赛车一直处于研究和开发的前沿,因为每个车队都希望获得比对手更大的优势,并摆脱每圈那几秒钟宝贵的时间。为了帮助培养未来的汽车工程师,方程式汽车工程师协会(Formula Society of automotive engineers,简称SAE)是一项全球性的学生竞赛,让不同大学的团队互相竞争,开发小型的、方程式赛车风格的赛车。
2019年,意大利米兰理工大学赛车系(Dynamis PRC)正在寻找一种新材料,以改善汽车转向柱和悬架的性能。为此,Dynamis PRC联系了领先的复合材料技术公司Exel Composites,将材料创新带入高速工程设计。
学生项目通常不被认为是设计的尖端。虽然Dynamis PRC是一个由学生领导的组织,但它的实践绝不是业余的。Dynamis位于意大利首屈一指的工程大学之一,专注于设计和制造方程式赛车风格的车辆,参加SAE方程式赛车比赛。虽然名册上可能满是学生,但它的等级制度是商业化的,学习和创新的决心也是如此。
在2018年取得了相当成功的一年,车队在所有比赛中都取得了前十的成绩,Dynamis正在寻找一种方法来推动第二年的SAE赛车比以往任何时候都更远,并获得一个杆位。
减轻的是体重,不是力量
“我们刚刚结束了成功的一年,但团队知道我们的车可以表现得更好,”Dynamis的技术总监安德里亚·维佐利(Andrea Vezzoli)解释说。“对于那款名为DP11的车型,我们希望实现两个主要目标。首先是减轻汽车的重量,其次是改进悬挂系统,因为我们觉得在前一年,这是阻碍我们前进的原因。”
把转向柱挑出来作为减轻重量的主要领域,Dynamis开始寻找新材料。改进重量是至关重要的,因为其他团队也会改进他们的车,其中许多都得到了主要汽车制造商的支持。
在研究新材料时,Dynamis遇到了米兰理工大学校友Francesco Ierullo,他目前是Exel Composites的南欧和西欧及IMEA销售主管。“当他们联系我时,我回想起了自己在理工学院学习工程学的经历,”埃鲁洛解释说。
“在我学习期间,我就已经知道了SAE方程式赛车,并惊喜地发现,这些车队中的许多学生都拥有方程式赛车的发展和设计技能。我们一直在寻找将复合材料交到学生手中的方法,”Ierullo继续说道。
最小化时间和权重
在与赛车团队回顾了重点领域后,Exel Composites建议使用多种碳纤维管。Ierullo解释说:“在会议期间,我们很高兴看到他们对项目的热情,我们尽最大努力提出了帮助他们设计的潜在方法。”
Andrea Vezzoli说:“在选择我们认为最适合我们需求的碳纤维管之前,我们研究了几种不同的碳纤维管。”“使用碳纤维对于减少驱动柱的重量是一个真正的突破。我们能够减重15公斤,这帮助我们缩短了2秒的圈速。”
碳纤维的另一个优点是它的强度。汽车的驱动柱必须抵抗三倍的峰值负载,我们的设计是100牛顿米(牛米)。使用埃克塞尔的碳纤维,我们能够将其推高到140纳米,而且材料仍然有效,而不像许多金属材料那样会断裂。”
“这种材料的性能给我们留下了深刻的印象,”Dynamis的悬挂和传动系统部门主管埃内斯托·里卡多(Ernesto Riccardo)解释说。“我们建立了一个材料数据库,并使用一种算法来表明哪种材料最适合某些组件。一旦我们将Exel产品的属性输入到数据库中,算法就会告诉我们每次都要使用它,不会出错。与我们之前尝试过的所有东西相比,这是另一个水平。”
Exel公司的管道也被用于在不增加车辆重量的情况下增加车辆悬挂的刚度。用很多其他的材料。这种力会使汽车部件变形,降低其效率,但使用碳纤维完全避免了这个问题。
集成创新
在转换到组合时,可能会出现两个潜在问题。第一个问题是用于切割和加工材料的方法的差异。复合材料的风险在于切割过程中会发生分层,尤其是在使用水射流等工具时,这可能会导致材料失去性能,影响其稳定性。
另一个问题是,要把复合材料固定在适当的地方,框架必须修改,因为复合材料不能焊接在地方。相反,它们必须粘在一起。这些修改可能会改变车辆外形的重量,这意味着必须正确地进行粘合。Exel通过推荐复合材料连接器的最佳选择,同时解释切割每个材料的最佳方式,防止了这些问题的发生。
Vezzoli解释说:“部件的集成过程非常顺利,Exel Composites公司向我们解释了一些必要条件,但在大多数情况下,它习惯了粘合而不是焊接。”“整个团队都惊讶于制作材料如此简单;我们预计会遇到一些问题,但材料的质量意味着转换是无缝的。”
奔跑在路上
虽然SAE方程式赛车是一项赛车赛事,但并没有一场比赛来决定谁是冠军。相反,每个车队都参加各种各样的赛事,以衡量赛车的不同质量。停止时间、加速和敏捷性都在不同的阶段进行测试,团队在每个重点领域都会获得分数,得分最多的团队会赢得比赛。
在安装了新的碳纤维片后,Dynamis能够将赛车开到四场比赛。第一场比赛在荷兰举行,车队在那里赢得了总冠军。回到意大利进行第三场比赛,Dynamis又取得了一场胜利。
在世界上许多大型汽车制造商的故乡德国举行的最后一场比赛是最艰难的。Vezzoli解释道:“我们已经为一场具有挑战性的比赛做好了准备。“许多德国车队都与当地汽车制造商有直接联系,所以我们知道汽车必须表现出色,才能帮助我们实现目标。”即使面对一些世界上最具竞争力的球队,Dynamis也取得了强大的第三名,使本赛季成为迄今为止最成功的赛季之一。
向前推动
虽然2020赛季被推迟,但Dynamis团队正在期待下一个挑战。“我们的长期计划之一是开始参与电动版SAE方程式赛车的竞争。这是我们2019赛季战略减重的原因之一,”Vezzoli解释说。
使用复合材料是Dynamis的一个突破。在下个赛季,该团队计划开始在空气动力学机翼中加入一些埃克塞尔的玻璃纤维元素,以实现新阶段的轻量化。
复合材料正在成为汽车行业的支柱。无论汽车制造商选择碳纤维还是玻璃纤维,其在性能、强度和重量方面的潜在好处都能真正推动汽车的发展。
Exel Composites已经为汽车行业提供复合管材、型材和层压板。例如,电动汽车(EV)电池外壳只是一个例子,它展示了轻质复合材料的力量如何具有潜力,以支持我们对电动汽车日益增长的需求。
赛车是不断创新的源泉,不仅对技术来说如此,对从事赛车工作的工程师来说也是如此。材料的选择是许多创新的核心,复合材料显示出许多优点,可以使车辆更轻、更强、更高效。确保未来的工程师尽可能早地接触复合材料是确保下一代准备好使用这种材料并让它引领他们取得胜利的关键。
埃克塞尔复合材料
exelcomposites.com
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