竞技节能车车身的设计思路

竞技节能车车身的设计思路作 者：贾 屿（安徽农业大学工学院） 丁矿辉（安徽农业大学信息与计算机学院） 朱家龙（安徽农业大学工学院）基金项目：安徽农业大学大学生科技创新基金资助项目研究核心：1.研究竞技节能车外形与空气动力学特性的关系 2.研究材料对车身轻量化工程的影响选题背景：本田节能竞技大赛是让参赛团队设计制作的汽车在规定时间、规定路线下，行驶一定距离，由此换算出一升油能够行驶的公里数，耗油量少则胜出的一项赛事。其中参加比赛的车辆均搭载由本田技研工业投资有限公司开发的Honda弯梁车的125cc化油器低油耗四冲程发动机。Honda节能竞技大赛于1981年在日本创办，至今已有29年的历史。比赛除要求参赛车辆使用统一的Honda低油耗汽油发动机，以外的车架和车身等完全由各车队独自创作，每支参赛队带来的都是世界上独一无二的赛车。赛车在指定的赛道内跑完赛程，比赛谁消耗的燃油最少。由于这项赛事有着极高的乐趣性和广泛的参与性，每年都有来自世界各地的初中、高中和大学等的学校代表队、企业代表队， 创作出具有新颖构思和创意的赛车参加比赛。在迄今为止的28届比赛中创下的最高记录为3435.325Km/L，相当于北京到重庆的直线往返距离。同时，这项比赛也在逐渐壮大扩展，中国作为继日本泰国之后的第三个举办地，于2006年在上海举行了试行大赛，2007年11月11日，第1届Honda中国节能竞技大赛在上海国际赛车场圆满举行。安徽农业大学于2010年首次参与这项赛事。作为此项比赛中的后起之秀，在2011年“第5届Honda中国节能竞技大赛”中，安徽农业大学广志车队的赛车用1升汽油跑了328.117公里，在众多名校车队中脱颖而出，位列高校组第16名。 Honda节能竞技大赛的目的是通过比赛提高社会的节能和环保意识，参赛车队通过各项独创技术不断挖掘一升汽油的无限潜能，从中体会到节能的重要性。同时，比赛也为参赛者提供体验亲手制作赛车的乐趣的机会，提高实践能力。节能竞技大赛的宗旨在于“让肩负着人类未来的年轻人通过思考和实践来体会如何更有效地利用资源，如何把我们生存的这个星球更完好地传递给下一代”。节能、环保是此项比赛一直致力解决的重要课题之一。在产品领域，Honda通过燃料电池、混合动力、生物乙醇弹性燃料、清洁柴油等先进的节能、环保型产品时刻走在行业的前列。在生产领域，Honda在全球推行“绿色工厂”体系，制定独自的企业目标，努力降低产品生产环节的能源消耗和污染物以及温室气体二氧化碳的排放。汽车、化工等对化石燃料的依赖并由此排放的污染物已经给全球的能源和环境带来了危机，节能与环保的主题一直是人们不懈致力研究的领域，也是我们每个人需要关注的问题。节能竞技大赛作为节能环保领域的社会活动之一今后将继续在中国举办。本文作者的贾屿、丁矿辉、朱家龙均为安徽农业大学大学生科技创新基金项目节能车的车身设计项目组成员，其中贾屿为安徽农业大学广志车队成员。该项目的研究从2012年4月开始，历时四个月的时间，通过构思绘图、有限元分析等方式设计车身，旨在为学校参加2012年第六届中国节能竞技大赛设计比赛用车，本文在这里阐明我们对车身关于空气动力学和材料轻量化工程的设计思路。选题的意义及目的： 在石油资源日益枯竭、全球石油储藏量急剧下降的背景下，我国汽车保有量却以平均每年12.08%的速度增加，我国对燃油的消费需求以惊人的快速度增长，有很大一部分依赖进口。一方面，我国汽车节油技术的应用有限，燃油的使用效率普遍不高，汽车百公里耗油约比发达国家高20%；另一方面，机动车排放污染已经成为我国污染物的主要来源之一。因此，汽车节油和环保问题日益突出，面对有限的石油资源和国家能源战略遇到的威胁与挑战，汽车节能与环保技术已成为汽车技术领域的研发热点。随着近几年国家节能减排工作的不断深化，汽车节能减排已经成为社会各界的共识，也正在成为社会全体成员的共同目标。自2004年起，中国超越了日本成为仅次于美国的世界第二大石油消耗国。2006年，中国对进口石油的依赖增至年需求总量的47%，2006年中国的原油净进口量为13844万吨。而在1990年2003年的13年里，中国汽车保有量年均增长率达到12%，汽车燃油消耗在中国石油消耗中所占的比例日益增大。2008年，中国每一辆汽车的年均耗油是2.1吨，中国进口的原油有30%被汽车消耗，而这一比例在今后将升至50%。从尾气排放方面，汽车排出的废气已成为城市空气的首要污染源。据国家环保总局测算，2009年中国汽车排放污染在城市大气污染中所占比例高达79%。因此，汽车既是耗油大户，又是排放废气的大户，抓好了汽车的节能减排，就是抓住了重点。 汽车节能减排的重要性不言而喻，考虑到当前我国的汽车节能技术发展的实际情况，除了要积极推进以混合动力、燃料电池、先进柴油、醇类汽车等为代表的新能源汽车技术的发展外，另一个推进汽车节能减排工作的措施就是大力研究开发适合我国现阶段汽车行业技术现状，并适合大量在用汽车的高性能节能产品。节能竞技赛车与普通汽车的结构布局相似，由发动机、底盘和车身三大部分组成。发动机的改造无疑是各赛车队攻关的重点，也是节能减排技术发展的主导性方向；底盘的设计关键在于减小摩擦损失和提高机械传动的效率；车身设计的重点在于美观的外形、轻重量和较低的空气阻力系数。本田节能竞技大赛适时迎合了时代提高社会节能和环保意识的要求，激发各参赛车队通过各项独创技术不断挖掘一升汽油的无限潜能，使其从中体会到节能重要性的同时，提高参赛者的思考和实践能力，更为将来汽车节能方面的实际应用带来了无限新的可能。本文选题目的就是在本田节能竞技大赛的背景下，对节能竞技车车身的设计进行思考。（一）车身外形与空气动力学特性的关系学科背景：汽车空气动力学Automobile design & aerodynamics汽车空气动力学是研究汽车与空气运动之间相互作用规律以及气动力对汽车各种性能影响的一门学科。汽车空气动力特性是汽车的重要特性之一，它直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性。设计空气动力特性良好的汽车，是提高汽车动力性、经济性的重要途径，而高速汽车的空气动力稳定性是汽车高速、安全行驶的前提条件。学科架构： 1.建筑空气动力学2.火车（列车）空气动力学3.船舶空气动力学设计分析：整体思路：海豚的造型，仿生学设计。以海豚的生物体态，混合使用曲面和平面，设计出紧凑有序的车身部件，有力、光滑、紧凑的曲线表现出汽车健美的运动气质，赛车具备了优良流线形的条件，更有利于节能。车辆整体应符合大众审美观，融入了海豚元素后让人激烈地联想到豚类游动时优雅的姿态，灵性十足的设计，亦同时充满了时尚感和科学感，具有平易近人、大气稳重的特点，是几何学和机械造型的绝佳结合，给人以速度和澎湃冲击感，在静止的时候也极富动感，达到人们心理上的美观要求。配合人体工程学有关知识制定合理的长度、宽度、高度、驾驶座的空间大小等内容，并结合行驶实际环境，目的是配合车身主体和底面拥有更顺畅的气体流动环境。右上图所示的就是根据海豚的仿生学原理，设计出的车身的原始形态。这种设计类似于理想的流线型物体，我们将会在这个原始形态的基础上进行细部优化，使其转化成为竞技节能车的车身外形。详细设计思路：关键词： 前段外形 车身侧面 整流罩 尾部 前段外形：对于节能车的构造而言，车头（车身前段）是与空气阻力接触最早的部位，也是影响车体气动性能的关键部位。当车身前端形状发生突然变化时，气流将产生分离，阻力系数CD值增大,因此，在设计时应避免细小部位的突起，另外，由于前段外形的变化会使流向地板下方的气流发生变化，CD（气动升力）的前后轴分配也会发生变化。 车头的拐角部位由棱角改成有曲率的圆弧外形时CD将降低，当然其外形也应避免有尖角，但在一定曲率下其CD不再改变成为一个定值。因此在设计中应采用二次曲率，即水平断面设置为小曲率，其后曲率逐渐增大。该部位的分离流对车身侧面的流动有很大影响，是使CD增大的重要因素。同时，前端的棱角容易使得流向顶盖的气流产生分离，对CD会产生很大的影响，因此，我们的车身前端将会尽可能压低，符合气流的运动流线，将车头部分的CD减少多一些。车身侧面：车身侧面的棱角对流向车身后方的气流有直接影响，大棱角会产生强涡的三维分离流，因此，单就车身侧面的气流分离情况，侧身采用直立型是有利的。如右图所示，表明车身的俯视外廓线与CD与CDA的关系，它是以轴距为a与基于轴距的俯视外形中部鼓起的弦长ah之比的变化硬气的气动特性的变化来评价俯视外形弧度的影响。侧面弧度外形在一定范围内会使CD降低，但由于侧面外形弯曲，会使正面投影面积增大，而A的增大大于CD的减小，故综合效果是使阻力增大。以上分析表明，在保证总布置设计的要求下，应使侧面外形曲率达到最佳化，消除侧面部件的外凸和棱角，使其平滑以消除和控制气流分离，减小涡流区，降低CD值。车身底部：离地间隙的影响汽车在行驶时，由于空气的粘性作用，在汽车底面将产生边界层。随着气流向车身候补的转移，边界层厚度逐渐增加。当离地间隙不大时，边界层有可能延伸至地面，当汽车底面与地面之间的空气有可能被带动随汽车一起向前运动。空气与地面之间产生相对速度，进而导致在地面上形成了次生边界层。汽车的底面通常高低不平，使得底部的气流变得复杂，形成了强湍流区和各种复杂的涡流。当离地间隙变小时，汽车底部与地面之间的气流可能受阻，使前方来气流转向流至车身上表面，这增大了汽车上表面的气流流速，使压力降低，导致汽车的阻力和升力增大。但如果将汽车底部表面做成平滑的外形，就可以使车身下表面的摩擦损失降低，从而降低阻力。当离地间隙增加时，车身下部与地面之间的气流可以无阻的流过，使阻力和升力都有所下降，但当离地间隙增加到一定值时，再增加离地间隙也不会使气动阻力产生太大的变化，经过我们查阅大量资料以及调试的结果，我们的车身离地间隙在车身负载下为26mm，这个数据既可以保证车身的平稳可靠，也可以降低风阻，减小升力。整流罩： 车身的上部是挖空的，供驾驶者操作车辆，但车身的整体流线却被打破，成为空气阻力的重要部分。因此，必须要在驾驶者头部上方加装整流罩，以引导空气的流动。具有整流罩、调校完备的经济节能大赛车辆，不管正面投影面积有多大，阻力系数CD也会非常小，此时空气阻力降低为无整流罩时的45，是滚动阻力值的一半。下面的计算是就一个例子进行的，很明显不管有无整流罩，空气阻力都是很大的阻力。但整流罩对空气阻力的消减确是很有效果的。 从初始速度40km/h开始滑行时的车速和行驶距离变化时间（秒）有整流罩无整流罩速度km/h距离m 速度km/h 距离m0 40 0 40 0 10 34.9 104.0 33.1 101.4 20 30.2 194.4 27.3 185.5 30 25.8 272.2 22.3 254.5 40 21.7 338.1 17.8 310.3 50 17.7 392.8 13.7 354.1 时速加速到40km/h，然后挂空档行驶时，也就是滑行前进时的时间、车速、行驶距离之间的关系如表所示。 开始滑行50秒后，有整流罩的车辆速度变为17.7km/h，其间行驶的距离为393m。而没有整流罩的车辆，速度降为13.7km/h，而且其间行驶距离要少40m为354m。因此，想要良好的节能效果，必须加上导流车身。车尾：车尾外形、尾部倾斜角RW取决于后窗的转折点长度与总长度之比，即LBR /L,右图表明尾部倾斜角RW对CD的影响，图中的CD为以RW =0时的CD降低率为分析基准的，当LBR /L值小时，后窗倾角对CD的影响不明显，当LBR /L为一定值时，显现了后窗倾角对CD的影响，后窗倾角RW =10-20时，CD出现最小值，当RW =30时，CD出现了骤然增加的峰值，这是一个临界形状。当后部出现平面锥度时，与RW同样，尾锥角为RC =1020时，CD出现极小值，当RC =30时，CD出现了增大的趋势。由上述分析可见，对于尾部形状，制约流动特微趋势的主要因素的尾部倾角，但是当采用尾锥度时，尾部倾角在30时的临界角消失了。 研究表明：在任何情况下，车身前端的倾斜角度都是CD的决定因素，当前车身小于20时气流在车身前端的端面开始分离，在任何情况下，都是分离越大，CD值越大，当角度RW为20-30时，气流虽然会在前端面分离，却在整流罩上再次附着，基本上在控制分离的同时，顶盖前沿的分离会减小。以上分析表明，控制气流分离是与降低气动阻力密切相关的。以上就是对车身设计的阐述，我们从前段，侧面、整流罩以及尾部几个方面系统的阐述了车身的细部优化，相信在以上理论的支撑下，我们的设计可以有较好的气动特性。（二）材料对车身轻量化工程的影响关键词： 玻璃钢 基于碳纤维的复合材料 整体思路：车身材料的选择一般要考虑材料的成本，成型难易及制造成本、生产效率等，对承载件要满足强度，刚度、韧性的要求，对外覆盖件要满足美观，耐腐蚀，易涂漆、抗冲压，已修复、低导电、隔热、等特点。对于不同载荷类型，需要利用材料的不同力学特性，并综合考虑合理的结构设计，使材料发挥最大效益而不增加车身重量，从而实现轻量化的设计。在对车身材料进行选择的同时，结合节能车所处于的行驶条件以及近几年参赛车辆所选取的材料来看，使用玻璃钢（FRP）这种复合材料的很多，以下对所使用材料进行相关资料整理。如果将基于玻璃纤维的FRP与金属材料比对才会发现，FRP比铝轻一半，是铁的1/5，而刚性和强度比夹层板高10倍有余，因此更适合做车身的材料。以下对这两种材料做进一步说明1.玻璃钢（FRP）FRP(Fiberglass Reinforced Plastics)即纤维强化塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂基体。质轻而硬，不导电，机械强度高，耐腐蚀。可以代替钢材制造机器零件和汽车、船舶外壳等。玻璃钢学名玻璃纤维增强塑料。它是以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。复合材料的概念是指一种材料不能满足使用要求，需要由两种或两种以上的材料复合在一起，组成另一种能满足人们要求的材料，即复合材料。例如，单一种玻璃纤维，虽然强度很高，但纤维间是松散的，只能承受拉力，不能承受弯曲、剪切和压应力，还不易做成固定的几何形状，是松软体。如果用合成树脂把它们粘合在一起，可以做成各种具有固定形状的坚硬制品，既能承受拉应力，又可承受弯曲、压缩和剪切应力。这就组成了玻璃纤维增强的塑料基复合材料。由于其强度相当于钢材，又含有玻璃组分，也具有玻璃那样的色泽、形体、耐腐蚀、电绝缘、隔热等性能。由此可见，玻璃钢的含义就是指玻璃纤维作增强材料、合成树脂作粘结剂的增强塑料，国外称玻璃纤维增强塑料。随着我国玻璃钢事业的发展，作为塑料基的增强材料，已由玻璃纤维扩大到碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维和碳化硅纤维等，无疑地，这些新型纤维制成的增强塑料，是一些高性能的纤维增强复合材料。 FRP有如下特性：(1)轻质高强相对密度在1.52.0之间，只有碳钢的1/41/5，可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上。 (2)耐腐蚀性能好FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。已应用到化工防腐的各个方面，正在取代碳钢、不锈钢、有色金属等。(3)电性能好是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。高频下仍能保护良好介电性。微波透过性良好，已广泛用于雷达天线罩。(4)热性能良好FRP热导率低，室温下为1.251.67kJ/（mhK），只有金属的1/1001/1000，是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000以上承受高速气流的冲刷。 (5)可设计性好可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性。可以充分选择材料来满足产品的性能，如：可以设计出耐腐的，耐瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的，等等。(6)工艺性优良可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺。工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。2.碳纤维增强复合材料(CFRP)碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。另外，碳纤维是指含碳量高于 90的无机高分子纤维，其中含碳量高于 99的称石墨纤维。性能特点：碳纤维的比重小，抗拉强度高，轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X 射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。总之，碳纤维是一种力学性能优异的新材料。目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括脱氢、环化、氧化及脱氧等。应用领域：碳纤维可加工成织物、毡、席、带、 纸及其他材料。传统使用中碳纤维除 用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金 属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、 人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、汽车、体育器材、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。这种基于碳纤维的复合材料具有玻璃钢的一切特性，且质量更轻。随着这几年产业化，价格也变得可以接受了。值得注意的是，这种基于碳纤维的复合材料比传统的玻璃钢还要轻28%以上，因此，采用这种材料是理所应当的。并且，采用碳纤维作为汽车车身已有接近40年的时间，相关技术早已完备，因此，选取这种基于碳纤维的复合材料是实现材料轻量化工程的关键所在。结语：以上就是我们队对竞技节能车车身的设计思路，从空气动力学特性和材料轻量化两个方面去考虑的，然而，我们的设计思路也可能存在诸多漏洞，由于缺乏相应的条件，不能亲自设计出模型来测试性能，只能通过相关的软件获取一些数据，不断比较改进。缺乏计算以及实体测试是我们今后将会重点解决的问题，我们也会在这项研究的基础上，对这一方向的内容进行更为深入的学习。在现实生活中，我们几个人都是车迷，喜欢并研究各种车款车型。我们知道，此次设计的车身只是为比赛所需，如果将相关理念运用于实际车体甚至量产的话，会有许多不合理的方面，还要综合考虑诸多因素。比如车体流线的美学，车子性价比，实际抗撞击性能等。现在行业内的许多流行元素和科学设计可能跟这不符合，但我们的设计理念或许会给车子的设计提供一些改进灵感。在设计方案时，我们也明显感受到许多棘手的问题及有阻力的因素。因为我们开始从事项目研究时均为大学本科二年级学生，专业知识尚未开始学习，对车的了解也仅限于外观及内配，真正到车体及材料设计确是了解甚微。仅仅依靠图书资源和网络资源的阅读，难以对该项目进行更深层次的探究，我们所学习的相关软件也是很少并且都不够深入。但这项研究从选题到实质性的研究到现在的报告结题，毕竟凝聚了我们团队几个月的心血，我们不怕重重困难，依靠兴趣，不断查阅资料改进方案，不断测试数据完善设计。通过这次课题研究的合作，相信今后我们可以在这项研究上携手并进，走的更远！参考文献1. 傅立敏 著 汽车设计与空气动力学 北京：机械工业出版社 2011.4 国家自然科学基金项目2. Julian Happian-Smith 著现代汽车设计概论 北京：化学工业出版社 2006.83. 谷正气 主编汽车车身现代技术 北京：机械工业出版社 2009.74. 王福军 编计算流体动力学分析(CFD软件原理与应用)北京：清华大学出版社 2004.95. 傅立敏 著 汽车空气动力学 北京：机械工业出版社 2006.9附录一、2012 第6届 Honda 中国节能竞技大赛 （2012 The 6th Honda Econopower Race ）大赛纲要 （车身相关部分节选）：赛车规则第1条 比赛用车 第1项 车身 1) 参赛车辆必须为3轮以上，要求其结构为无论在停止时还是行驶时都能自行站立。 a. 全高.1.8m以下 b. 轴距.1.0m以上c. 全长.3.5m以下 d. 轮距.0.5m以上 e. 全宽.2.5m以下 f. 排气管不能伸出车身后端10cm以上。 2) 关于安全性 为提高安全性，车身结构必须保证行驶时车手的头盔前端位于前轮车轴的后方。另外，发生冲撞时车身结构需避免头部直接受到撞击。 在驾驶姿态方面，车身结构要确保车手的脚不会伸到车架（踏板）的前方。发生冲撞时车身结构需避免身体直接受到撞击。 第7项 前方视野 所有车辆在车手以正常驾驶姿态驾驶时，正前方的视野必须至少宽达左右90，而且是不使用反射镜、棱镜、潜望镜等的直接可视范围。 第8项 后方视野（后视镜） 所有车辆为确保后方视野，必须在左右各装备1个带框的后视镜。每1个后视镜（单侧）的镜面面积必须在40（例：纵向5cm横向8cm）以上。 第9项 车辆安全性 1) 发生事故等紧急情况时，车手必须能立即从车辆中逃出。或者必须能被救护员拉出。有顶蓬的车辆，允许顶蓬的全部或一部分为可拆卸式结构，但其必须能在车内及车外方便地被打开或闭合。同时，必须清楚标明从外部打开的方法，开启时不需要使用工具。 2) 必须在驾驶席和发动机之间设置保护车手的隔板，以备在行驶过程中发生火灾等意外。隔板必须高于发动机，隔板必须使用耐燃性材料。 3) 所有车辆必须没有可能危害到其他参赛选手的尖锐边缘或突起部分。 4) 所有车辆必须有十足的刚性确保驾驶的稳定性。 若使用自行车车轮时，由于车轮横向荷重的强度相对较弱，在过弯时容易损坏，请予以充分注意。