖維材料可以使用在廉價(jià)車型中。
9 L% n% n) {: ~& r" S 小結(jié)
碳纖維單體殼作為一種質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、安全性高的車身結(jié)構(gòu),被廣泛應(yīng)用于性能車中,雖然時(shí)至今日,該技術(shù)短期內(nèi)還無(wú)法完全在民用車中得到普及,但已是汽車輕量化發(fā)展的主流方向之一,相信距離其技術(shù)下放的時(shí)刻已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)了。
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作者: 淡然 時(shí)間: 2017-4-17 21:54
學(xué)習(xí)了,雖然說(shuō)碳纖維質(zhì)量輕,性能好。但如果車子重量太輕,高速行駛會(huì)不會(huì)飄?
作者: Insigne 時(shí)間: 2017-4-18 10:43
% `* H3 j* \1 z( R3 D9 I" o) `發(fā)飄和車重沒(méi)有關(guān)系,主要看底盤高低和車體流線性
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作者: davifeng 時(shí)間: 2017-7-19 18:43
追學(xué)中!
作者: flydragon525 時(shí)間: 2017-8-7 10:44
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這話不贊同,肯定車身越重,越抓地,也就越穩(wěn)啦。只能說(shuō)達(dá)到一定速度之后,重量的影響微乎其微了,這時(shí)主要看底盤高低和車體流線性。
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作者: 司馬杰 時(shí)間: 2017-8-18 16:11
學(xué)習(xí)了
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