新能源輕量化賽車的研究與設(shè)計(jì)

金峰 金文忻 湯彬 趙延科 黃成磊

摘? 要：為設(shè)計(jì)符合新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)技能大賽輕量化賽項(xiàng)技術(shù)規(guī)程要求的賽車，結(jié)合競(jìng)賽方案提供的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和賽車手的身材尺寸，對(duì)新能源賽車進(jìn)行整體布局設(shè)計(jì)。運(yùn)用中望3D軟件進(jìn)行車架、底盤、連接件的三維設(shè)計(jì)，通過(guò)ANSYS軟件對(duì)各零部件進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析數(shù)據(jù)對(duì)零部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。在滿足材料機(jī)械性能、安全，兼顧成本的前提下，選擇高強(qiáng)鋼、鋁合金、碳纖維等輕質(zhì)材料作為車輛制作材料。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙完成賽車的加工制作與裝調(diào)，并完成道路試驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：新能源賽車;輕量化;有限元分析;裝調(diào)

中圖分類號(hào)：U469.696? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）18-0171-05

Abstract： In order to design a racing car that meets the requirements of the technical regulations for lightweight events of the new energy vehicle key technical skills competition， the overall layout design of the new energy racing car is carried out in combination with the technical standards provided by the competition scheme and the body size of the racing driver. The three-dimensional design of the frame， chassis and connecting parts is carried out by using Zhongwang 3D software， the finite element analysis of each part is carried out by ANSYS software， and the lightweight design of parts is carried out according to the analysis data. On the premise of meeting the mechanical properties， safety of materials and considering the cost， light materials such as high-strength steel， aluminum alloy and carbon fiber are selected as vehicle manufacturing materials. Complete the processing， manufacturing， assembly and adjustment of the racing car according to the design drawings， and complete the road test.

Keywords： new energy racing car; lightweight; finite element analysis; assembly

0? 引? 言

新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)技能大賽輕量化賽項(xiàng)以《中國(guó)制造2025》規(guī)劃為背景，緊跟國(guó)家《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》新能源汽車發(fā)展戰(zhàn)略的需要，服務(wù)新能源汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域人才培養(yǎng)的需求，提升新能源汽車企業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)能力，引領(lǐng)職業(yè)院校相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)和課程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)以賽促教、以賽促改，推動(dòng)產(chǎn)教融合、校企合作，對(duì)接崗位核心技能培養(yǎng)雙師團(tuán)隊(duì)，提高職業(yè)院校人才培養(yǎng)質(zhì)量，促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

競(jìng)賽規(guī)程要求：參賽隊(duì)自選符合競(jìng)賽技術(shù)要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、整車控制系統(tǒng)，制作具有輕量化意義的車架、座椅、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、行駛、傳動(dòng)、電池防撞箱等部件，通過(guò)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工，基于車架設(shè)計(jì)連接和固定件，以安裝各個(gè)總成或裝置，最終制造出可以運(yùn)行的場(chǎng)地汽車。

本車隊(duì)由兩名老師和兩名學(xué)生組成，其中本人（作者）擔(dān)任該賽項(xiàng)負(fù)責(zé)人，下文將從車輛設(shè)計(jì)、材料選擇、車輛制作、車輛裝調(diào)四個(gè)方面介紹本車隊(duì)制作的輕量化賽車。

1? 車輛布局設(shè)計(jì)

基于大賽指定技術(shù)平臺(tái)中三電系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、輪胎的尺寸參數(shù)、競(jìng)賽規(guī)程參數(shù)要求以及駕駛員的身材尺寸為基準(zhǔn)，對(duì)車輛進(jìn)行布局設(shè)計(jì)。

以下是具體的設(shè)計(jì)步驟：

（1）根據(jù)競(jìng)賽規(guī)程輪距、轉(zhuǎn)向半徑要求，通過(guò)計(jì)算，確定前輪距、后輪距、軸距的設(shè)計(jì)尺寸，最終確定四個(gè)車輪的位置。

（2）為了確保車輛能夠充分適應(yīng)比賽的道路要求，本次設(shè)計(jì)的離地間隙為200 mm，軸荷分配為45：55，進(jìn)而確定懸架系統(tǒng)上下擺臂減震器的安裝位置?；谵D(zhuǎn)向機(jī)總成、車輪、轉(zhuǎn)向節(jié)確定轉(zhuǎn)向拉桿的加工尺寸、連接方式。再確定轉(zhuǎn)向機(jī)在底盤的安裝位置。

（3）基于車輪、半軸、減速器確定減速器及電機(jī)的安裝位置，隨后確定電池箱和小蓄電池的安裝位置，確保電池、電機(jī)安裝空間充足，便于拆卸和檢修。

（4）根據(jù)電池箱安裝位置確定防火墻和座椅的位置。

（5）根據(jù)駕駛員的身材尺寸和最舒服的坐姿確定制動(dòng)踏板、加速踏板和方向盤的安裝位置。

（6）三電安全設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)需在四周與防滾架及覆蓋物之間留出大于100 mm的空間，相互之間進(jìn)行有效絕緣。在車輛不同位置設(shè)置三個(gè)急停開關(guān)和高低壓開關(guān)，緊急情況下可以及時(shí)有效地?cái)嚅_高壓回路，保證駕駛員安全。

2? 車架和底盤的輕量化設(shè)計(jì)

2.1? 車架底盤初步設(shè)計(jì)

各部件的安裝位置大致確定后，根據(jù)競(jìng)賽規(guī)程要求和駕駛員身材尺寸進(jìn)行車架和底盤的設(shè)計(jì)。

本次設(shè)計(jì)選用中望3D軟件，經(jīng)一系列建模、修改后，初步建立車架、底盤模型。底盤框架選用25×25×2 mm鋁合金方管作為制作管件，對(duì)受力加大、密集處進(jìn)行局部加強(qiáng)。車架采用桁架式結(jié)構(gòu)，管件主要承受拉力或壓力，可充分發(fā)揮材料的作用，節(jié)約材料，減輕重量。為保證車架有足夠的強(qiáng)度和剛度，初步統(tǒng)一選用SAE 4130，φ25×1.6 mm鋼管作為制作管件，防滾架和車架兩個(gè)支撐點(diǎn)之間直管或彎管的長(zhǎng)度小于等于65 cm。

2.2? 車架底盤仿真分析與優(yōu)化

車架和底盤的仿真分析，將車架整體模型導(dǎo)入ANSYS軟件，建立車架有限元模型，并設(shè)置各項(xiàng)分析參數(shù)，賦予材料屬性，進(jìn)行抗扭轉(zhuǎn)性能仿真測(cè)試，在駕駛艙的右前、左后角承受合適的向下的預(yù)緊力，給車輛底板的右后角位置施加250 kg（2 500 N）的向上的壓力，分析車架的強(qiáng)度和剛度。經(jīng)過(guò)有限元分析，得到車架在該工況下的如圖1所示的應(yīng)力云圖和如圖2所示的位移云圖。

由分析可知，車架結(jié)構(gòu)在各方面的分析結(jié)果均符合強(qiáng)度和剛度的設(shè)計(jì)要求，并存在較大的盈余量，這也說(shuō)明了車架結(jié)構(gòu)還可以做進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。對(duì)功能要求較低的桿件改用規(guī)格較小的桿件，規(guī)格由φ25×1.6 mm縮小為φ20×1.2 mm，如圖3所示，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

經(jīng)二次設(shè)計(jì)和分析后，將優(yōu)化后的應(yīng)力數(shù)據(jù)乘以安全系數(shù)，仍符合材料的強(qiáng)度和剛度要求。最終確定了車架的具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。其中φ25×1.6 mm的鋼管用了24.94 m，φ20×1.2 mm的鋼管用了8.92 m。

3? 車輛連接件的設(shè)計(jì)

完成了車架底盤的設(shè)計(jì)，下一步就是連接件的設(shè)計(jì)。連接件的輕量化設(shè)計(jì)，主要對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，通過(guò)ANSYS分析，給定負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在保證剛度強(qiáng)度的前提下，去除不必要的材料，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行減重;如輪轂、減震器連接件、鼻翼支架、固定電機(jī)的連接件等。車輛的連接件較多，現(xiàn)以固定電機(jī)連接件為例進(jìn)行設(shè)計(jì)明。

具體設(shè)計(jì)流程：

第一步：根據(jù)電機(jī)與車架的相對(duì)安裝位置，運(yùn)用中望3D軟件初步設(shè)計(jì)出連接件的三維圖形。如圖4所示。

第二步：將三維圖形導(dǎo)入ansys，賦予材料屬性，加載極限載荷，進(jìn)行應(yīng)力分析。如圖5所示。

第三步：拓?fù)鋬?yōu)化，生成拓?fù)涿芏葓D，得到最佳材料分布結(jié)構(gòu)。如圖6所示。

第四步：根據(jù)材料分布結(jié)構(gòu)圖，運(yùn)用中望3D進(jìn)行二次設(shè)計(jì)。如圖7所示。

第五步：對(duì)重新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，若不滿足材料強(qiáng)度剛度要求須重新設(shè)計(jì)，直到滿足要求為止。最終完成設(shè)計(jì)。如圖8所示。

4? 車輛材料選擇

完成了車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下面介紹車輛的材料選擇。在輕量化材料方面，選用的輕量化材料主要有高強(qiáng)鋼、鋁合金和碳纖維。選擇的依據(jù)是在滿足材料機(jī)械性能、安全節(jié)能的前提下，盡可能選擇輕質(zhì)材料，同時(shí)也要兼顧成本。本車隊(duì)經(jīng)過(guò)查閱資料確定了以下材料選擇方案：

（1）高強(qiáng)鋼。車架、防滾架、懸架橫臂等選用高強(qiáng)鋼，主要考慮到車架、防滾架和懸架橫臂所需要的材料數(shù)量較大，選擇太昂貴的材料會(huì)大大增加成本，高強(qiáng)鋼不僅價(jià)格便宜而且具備較高的強(qiáng)度和剛度，在碰撞性能、制造成本方面對(duì)比其他材料也有著明顯優(yōu)勢(shì)。所以在車架、防滾架、懸架橫臂處選用高強(qiáng)度鋼作為制作材料。

（2）鋁合金。底盤框架、輪轂、輪輞、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部件選擇的材料為鋁合金，鋁合金與傳統(tǒng)鋼材相比，能減重30%～50%，制作工藝也相對(duì)成熟，易成形，價(jià)格相比于碳纖維也更加適中，在質(zhì)量減輕的同時(shí)又兼顧了成本的控制。并且，鋁合金比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)也更加適合輪轂、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作環(huán)境。

（3）碳纖維。覆蓋件、尾翼、鼻翼等選擇碳纖維進(jìn)行制作，碳纖維有著密度低、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)秀特性，其含碳量超過(guò)95%，質(zhì)量只有鋼的1/4，抗拉強(qiáng)度一般都在3 500 Mpa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為230～430 Gpa，也比鋼強(qiáng)。覆蓋件、尾翼、鼻翼表面積較大，選用碳纖維材料制作，在保證強(qiáng)度和剛度的前提下，能非常有效地減輕重量。

在車架、防滾架、懸架橫臂等處使用4130高強(qiáng)鋼;在上下擺臂吊耳、固定電機(jī)吊耳、減震器固定支架處采用510高強(qiáng)鋼;底盤框架、防火墻、輪轂等處使用鋁合金;覆蓋件、尾翼、鼻翼、減震推桿、方向盤等處使用碳纖維。

5? 車輛輕量化的加工制作工藝

完成車輛設(shè)計(jì)后，下一步就要對(duì)車輛進(jìn)行加工制作。自行加工的部件有：底盤、車架、懸架橫臂、轉(zhuǎn)向節(jié)、固定支座等。

5.1? 底盤的制作

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的尺寸要求，進(jìn)行鋁合金方管的切割，對(duì)鋁合金進(jìn)行切割時(shí)應(yīng)將切割機(jī)的切割片換成鋁合金專用切割片，在焊接平臺(tái)上用氬弧焊機(jī)調(diào)至交流檔進(jìn)行焊接，先進(jìn)行點(diǎn)焊確定管件連接位置，點(diǎn)焊完成后進(jìn)行滿焊，進(jìn)而完成制作。

5.2? 車架的制作

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，運(yùn)用數(shù)控彎管機(jī)、坡口機(jī)、角磨機(jī)，對(duì)4130鋼管進(jìn)行加工。先將與底盤連接的管件固定于底盤，作為焊接基準(zhǔn)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙尺寸要求用二保焊先進(jìn)行點(diǎn)焊拼接。拼接完成后就要對(duì)點(diǎn)焊位置進(jìn)行滿焊，進(jìn)而完成車架的焊接。將焊接好的車架進(jìn)行打磨處理，去除焊接廢渣，打磨鋒利邊緣;為防止車架生銹，對(duì)車架進(jìn)行噴漆處理。

5.3? 其他部件的制作

懸架橫臂的制作材料是4130高強(qiáng)鋼，將切割好的管材，用坡口機(jī)進(jìn)行連接處坡口，為保證角度尺寸，在自制簡(jiǎn)易夾具上用二保焊進(jìn)行焊接。轉(zhuǎn)向節(jié)的制作材料是510高強(qiáng)鋼，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，先加工出各零件，再用焊接的工藝將各零件進(jìn)行組裝連接。

5.4? 輕量化的加工制作工藝

關(guān)于輕量化的加工制作工藝主要有兩部分，分別是輕量化連接工藝和輕量化制造工藝。本車輛采用的輕量化連接工藝主要有：焊接、膠粘、鉚接;輕量化制造工藝主要有：激光切割，旋壓鑄造（輪輞）、3D打?。ǚ较虮P）。經(jīng)過(guò)后期車輛的反復(fù)測(cè)試，驗(yàn)證了我們采用的加工工藝制作出的相關(guān)零部件不僅滿足整車性能要求，也合理有效地降低了整車質(zhì)量。

6? 車輛的裝調(diào)

在正式進(jìn)行車輛組裝前，首先完成車輛的三維裝配，根據(jù)三維裝配圖初步確定各零部件的具體安裝位置和裝配順序，經(jīng)討論并結(jié)合實(shí)際制定裝配工藝規(guī)程。裝配工藝規(guī)程對(duì)裝配工序、裝配方法、工具使用、注意事項(xiàng)都做了詳細(xì)的說(shuō)明，是裝配的指導(dǎo)書，對(duì)合理有序的裝配、正確使用工具、規(guī)范操作都起到了指導(dǎo)性作用，提高了、的裝配效率和保證了裝配質(zhì)量。按照裝配工藝規(guī)程完成三電系統(tǒng)的安裝、懸架系統(tǒng)的安裝、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)安裝、制動(dòng)系統(tǒng)的安裝、行駛系統(tǒng)的安裝。裝配完成的輕量化賽車如圖9所示。

車輛裝配完成后，需要進(jìn)行檢查和調(diào)試，將車輛性能調(diào)整至最佳狀態(tài)。車輛結(jié)構(gòu)檢查主要包括：檢查車輛尺寸參數(shù)、檢查螺栓緊固情況、檢查焊縫的密實(shí)度。

轉(zhuǎn)向、懸架系統(tǒng)調(diào)試主要包括：方向機(jī)的調(diào)整、前輪前束的調(diào)整、減震器的調(diào)整、左右車輪配重調(diào)整。行駛、制動(dòng)系統(tǒng)調(diào)試主要包括：胎壓的檢查、制動(dòng)的排氣、制動(dòng)空載測(cè)試。整車線束的檢查調(diào)試主要包括：高壓絕緣檢查、燈光的檢查、急停開關(guān)檢查。

7? 道路測(cè)試

道路測(cè)試主要包括：逃生測(cè)試、轉(zhuǎn)向測(cè)試、制動(dòng)測(cè)試、加速測(cè)試、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)型測(cè)試。

在進(jìn)行逃生測(cè)試時(shí)，賽車手身穿賽車服、系好安全帶、手臂約束帶、戴上頭盔，雙手緊握方向盤，能在10 s內(nèi)成功逃離車輛。用錐桶擺出半徑3 m的S彎道，寬3 m直線賽道，并將賽道隔離，賽車手穿上賽車服、系好安全帶、手臂約束帶、戴上頭盔后進(jìn)行轉(zhuǎn)向制動(dòng)測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中，車輛能夠順利通過(guò)彎道，不觸碰錐桶，直線加速至38 km/h后緊急制動(dòng)，制動(dòng)距離2 m。

在進(jìn)行動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性測(cè)試時(shí)，測(cè)試路程為25 km。車輛能夠以較少的時(shí)間和較低的耗電量安全穩(wěn)定的跑完賽程。

8? 結(jié)? 論

根據(jù)新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)技能大賽輕量化賽項(xiàng)規(guī)則，本車隊(duì)自選符合競(jìng)賽技術(shù)要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、整車控制系統(tǒng)，制作具有輕量化意義的車架、底盤、轉(zhuǎn)向節(jié)等其他零部件部件，通過(guò)輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工，基于車架設(shè)計(jì)連接和固定件，安裝各個(gè)總成，經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，調(diào)試最終制造出可以運(yùn)行的場(chǎng)地賽車。

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作者簡(jiǎn)介：金峰（1990.12—），男，漢族，江蘇溧陽(yáng)人，講師，碩士研究生，研究方向：機(jī)械工程、車輛工程;通訊作者：金文忻（1989.8—），女，漢族，江蘇蘇州人，講師，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化、農(nóng)業(yè)裝備智能化控制。