节能赛车总体布置设计开题报告

开 题 报 告文 献 综 述 1 概述在汽车行业日益发展、竞争愈发激烈，节油与环保已是关乎车企命运的核心问题。现如今世界石油消耗量逐年增加，全球从 1970 的 23 亿吨提升到了 2009 年的 35 亿吨1Honda 环保活动是依据创始人本田宗一郎提出的“如何有效利用有限资源，不破坏公共环境，为子孙后代造福，所有行动要以此为准绳”的最初宗旨开展的。大赛竞技 1升油能行驶多少公里，挑战节油极限。大赛要求参赛车辆统一搭载 Honda 低油耗汽油4 冲程发动机，行驶速度要求在 25km/h 以上，车辆其余部分完全由各参赛车队发挥想象独立创作。通过参加 Honda 节能竞技大赛，不仅可以提高社会的节能和环保意识，更为重要的是，参赛车队通过各自独创技术不断深挖 1 升汽油的无限潜能，深刻体会创新技术在节能方面的重要意义。2 节能车设计在燃油组的比赛中，参赛车辆要想取得好成绩必须在轻量化、空气阻力和节油等环保技术上有所突破。本文结合实际参赛经验和与其他车队的交流所得，主要从发动机、行驶系、传动系及制动系等方面进行创新设计。图 1 为节能车内部构造。图 1 节能车内部构造2.1 发动机改造参赛使用的发动机由 Honda 统一提供。它作为车辆的“心脏” ，对提高车辆动力性和燃油经济性起着至关重要的作用，也是我们实现技术突破的一个核心环节。小组综合考虑了减轻车重、减少摩擦阻力、启动便捷、充分进气以提高燃烧效率等因素，最终达到节油的目的。2.1.1 发动机类型选择虽然电喷系统可以根据车辆状况，在不同的工况下自动调节喷油量多少，但在实际比赛中车速一般在 2530km/h 范围内，不能达到普通摩托车的经济车速，因此我们必须要对摩托车电喷系统的控制参数进行调节。其次，虽然电喷系统可以实时调节喷油量，但是在车辆滑行过程中只要没有关闭点火开关，喷油器始终在喷油。结合比赛场地特点，参赛车辆在比赛过程中有很长一段路程需要滑行，反而增加了油耗量。综合上述问题及实践中对 2 种类型发动机油耗的对比，在不能够准确调节控制参数的情况下，使用传统化油器式发动机是更好的选择。2.2 底盘系统设计在规定发动机的情况下,底盘是参赛车燃油经济性、操纵稳定性、行驶平顺性、制动性能能否有效达到预定目标的关键 2.2.2.1 行驶系统（1）车架设计车架用来支承全车重量，选用的材料不仅要满足车辆行驶过程中对强度和刚度的要 要求，质量轻，才能达到节油的目的。所以一般参赛车辆多选用碳纤维或者钛合金材料做 做车架。采用边梁式平行梯形车架结构，由 2 根左右分开的纵梁和 4 根根横梁组成，车架 架材料 为变形铝合金管材，并对其 CAE 进行了分析优化 3 。另外设计车架时必须充分考 考虑到整个 车辆的布置，如发动机的位置及安置方向、轮距、轴距等。同时还要方便车 车轮的拆装，以便轮胎发生故障时及时拆卸检修。（2）赛车车架设计的规则对车辆尺寸要求如下（图 3 所示）：全高 a1.8m；轴距 b1.0m；全长 c3.5m；轮距 d0.5m；全宽 e1.7m；排气管不能超出车身后面 f10cm1。 图 3 车辆外观尺寸图（3）车架模型的建立对车架进行有限元建模 4，由于车架的模型较为简单 ，通过 CATIA 中的数模 ，取各关键点三维坐标，直接选取车架的节点，在 ANSYS 中建模 5，这种建模方式可很好地对选取的单元节点施加载荷和约束，并且不需要对模型进行处理，方便分析计算。选取 Beam188 作为单元类型。 由于 Beam188 单元没有实常数， 选择在 Section 中直接定义截面属性，车架选择了三种不同截面的型材，其断面尺寸（长宽壁厚）分别为 40303，40202，及 20202（单位为 mm） ，最后得到有限元模型如图 5 所示。车架属于薄壁型杆，采用三角形单元进行网格划分。对于 Beam188 单元划分的梁格，还需进行局部网格划分控制，对重要节点的网格细分，最后自由网格划分得到网格划分数据共 216 个节点 6-8。（2）车轮参赛车辆多为前两轮后一轮，后轮为驱动轮。这样的设计使车辆构造简单，易于制作，行驶时稳定性好且阻力小。要想在比赛中取得好成绩，车手不可能一直加油门，而是需要将油门加到一定程度后熄火滑行并且滑行时间要远远大于加速时间，同时还要满足平均车速不得低于 25km/h 的要求。这就需要车辆在无动力时具有良好的滑行能力，对车轮的选择提出了更高的要求。车轮一般采用山地自行车轮胎，轮毂通常由合金材料制成，多以铝为基本材料，重量轻，在高速转动时的变形小，惯性阻力小，散热能力强，有利于提高汽车的直线行驶性能，减轻轮胎滚动阻力。两前轮均采用 20 英寸德国马牌防刺光头细外胎、后轮则采用 20 英寸德国马牌防刺光头宽外胎 9，10 。2.2.2 传动系统传动系统的设计是节能赛车上一个不可或缺的部分，它将发动机所输出的动力稳定可靠地传递给车轮 11 。常见传动方式有链传动、带传动以及轴传动 3 种形式。一方面，为了获得较大的传动比，安装在后轮上的输出齿轮齿数较多。另一方面，轴传动结构复杂，需要较大的安装空间，所以为了尽可能减轻车重，参赛车辆多采用制作材料质量轻的带传动或链传动行动力传递。文献 （12） 就采用了传动效率较高、不易打滑、方便制作的链动。2.2.3 转向系统汽车转向系统对车辆的行驶安全至关重要。文献 13开发了基于 MATLAB 语言的节能竞技车双梯形转向机构设计与分析软件，具有全局寻优、简明实用的特点。节能赛车是一种三轮式创意赛车， 旨在通过对各个系统的设计优化，挑战最低的能耗 14 。对于前两轮后一轮的车辆，为了车辆轻量化的要求，我们选择采用简单的机械式转向系统，以驾驶员体力作为转向能源。而对于前一轮后两轮的车辆来说，采用自行车前叉式转向机构即可满足比赛要。原型车采用双梯形结构,主要由转向节、转向横杆、转向拉杆以及转向中心柱组成.车辆转向时,左右转向轮偏转角理想公式为 cot= cot+BL经过比赛,从实际出发,发现了在转向系上有着一定的不足.转向梯形等传动部件全部安装在转向横杆上,从人机工程学上来讲,转向系统的设计非常不利于驾驶员的进出.本次改进计划将整个转向传动机构降低到车架底部横杆处,可以方便驾驶员的进出;有利于驾驶员在驾驶时改变坐姿,提高驾驶员的舒适性;有利于选择更小的前轮,以使车转向时干涉范围减小.原型车与改进车转向系对比,如 2 所示. （a）原车型转向系 （b）改进车转向系图 2 原型车与改进车转向系对比2.2.4 制动系统传统汽车上的行车制动系统和驻车制动系统虽然制动效能较好，但是结构复杂，体积较大不便安装，所以节能车的制动系统大多仿照自行车刹车系统设计。自行车刹车系统常见的有悬臂刹、钳刹、V 刹和碟刹等。碟刹的刹车效果会强大很多，但其安装装配、维护保养时相对复杂、重量大 15，V 刹的刹车效果好于悬臂刹。所以综合整车的轻便性、制动系统安装位置以及赛场路面情况等影响因素，我们选择质量较轻、结构简单、便于装卸的 V 型刹车和钳式刹车（后轮） 。2.3.2 车身室内布置原型车设计中,由于没有进行过总布置设计,在时间紧迫的情况下,边设计、边调整,造成赛车驾驶员驾驶姿态为坐姿,从而使车身造型没有较好的空气动力性能.本次计划降低整体车身高度,减小空气阻力,驾驶员采用躺姿驾驶,尽量的使车厢内部结构紧凑,如图所示.从而达到减轻质量,前桥设计细化以减少与车身的干涉.由于赛车驾驶的特殊要求前悬较长,但经过动力性的计算,轴荷分配是满足要求的.室内的布置选择第五十百分位女性,人体姿态分析的重点着眼于人体模型的视野范围以及人体模型的手伸及范围的分析,如图 3 所示,可以显示视觉范围,来验证人体姿态的合适性 16.图 3 车身布置轮廓线 3 结语笔者对节能车的上述创新设计中还有很多可以改进的地方，例如车架可以通过有限元分析进一步优化设计、通过更多试验选取最优传动比等。希望可以对初次参加比赛的参赛者提供思路，与更多的人交流参赛经验，也希望有越来越多的人参与到节能环保的事业。参考文献：1吉林工业大学汽车教研室编.汽车设计.北京：机械工业出版社，2013. 2宋传平.现代汽车设计分析J.汽车工业研究,2014.3杨冲，连晋毅，张强，等.节能赛车车架的设计及其 CAE 分析优化J.太原科技大学学报，2014.4王望予.汽车设计 第三版.北京：机械工业出版社，2000.5陈家瑞.汽车构造.M北京：机械工业出版社，2012.6羊振民.汽车车身设计M.南京：南京大学出版社，2011.7乔邦，陆忠东. 基于有限元分析的赛车车架结构轻量化设计J.浙江科技学院学报，2014，26（6）：455-459.8CHRISTOPHER Scott Baker. Fo ES Formula SAE-A Space Frame Chassis DesignD.University of SouthernQueensland.2014.9赵岩.节能经济车的研发与技术研究D.西安：长安大学，2011.10杨冲.节能赛车的车架轻量化与车身动力学D.太原：太原科技大学，2011.11 余志生. 汽车理论M.5 版 北京: 机械工业出版社, 2015.12梁栋，陈幸波.节能竞技车转向梯形机构设计与分析软件的开发J.机械制造与设计，2014（6）：8-11.13刘波.载重车辆桥总成制动性能在线检测的研究D.合肥：合肥工业大学，2012.14邓仕珍，范水海.汽车制造工艺学M.北京：北京理工大学出版社，2014.15张健,仲波,肖杰,等.用于车身总布置的三维参数化人体模型J.机械设计与制造,2012,(5):70- 72.16Society of Automobile Engineers. Automotive DesignAdvancements in Human Factors:Improving DriversComfort and PerformanceM. SAE International,2013.开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： (1).研究解决的问题：为了参赛车辆设计出外形美观、空气阻力小的车身，先从生活中汲取灵感，再进行草图手绘，并将手绘草图导入 SolidWork 中绘制线框图，然后使用二维转三维的方法绘制车身三维模型，最后将模型导入 COSMOSFloWorks 中进行流体分析。为了减少油耗，设计中了改进方案，从而减少车身阻力。（2）.研究方案：1.节能赛车外形设计 节能赛车外形设计设计灵感来自于“海豚” ，模仿海豚的生物体态，出紧凑有序的车身部件使赛车具备优良流线型的条件，更有利于节能。配合人体工程学有关知识，制定合理的长度宽度、高度、驾驶座空间大小等，结合实际行驶环境，加入“底座包围板件”的要素，目的是配合车身主体和底面拥有更顺畅的气体流动环境，并根据空气动力学中低空气阻力系数车身应遵循的要点，设计出图 4 所示车身方案。图 42.应用空气动力学对赛车车身进行分析空气动力学指标是汽车最重要的参数之一，它对汽车的动力性、经济性、操纵稳定性等有着极其重要的影响。风洞实验历来是进行汽车空气动力学研究最传统和有效的 方法，但风 洞投资大、实 验时间长。随着计算机和计算技术的迅速发展而蓬勃兴起的计 算 流体力学 CFD（ComputationalFluidDynamics）为汽车空气动力学的研究开辟了新途径。COSMOSFloWorks 是专为 SolidWorks 开发的方便易用的流体分析软件，它自动将 SolidWorks 装配体中的空腔设定为流体区域并自动区别流体和其他各种实体区域。下面采用 COSMOSFloWorks 对上述车身设计进行流体分析。3.改进方案： 该方案将从前轮底板处流过的空气，经过车身上的导流口导入车体内部。这样不仅便于空气流动，还可以给发动机散热，可谓一举两得。该方案的外形设计如图 5 所示，导流口位于车身大包围内部（如图 6 所示，大包围内部的方框即为导流口） 。由于该模型复杂，在分析时只选取车体的一半进行分析，最后将其结果扩大至 2 倍。从图 6 所示赛车外部流速分布可以看出：空气流经导流口，达到了给发动机散热的目的；车身内部的扰流较严重。可以预测，合适的导流口形状将会减小该方案的阻力。由表 1 所示数值分析结果可知该车阻力为 9.021N，将该阻力放大至 2 倍后，其阻力并不小。但该车在设计车体内部导流口时未作进一步优化设计。笔者相信，该改进方案在高速情况下具有研究意义。该方案中赛车迎风面积增大，而节能赛车速度并不高，且空气阻力与车速的二次方成正比，在低速条件下，迎风面积会对阻力有很大影响。图 5 改进方案外形设计图 6 改进方案外部流速设计（m/s）表 1 改进方案数值分析结果3.结论综合上述方案，选取纵向阻力最小的方案一作为最终方案。经分析，该模型的阻力较之前增加将近 2N，达到 9.41N。设计的 5 种方案，代表了实际节能赛车车身设计过程中的几种思路，可以为参赛者设计和改进赛车提供参考。上述设计也存在不足之处，例如改进方案中导流口的设计未进一步优化。赛车的车身设计并不局限于该文所列举的方法，随着科学技术的发展，车身的阻力值将会越来越小。开 题 报 告指导教师意见：指导教师： 年 月 日所在系审查意见：系主任： 年 月 日