節(jié)能賽車總體布置設(shè)計開題報告

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開 題 報 告文 獻 綜 述 1 概述在汽車行業(yè)日益發(fā)展、競爭愈發(fā)激烈，節(jié)油與環(huán)保已是關(guān)乎車企命運的核心問題?，F(xiàn)如今世界石油消耗量逐年增加，全球從 1970 的 23 億噸提升到了 2009 年的 35 億噸[1]Honda 環(huán)?；顒邮且罁?jù)創(chuàng)始人本田宗一郎提出的“如何有效利用有限資源，不破壞公共環(huán)境，為子孫后代造福，所有行動要以此為準(zhǔn)繩”的最初宗旨開展的。大賽競技 1升油能行駛多少公里，挑戰(zhàn)節(jié)油極限。大賽要求參賽車輛統(tǒng)一搭載 Honda 低油耗汽油4 沖程發(fā)動機，行駛速度要求在 25km/h 以上，車輛其余部分完全由各參賽車隊發(fā)揮想象獨立創(chuàng)作。通過參加 Honda 節(jié)能競技大賽，不僅可以提高社會的節(jié)能和環(huán)保意識，更為重要的是，參賽車隊通過各自獨創(chuàng)技術(shù)不斷深挖 1 升汽油的無限潛能，深刻體會創(chuàng)新技術(shù)在節(jié)能方面的重要意義。2 節(jié)能車設(shè)計在燃油組的比賽中，參賽車輛要想取得好成績必須在輕量化、空氣阻力和節(jié)油等環(huán)保技術(shù)上有所突破。本文結(jié)合實際參賽經(jīng)驗和與其他車隊的交流所得，主要從發(fā)動機、行駛系、傳動系及制動系等方面進行創(chuàng)新設(shè)計。圖 1 為節(jié)能車內(nèi)部構(gòu)造。圖 1 節(jié)能車內(nèi)部構(gòu)造2.1 發(fā)動機改造參賽使用的發(fā)動機由 Honda 統(tǒng)一提供。它作為車輛的“心臟” ，對提高車輛動力性和燃油經(jīng)濟性起著至關(guān)重要的作用，也是我們實現(xiàn)技術(shù)突破的一個核心環(huán)節(jié)。小組綜合考慮了減輕車重、減少摩擦阻力、啟動便捷、充分進氣以提高燃燒效率等因素，最終達到節(jié)油的目的。2.1.1 發(fā)動機類型選擇雖然電噴系統(tǒng)可以根據(jù)車輛狀況，在不同的工況下自動調(diào)節(jié)噴油量多少，但在實際比賽中車速一般在 25~30km/h 范圍內(nèi)，不能達到普通摩托車的經(jīng)濟車速，因此我們必須要對摩托車電噴系統(tǒng)的控制參數(shù)進行調(diào)節(jié)。其次，雖然電噴系統(tǒng)可以實時調(diào)節(jié)噴油量，但是在車輛滑行過程中只要沒有關(guān)閉點火開關(guān)，噴油器始終在噴油。結(jié)合比賽場地特點，參賽車輛在比賽過程中有很長一段路程需要滑行，反而增加了油耗量。綜合上述問題及實踐中對 2 種類型發(fā)動機油耗的對比，在不能夠準(zhǔn)確調(diào)節(jié)控制參數(shù)的情況下，使用傳統(tǒng)化油器式發(fā)動機是更好的選擇。2.2 底盤系統(tǒng)設(shè)計在規(guī)定發(fā)動機的情況下,底盤是參賽車燃油經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、制動性能能否有效達到預(yù)定目標(biāo)的關(guān)鍵 [2].2.2.1 行駛系統(tǒng)（1）車架設(shè)計車架用來支承全車重量，選用的材料不僅要滿足車輛行駛過程中對強度和剛度的要 要求，質(zhì)量輕，才能達到節(jié)油的目的。所以一般參賽車輛多選用碳纖維或者鈦合金材料做 做車架。采用邊梁式平行梯形車架結(jié)構(gòu)，由 2 根左右分開的縱梁和 4 根根橫梁組成，車架 架材料 為變形鋁合金管材，并對其 CAE 進行了分析優(yōu)化 [ 3 ]。另外設(shè)計車架時必須充分考 考慮到整個 車輛的布置，如發(fā)動機的位置及安置方向、輪距、軸距等。同時還要方便車 車輪的拆裝，以便輪胎發(fā)生故障時及時拆卸檢修。（（2）賽車車架設(shè)計的規(guī)則對車輛尺寸要求如下（圖 3 所示）：全高 a≤1.8m；軸距 b≥1.0m；全長 c≤3.5m；輪距 d≥0.5m；全寬 e≤1.7m；排氣管不能超出車身后面 f≥10cm[1]。 圖 3 車輛外觀尺寸圖（3）車架模型的建立對車架進行有限元建模 [4]，由于車架的模型較為簡單 ，通過 CATIA 中的數(shù)模 ，取各關(guān)鍵點三維坐標(biāo)，直接選取車架的節(jié)點，在 ANSYS 中建模 [5]，這種建模方式可很好地對選取的單元節(jié)點施加載荷和約束，并且不需要對模型進行處理，方便分析計算。選取 Beam188 作為單元類型。 由于 Beam188 單元沒有實常數(shù)， 選擇在 Section 中直接定義截面屬性，車架選擇了三種不同截面的型材，其斷面尺寸（長×寬×壁厚）分別為 40×30×3，40×20×2，及 20×20×2（單位為 mm） ，最后得到有限元模型如圖 5 所示。車架屬于薄壁型桿，采用三角形單元進行網(wǎng)格劃分。對于 Beam188 單元劃分的梁格，還需進行局部網(wǎng)格劃分控制，對重要節(jié)點的網(wǎng)格細(xì)分，最后自由網(wǎng)格劃分得到網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)共 216 個節(jié)點 [6-8]。（2）車輪參賽車輛多為前兩輪后一輪，后輪為驅(qū)動輪。這樣的設(shè)計使車輛構(gòu)造簡單，易于制作，行駛時穩(wěn)定性好且阻力小。要想在比賽中取得好成績，車手不可能一直加油門，而是需要將油門加到一定程度后熄火滑行并且滑行時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加速時間，同時還要滿足平均車速不得低于 25km/h 的要求。這就需要車輛在無動力時具有良好的滑行能力，對車輪的選擇提出了更高的要求。車輪一般采用山地自行車輪胎，輪轂通常由合金材料制成，多以鋁為基本材料，重量輕，在高速轉(zhuǎn)動時的變形小，慣性阻力小，散熱能力強，有利于提高汽車的直線行駛性能，減輕輪胎滾動阻力。兩前輪均采用 20 英寸德國馬牌防刺光頭細(xì)外胎、后輪則采用 20 英寸德國馬牌防刺光頭寬外胎 [ 9，10] 。2.2.2 傳動系統(tǒng)傳動系統(tǒng)的設(shè)計是節(jié)能賽車上一個不可或缺的部分，它將發(fā)動機所輸出的動力穩(wěn)定可靠地傳遞給車輪 ［11］ 。常見傳動方式有鏈傳動、帶傳動以及軸傳動 3 種形式。一方面，為了獲得較大的傳動比，安裝在后輪上的輸出齒輪齒數(shù)較多。另一方面，軸傳動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要較大的安裝空間，所以為了盡可能減輕車重，參賽車輛多采用制作材料質(zhì)量輕的帶傳動或鏈傳動行動力傳遞。文獻 （12） 就采用了傳動效率較高、不易打滑、方便制作的鏈動。2.2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對車輛的行駛安全至關(guān)重要。文獻 [13]開發(fā)了基于 MATLAB 語言的節(jié)能競技車雙梯形轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計與分析軟件，具有全局尋優(yōu)、簡明實用的特點。節(jié)能賽車是一種三輪式創(chuàng)意賽車， 旨在通過對各個系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化，挑戰(zhàn)最低的能耗 ［14］ 。對于前兩輪后一輪的車輛，為了車輛輕量化的要求，我們選擇采用簡單的機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以駕駛員體力作為轉(zhuǎn)向能源。而對于前一輪后兩輪的車輛來說，采用自行車前叉式轉(zhuǎn)向機構(gòu)即可滿足比賽要。原型車采用雙梯形結(jié)構(gòu),主要由轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫桿、轉(zhuǎn)向拉桿以及轉(zhuǎn)向中心柱組成.車輛轉(zhuǎn)向時,左右轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角理想公式為 cotα= cotβ+BL經(jīng)過比賽,從實際出發(fā),發(fā)現(xiàn)了在轉(zhuǎn)向系上有著一定的不足.轉(zhuǎn)向梯形等傳動部件全部安裝在轉(zhuǎn)向橫桿上,從人機工程學(xué)上來講,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計非常不利于駕駛員的進出.本次改進計劃將整個轉(zhuǎn)向傳動機構(gòu)降低到車架底部橫桿處,可以方便駕駛員的進出;有利于駕駛員在駕駛時改變坐姿,提高駕駛員的舒適性;有利于選擇更小的前輪,以使車轉(zhuǎn)向時干涉范圍減小.原型車與改進車轉(zhuǎn)向系對比,如 2 所示. （a）原車型轉(zhuǎn)向系 （b）改進車轉(zhuǎn)向系圖 2 原型車與改進車轉(zhuǎn)向系對比2.2.4 制動系統(tǒng)傳統(tǒng)汽車上的行車制動系統(tǒng)和駐車制動系統(tǒng)雖然制動效能較好，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大不便安裝，所以節(jié)能車的制動系統(tǒng)大多仿照自行車剎車系統(tǒng)設(shè)計。自行車剎車系統(tǒng)常見的有懸臂剎、鉗剎、V 剎和碟剎等。碟剎的剎車效果會強大很多，但其安裝裝配、維護保養(yǎng)時相對復(fù)雜、重量大 [15]，V 剎的剎車效果好于懸臂剎。所以綜合整車的輕便性、制動系統(tǒng)安裝位置以及賽場路面情況等影響因素，我們選擇質(zhì)量較輕、結(jié)構(gòu)簡單、便于裝卸的 V 型剎車和鉗式剎車（后輪） 。2.3.2 車身室內(nèi)布置原型車設(shè)計中,由于沒有進行過總布置設(shè)計,在時間緊迫的情況下,邊設(shè)計、邊調(diào)整,造成賽車駕駛員駕駛姿態(tài)為坐姿,從而使車身造型沒有較好的空氣動力性能.本次計劃降低整體車身高度,減小空氣阻力,駕駛員采用躺姿駕駛,盡量的使車廂內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊,如圖所示.從而達到減輕質(zhì)量,前橋設(shè)計細(xì)化以減少與車身的干涉.由于賽車駕駛的特殊要求前懸較長,但經(jīng)過動力性的計算,軸荷分配是滿足要求的.室內(nèi)的布置選擇第五十百分位女性,人體姿態(tài)分析的重點著眼于人體模型的視野范圍以及人體模型的手伸及范圍的分析,如圖 3 所示,可以顯示視覺范圍,來驗證人體姿態(tài)的合適性 [16].圖 3 車身布置輪廓線 3 結(jié)語筆者對節(jié)能車的上述創(chuàng)新設(shè)計中還有很多可以改進的地方，例如車架可以通過有限元分析進一步優(yōu)化設(shè)計、通過更多試驗選取最優(yōu)傳動比等。希望可以對初次參加比賽的參賽者提供思路，與更多的人交流參賽經(jīng)驗，也希望有越來越多的人參與到節(jié)能環(huán)保的事業(yè)。參考文獻：[1]吉林工業(yè)大學(xué)汽車教研室編.汽車設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，2013. [2]宋傳平.現(xiàn)代汽車設(shè)計分析[J].汽車工業(yè)研究,2014.[3][楊沖，連晉毅，張強，等.節(jié)能賽車車架的設(shè)計及其 CAE 分析優(yōu)化[J].太原科技大學(xué)學(xué)報，2014.[4]王望予.汽車設(shè)計 第三版.北京：機械工業(yè)出版社，2000.[5]陳家瑞.汽車構(gòu)造.[M]北京：機械工業(yè)出版社，2012.[6]羊振民.汽車車身設(shè)計[M].南京：南京大學(xué)出版社，2011.[7]喬邦，陸忠東. 基于有限元分析的賽車車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計［J］.浙江科技學(xué)院學(xué)報，2014，26（6）：455-459.[8]CHRISTOPHER Scott Baker. Fo ES Formula SAE-A Space Frame Chassis Design［D］.University of SouthernQueensland.2014.[9]趙巖.節(jié)能經(jīng)濟車的研發(fā)與技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2011.[10]楊沖.節(jié)能賽車的車架輕量化與車身動力學(xué)[D].太原：太原科技大學(xué)，2011.[11] 余志生. 汽車?yán)碚摚跰］.5 版． 北京: 機械工業(yè)出版社, 2015.[12]梁棟，陳幸波.節(jié)能競技車轉(zhuǎn)向梯形機構(gòu)設(shè)計與分析軟件的開發(fā)[J].機械制造與設(shè)計，2014（6）：8-11.[13]劉波.載重車輛橋總成制動性能在線檢測的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2012.[14]鄧仕珍，范水海.汽車制造工藝學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2014.[15]張健,仲波,肖杰,等.用于車身總布置的三維參數(shù)化人體模型[J].機械設(shè)計與制造,2012,(5):70- 72.[16]Society of Automobile Engineers. Automotive DesignAdvancements in Human Factors:Improving Drivers'Comfort and Performance[M]. SAE International,2013.開 題 報 告２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： (1).研究解決的問題：為了參賽車輛設(shè)計出外形美觀、空氣阻力小的車身，先從生活中汲取靈感，再進行草圖手繪，并將手繪草圖導(dǎo)入 SolidWork 中繪制線框圖，然后使用二維轉(zhuǎn)三維的方法繪制車身三維模型，最后將模型導(dǎo)入 COSMOSFloWorks 中進行流體分析。為了減少油耗，設(shè)計中了改進方案，從而減少車身阻力。（2）.研究方案：　1.節(jié)能賽車外形設(shè)計 節(jié)能賽車外形設(shè)計設(shè)計靈感來自于“海豚” ，模仿海豚的生物體態(tài)，出緊湊有序的車身部件使賽車具備優(yōu)良流線型的條件，更有利于節(jié)能。配合人體工程學(xué)有關(guān)知識，制定合理的長度寬度、高度、駕駛座空間大小等，結(jié)合實際行駛環(huán)境，加入“底座包圍板件”的要素，目的是配合車身主體和底面擁有更順暢的氣體流動環(huán)境，并根據(jù)空氣動力學(xué)中低空氣阻力系數(shù)車身應(yīng)遵循的要點，設(shè)計出圖 4 所示車身方案。圖 42.應(yīng)用空氣動力學(xué)對賽車車身進行分析空氣動力學(xué)指標(biāo)是汽車最重要的參數(shù)之一，它對汽車的動力性、經(jīng)濟性、操縱穩(wěn)定性等有著極其重要的影響。風(fēng)洞實驗歷來是進行汽車空氣動力學(xué)研究最傳統(tǒng)和有效的 方法，但風(fēng) 洞投資大、實 驗時間長。隨著計算機和計算技術(shù)的迅速發(fā)展而蓬勃興起的計 算 流體力學(xué) CFD（ComputationalFluidDy－namics）為汽車空氣動力學(xué)的研究開辟了新途徑。COSMOSFloWorks 是專為 SolidWorks 開發(fā)的方便易用的流體分析軟件，它自動將 SolidWorks 裝配體中的空腔設(shè)定為流體區(qū)域并自動區(qū)別流體和其他各種實體區(qū)域。下面采用 COSMOSFloWorks 對上述車身設(shè)計進行流體分析。3.改進方案： 該方案將從前輪底板處流過的空氣，經(jīng)過車身上的導(dǎo)流口導(dǎo)入車體內(nèi)部。這樣不僅便于空氣流動，還可以給發(fā)動機散熱，可謂一舉兩得。該方案的外形設(shè)計如圖 5 所示，導(dǎo)流口位于車身大包圍內(nèi)部（如圖 6 所示，大包圍內(nèi)部的方框即為導(dǎo)流口） 。由于該模型復(fù)雜，在分析時只選取車體的一半進行分析，最后將其結(jié)果擴大至 2 倍。從圖 6 所示賽車外部流速分布可以看出：空氣流經(jīng)導(dǎo)流口，達到了給發(fā)動機散熱的目的；車身內(nèi)部的擾流較嚴(yán)重?？梢灶A(yù)測，合適的導(dǎo)流口形狀將會減小該方案的阻力。由表 1 所示數(shù)值分析結(jié)果可知該車阻力為 9.021N，將該阻力放大至 2 倍后，其阻力并不小。但該車在設(shè)計車體內(nèi)部導(dǎo)流口時未作進一步優(yōu)化設(shè)計。筆者相信，該改進方案在高速情況下具有研究意義。該方案中賽車迎風(fēng)面積增大，而節(jié)能賽車速度并不高，且空氣阻力與車速的二次方成正比，在低速條件下，迎風(fēng)面積會對阻力有很大影響。圖 5 改進方案外形設(shè)計圖 6 改進方案外部流速設(shè)計（m/s）表 1 改進方案數(shù)值分析結(jié)果3.結(jié)論綜合上述方案，選取縱向阻力最小的方案一作為最終方案。經(jīng)分析，該模型的阻力較之前增加將近 2N，達到 9.41N。設(shè)計的 5 種方案，代表了實際節(jié)能賽車車身設(shè)計過程中的幾種思路，可以為參賽者設(shè)計和改進賽車提供參考。上述設(shè)計也存在不足之處，例如改進方案中導(dǎo)流口的設(shè)計未進一步優(yōu)化。賽車的車身設(shè)計并不局限于該文所列舉的方法，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，車身的阻力值將會越來越小。開 題 報 告指導(dǎo)教師意見：指導(dǎo)教師： 年 月 日所在系審查意見：系主任： 年 月 日