HONDA 中國節(jié)能競技大賽電動組別參賽賽車設(shè)計分析

周洋，伍瑩召，王飛

（1.安陽工學(xué)院機械工程學(xué)院；2.安陽工學(xué)院玄鳥車隊，河南 安陽 455000）

Honda 中國節(jié)能競技大賽EV 組（電動組別）比賽是使用大賽指定電池的原創(chuàng)車輛參賽，通過動手制作車輛，挑戰(zhàn)節(jié)能極限的競技賽事。比賽給定的電池為12V2AH 的18650電池2 塊。在時速不低于25km/h 的前提下，行駛距離最遠者即為節(jié)能競技比賽的最終獲勝方。電動組別節(jié)能賽車設(shè)計于普通電動汽車有差別但是整體結(jié)構(gòu)大體相同,賽車由外殼、車架、電動機三大部分組成。由于電池是賽事組委會統(tǒng)一提供，電機均為購買。因此，輕量化設(shè)計和低風(fēng)阻外形成為各比賽車隊關(guān)注的焦點，也是未來節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展方向。汽車節(jié)能減排的一個重要方向是降低汽車質(zhì)量。外殼的重點在于造型美觀、流線水滴型設(shè)計和合適的空氣阻力系數(shù)。

本田節(jié)能競技大賽迎合了目前世界節(jié)能減排的大環(huán)境，該項比賽的舉辦有利于提高人們的環(huán)保意識，同時無限激發(fā)了對汽車節(jié)能減排技術(shù)的探索。參加比賽的各個車隊都是全國各大高校的佼佼者，也是著未來汽車行業(yè)最主要的人才，通過這項比賽，提高了參賽者的實踐動手和理論與實際結(jié)合的能力，為未來汽車的發(fā)展帶來了無限的遐想。

1 總體布置形式

在充分考慮了賽車制作的簡易性、行駛穩(wěn)定性、以及最大限度減低行駛阻力的基礎(chǔ)上對節(jié)能競技賽車的總體布置形式進行設(shè)計。本田節(jié)能競技大賽的參賽規(guī)要求：參賽車輛必須為3 輪以上（包括3 輪），車輛能夠自主站立。根據(jù)參賽規(guī)則再結(jié)合節(jié)能環(huán)保的主題，同時，還需要保證所設(shè)計的賽車既有良好的操縱穩(wěn)定性又有絕對的駕駛安全性。所設(shè)計的賽車采用前兩輪后一輪的總體布置方式。

2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

節(jié)能賽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)采用的是阿卡曼式的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，節(jié)能賽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在很大方面影響著比賽結(jié)果，賽車在賽道上行駛時，若前輪轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)角相等，則會導(dǎo)致后車輪與前車輪的瞬時轉(zhuǎn)動中心不同，這種情況下車輛會出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象，導(dǎo)致輪胎磨損嚴重，反作用與汽車致使行駛阻力過大，不利于節(jié)省動力以及電能。所以，需要計算選擇出最優(yōu)的梯形轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)參數(shù)。達到最理想的內(nèi)、外轉(zhuǎn)向車輪轉(zhuǎn)角關(guān)系。從而最大限度的減小阻力。

采用倒三角結(jié)構(gòu)的節(jié)能賽車轉(zhuǎn)向梯形臂長m 以及底角計算。根據(jù)設(shè)計的節(jié)能賽車的車架和傳動系統(tǒng)，測得節(jié)能賽車的軸距為1660mm,兩側(cè)主銷軸線與地面相交點之間的距離為520mm，阿卡曼式轉(zhuǎn)向原理為：，如圖1 所示。

圖1

通過幾何解法可以得到轉(zhuǎn)向梯形角位移方程：

3 車架設(shè)計

在結(jié)構(gòu)上采用倒三角的布置方式，節(jié)省了很多質(zhì)量和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計。例如，后輪后懸掛系統(tǒng)、后輪減震器、后輪后車架等，最大程度減輕節(jié)能賽車的質(zhì)量，為提高安全性，車架必須具有一定的強度，能夠使其他部件可以牢固的安裝。

出于節(jié)能的角度考慮，需要最大化地減小賽車的整備質(zhì)量，要減少車架的質(zhì)量，還要滿足剛度、強度要求。由于比賽場地為已定（廣東國際賽車場）該場地路面平整，比賽內(nèi)容不涉及復(fù)雜路面，所以可以省去先后車輪懸架的設(shè)計，根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)，節(jié)能賽車參數(shù)如表1。

表1 節(jié)能賽車整車參數(shù)

車架部分的設(shè)計重點減少車架的重量，同時要考慮滿足基本的剛度強度要求。先用CATIA 對車架進行建模設(shè)計，然后進行有限元分析，如圖2。

圖2

根據(jù)節(jié)能車參賽條件的單一性和理想狀況，切參賽時路面狀況良好，在分析剛度時就省去了很多麻煩，可以忽略車輛動載工況，而僅需要對靜載工況進行分析即可。賽車的靜載有兩部分組成：賽車自身重量以及駕駛員重量（圖3）。

圖3

為節(jié)省重量同時又保證車架的強度，選擇制作車架的材料為鋁合金，鋁合金的密度小，僅為2.7(屬輕金屬)，約為鋼的1/3。由于鋁的表面易氧化形成致密而穩(wěn)定的氧化膜，所以耐蝕性好。鋁有較好的鑄造性，由于鋁的融化溫度低，流動性好，易于制造各種復(fù)雜形狀的零件。車架不同部分的連接采用的方式為焊接，焊接方法為氬弧焊。

4 節(jié)能賽車車身設(shè)計

為了最大限度地減小空氣阻力，車身設(shè)計決定采用水滴型汽車造型設(shè)計。首先采用CATIA 的曲面造型對車身進行三維建模構(gòu)建三維模型。如圖4。

在三維建模完成后，需要運用CATIA 的光順度處理功能對車身，使得車身滿足光順度要求，不存在不平滑的部位。

在設(shè)計完成后，還需要駕駛員的視野范圍進行校核，Honda 節(jié)能競技大賽規(guī)定所有車輛正前方的視野左右寬度至少90°，由設(shè)計數(shù)據(jù)可知，駕駛?cè)说淖笥乙曇霸O(shè)計范圍為110°，滿足設(shè)計要求。

在完成視野校核后，還需要進行車身和車架總成的總裝配，在CATIA 中完成模擬裝配，已檢查車殼和車身是否存在運動干涉，檢驗車身外殼設(shè)計是否滿足需求，還需要模擬在轉(zhuǎn)向時車身外殼是否會干涉車輪需要的運動空間。第一次模擬時出現(xiàn)了干涉的情況，在對車身外殼進行調(diào)整后再次進行模擬分析，分析結(jié)果表明不存在干涉，設(shè)計達到了要求，如圖5。

圖4

圖5

車身外殼采用材料為碳纖維，碳纖維是一種新型材料，其含碳量高達95%以上，具有高強度、高模量的優(yōu)點。碳纖維還具有外柔內(nèi)剛的特性，其質(zhì)量遠遠小于金屬鋁但強度可以高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性。由于碳纖維增強聚合物基復(fù)合材料有足夠的強度和剛度，是制造汽車車身和底盤等主要結(jié)構(gòu)件的最輕材料。預(yù)計碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可使汽車車身和底盤減輕質(zhì)量40%～60%，制作外殼先用白泡沫做一個模型然后用固化劑固定模型，然后鋪設(shè)碳纖維，碳纖維采用樹脂進行固定的粘合，黏合好以后再進行打磨噴漆，最終成型。

5 結(jié)語

設(shè)計的第一考慮要素就是設(shè)計的可加工性，在設(shè)計的過程中，三維軟件的應(yīng)用始終貫穿始終，從最開始的設(shè)計到最后的仿真模。擬每一步都離不開CATIA 的幫助，有了三維軟件可以讓很多問題在未制作實物之前在三維軟件上就得到了解決。當(dāng)今社會，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為社會發(fā)展的主題，新能源汽車和汽車輕量化發(fā)展已成為必然趨勢。節(jié)能競技大賽的宗旨在于“節(jié)能競技大賽的宗旨在于，讓肩負著人類未來的年輕人通過思考和實踐來體會如何更有效地利用資源,如何把我們生存的這個星球更完好地傳遞給下一代”。