赛车一直处于研发的前沿,因为每个车队都希望在与竞争对手的竞争中获得优势,并在每圈中浪费掉宝贵的几秒钟。为了帮助培养未来的汽车工程师,汽车工程师方程式协会(Formula Society of automotive engineers, SAE)是一个全球性的学生竞赛,让不同的大学团队相互竞争,开发小型方程式式赛车。
2019年,意大利米兰理工大学(Politecnico di Milano)的赛车系(Dynamis PRC)正在寻找一种新材料,以提高汽车转向柱和悬架的性能。为此,Dynamis PRC与领先的复合材料技术公司Exel Composites取得联系,将材料创新引入高速工程设计。
学生的项目通常不会被认为是复杂设计的领头人。虽然Dynamis PRC是一个学生领导的组织,但它的实践绝不是业余的。Dynamis总部位于意大利首屈一指的工程大学之一,专注于设计和建造方程式风格的汽车,以参加SAE方程式赛车比赛。虽然这个名册上可能满是学生,但它的等级制度是商业化的,它学习和创新的决心也是商业化的。
在经历了相当成功的2018年之后,车队在所有的比赛中都能获得前十的成绩,Dynamis正在寻找一种方法来推动下一年的SAE方程式赛车比以往任何时候走得更远,并取得杆位。
减的是重量,不是力量
“我们刚刚度过了成功的一年,但团队知道我们的汽车可以表现得更好,”Dynamis的技术总监安德烈•维佐利(Andrea Vezzoli)解释说。他说:“我们想在那年推出的DP11车型上实现两个主要目标。第一件事是减轻赛车的重量,第二件事是改进悬挂系统,因为我们觉得在前一年,这是阻碍我们前进的地方。”
把转向柱作为减重的主要领域,Dynamis开始寻找新材料。改善重量是至关重要的,因为其他车队也会改进他们的赛车,其中许多车队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复合材料公司的南西欧和IMEA销售主管。伊鲁洛解释说:“当他们联系我时,我想起了自己在巴黎理工大学学习工程的经历。”
“在我的学习期间,我已经意识到SAE方程式,并对其增长和这些团队中许多学生拥有的设计技能的水平感到惊喜。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。
减少时间和重量
在与赛车团队审查了重点领域后,Exel复合材料公司建议采用多种碳纤维管。Ierullo解释道:“在会议中,我们很高兴看到他们对项目的热情,我们尽了最大的努力建议可能的方法来帮助他们的设计。”
Andrea Vezzoli说:“在选择最适合我们需求的碳纤维管之前,我们审查了几种不同的碳纤维选择。”“在减轻驱动柱重量方面,使用碳纤维是一个真正的突破。我们成功减掉了15公斤的体重,这让我们的单圈时间缩短了2秒。”
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,这对于我们的设计是100牛顿米(牛)。使用Exel的碳纤维,我们能够将其推进到140纳米,材料仍然具有功能,不像许多金属会断裂。”
“这种材料的性能给我们留下了深刻的印象,”Dynamis悬挂和动力传动部门负责人埃内斯托·里卡多(Ernesto Riccardo)解释说。“我们建立了一个材料数据库,并使用一种算法来指出哪种材料最适合某些组件。一旦我们把Exel的产品的特性输入到数据库中,算法告诉我们每次都要使用它,没有失败。与我们之前尝试过的所有东西相比,这是另一个层次。”
Exel的管道也被用来增加车辆悬挂的刚性,而不增加其重量。还有很多其他的材料。这些力会使汽车零件变形,降低它们的效率,但使用碳纤维完全避免了这个问题。
集成创新
在过渡到复合材料时可能会出现两个潜在问题。第一个问题是切割和加工材料的方法不同。复合材料的风险是在切割过程中会发生分层,特别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,要将复合材料固定到位,必须修改框架,因为复合材料不能焊接到位。相反,它们必须粘在一起。这些修改可以改变车辆外形的重量,这意味着必须正确地进行粘接。Exel通过推荐复合材料连接器的最佳选择,同时解释了切割每种材料的最佳方法,避免了这些问题的发生。
Vezzoli解释说:“部件的集成过程非常顺利,Exel Composites向我们解释了一些必要条件,但在大多数情况下,它正在适应粘接而不是焊接。”“整个团队都对制作这种材料的简单程度感到惊讶;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。”
上路跑步
虽然SAE方程式是一项赛车赛事,但并没有单一的比赛来决定获胜者。相反,每个车队都要参加各种各样的比赛,以衡量赛车的不同品质。停止时间、加速和敏捷性都将在不同阶段进行测试,每个团队将根据每个关注领域获得积分,得分最多的团队将赢得比赛。
由于安装了新的碳纤维件,Dynamis能够把车开到四场比赛。第一场比赛在荷兰举行,车队在那里获得了总冠军。回到意大利参加第三场比赛,迪纳尼斯看到了另一场胜利。
在世界上许多大型汽车制造商的故乡德国举行的决赛是最艰难的。Vezzoli解释道:“我们已经准备好迎接一场充满挑战的比赛。“许多德国车队都与当地汽车制造商有直接联系,所以我们知道赛车必须表现良好,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也取得了强劲的第三名,使本赛季成为其迄今为止最成功的赛季之一。
向前推动
虽然2020赛季已经推迟,但Dynamis团队期待着下一个挑战。“我们的长期计划之一是开始参加电动汽车版的SAE方程式赛车比赛。这是我们在2019赛季战略减肥的原因之一,”Vezzoli解释道。
使用复合材料是Dynamis的一个突破。下个赛季,该团队计划在其气动机翼中加入Exel的一些玻璃纤维元素,以达到轻量化的新阶段。
复合材料正在成为汽车工业的支柱。无论汽车制造商选择碳纤维还是玻璃纤维,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材料管、型材和层压板。例如,电动汽车(EV)电池外壳就是一个例子,它展示了轻量复合材料的能量如何有潜力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,不仅对技术如此,对从事赛车工作的工程师也是如此。材料的选择是这些创新的核心,复合材料证明了许多优点,可以使车辆更轻、更坚固、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走向胜利的关键。
埃克塞尔复合材料
exelcomposites.com
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