節(jié)能車整體優(yōu)化設計與研究

湯熠圻 陳輝 王艷蘋 曾凌娜 吳永楨

泉州職業(yè)技術大學 福建省泉州市 362200

近些年來，節(jié)約能源、保護環(huán)境已成為當今社會需要解決的首要問題。傳統(tǒng)燃油汽車的行駛造成的大量污染物排放，預示著汽車節(jié)能化是現(xiàn)今汽車發(fā)展的必然趨勢。節(jié)能車和汽車的結構相似，類型相同，所以節(jié)能車的研發(fā)經(jīng)驗可能能夠給予未來汽車的發(fā)展方向奠定一定的基礎。同時對節(jié)能車研發(fā)對現(xiàn)代汽車設計發(fā)展及對汽車專業(yè)人才的培養(yǎng)能夠擁有較大的幫助。不僅可以讓汽車專業(yè)學生更加了解汽車的相關構造，也能夠讓培養(yǎng)汽車人才的動手能力，迎合大環(huán)境下為環(huán)保而努力的目標。而我們更希望能夠在研究節(jié)能車的同時，能夠引導汽車節(jié)能化和新能源化而做出貢獻。

1 總體研究原則及研究思路

1.1 研究原則

（1）輕量化：現(xiàn)如今，在車輛設計上，輕量化成為了關鍵詞之一，較輕的自重能夠讓車輛在利用較少能源的情況下行駛更長距離。（2）安全性：由于車輛行駛過程中速度較快，按照比賽要求來說，節(jié)能車需要在不低于35km/h 的時速下行駛，所以行駛意外也需要進行考慮，保證駕駛者的安全性是節(jié)能車設計的要點，安全性能好的節(jié)能車能夠讓駕駛者在意外來臨時保證自身的安全。（3）動力性：日常中，節(jié)能車不僅是作為交通工具，還是一臺賽車，這就需要良好的動力性，并且在動力良好的同時，還需要考慮節(jié)能性，所以，不低于30km/h 的行駛速度，就可以滿足日常的使用和競賽需求。（4）操縱穩(wěn)定性：節(jié)能車的行駛速度較高，并且作為交通工具，操縱穩(wěn)定性就納入考慮的要點。一般來說，操縱穩(wěn)定性和轉向密切相關。

1.2 總體研究思路

電動節(jié)能車由車身，車架，電機，齒輪，鏈條和輪胎組成，外表就是一臺簡化版的汽車。在電動節(jié)能車的設計研究中，所有部分都極為重要，環(huán)環(huán)相扣，才能制造出一臺性能卓越的節(jié)能車，由于在節(jié)能車設計過程當中，電機作為一個完成品，出廠數(shù)據(jù)已經(jīng)固定，工況彈性較大，可以在許多復雜的工況下進行調(diào)試使用，并且在日常使用工況下，維護得當?shù)碾姍C性能依舊可以在長時間內(nèi)保持優(yōu)秀的性能狀態(tài)。齒輪鏈條及輪胎取材便利，可以三輪車或者自行車的同型號舊零件進行測試，在找到最優(yōu)解后再購買新零件進行使用。但三者配合形成的節(jié)能車動力及傳動系統(tǒng)則是節(jié)能車能否正常行駛和節(jié)能的關鍵。車身和車架是節(jié)能車的外皮和骨架，需要在數(shù)學模型和電腦仿真測試中進行測試，制作完成后修改難度高，且由于結構變化，修改成本變高，并且重新設計的工作量大。但組成過程中，電機、齒輪、鏈條、輪胎構成了節(jié)能車的動力系統(tǒng)。因此，本文將節(jié)能車分為車架，車身及動力三方面進行分析和研究。

2 車身的設計與分析

2.1 理論設計

車身的設計和制造一直是節(jié)能競賽的核心難點之一。車身是節(jié)能汽車的重要組成部分，好的車身能夠使風阻最小，并且車身內(nèi)部空間在駕駛環(huán)境的舒適性中占有舉足輕重的地位，造型設計差，設計效果不好，材料選擇不合理，不僅會使得駕駛人員的舒適度及安全度大大降低，并且還會削弱節(jié)能效果。

車身形態(tài)可分為半包式和全包式。半包式車殼設計，能有效減少車殼和空氣的接觸面積，也能夠大大降低車殼的質量，但舒適度較差；車殼的全包式設計，雖重量較大，但風阻系數(shù)和車身共振得到有效降低，增加駕駛者的機動性，增加舒適度。并且全包式設計能夠明顯減少空氣和外界的流通，減小內(nèi)循環(huán)阻力，相比之下能夠擁有更小的風阻系數(shù)。

車輛在行駛的過程中，不可避免的會和前方迎面而來的氣流進行撞擊，形成阻力。而車頭由于位于車輛的迎風位置，所以車頭的設計需要更加圓潤，以起到引導氣流減小風阻的作用。而車尾部分由于車頭部分的引導，會產(chǎn)生一定的真空區(qū)域，節(jié)能車的氣動阻力就此而來。所以車尾的設計也需要小而圓潤，構成的曲線需要平緩，從而對空氣進行引導，起到減小氣動阻力的作用。

并且據(jù)理論得知，車身形式計算主要由風阻系數(shù)Cd 和迎風面積A 來決定。并且經(jīng)理論計算及外界資料得知，Cd*A每減少0.01，純電動車能耗能夠降低0.6%左右。這就表明，合適的風阻系數(shù)和迎風面積能夠讓車輛的節(jié)能效果更上一層樓。

車身形式 風阻系數(shù)（Cd）迎風面積（A） Cd＊A全包 0.10 0.31 0.031半包 0.20 0.22 0.44

在利用CATIA 的經(jīng)過分析對比，我們采用全包式的車殼，并且采用流線水滴型設計，柔和的車身曲線以及簡潔的設計，保證美觀的同時，能夠有效降低風阻，并且全包式車身在符合比賽效果的同時，能夠保證乘員安全和駕駛感受。在距離地面約40cm 高處做一個全開型透明窗口，保證駕駛者盲區(qū)范圍最小。能夠保證駕駛者視野，最終效果如圖所示。

并且將車身從中間沿Y 軸中心點，按1：1的比例剖開，在其后的連接過程中，我們采取了魔術貼結合，這就可以讓駕駛者能夠自由的進出車內(nèi)，并且維修時車殼上部展開，極大的擴展了研究人員的維修視野和降低了維修難度。

2.2 材料選擇

車身的材料選擇也是極為重要的。經(jīng)過多年的競賽經(jīng)驗及材料選擇對比，我們最終選擇碳纖維配合環(huán)氧樹脂。

碳纖維是由碳元素組成的一種特種纖維，由于其質量輕，強度高，耐腐蝕等諸多優(yōu)點，被廣泛應用于汽車行業(yè)。部分車輛的車身皆采用碳纖維作為其車身主要構建。

由于環(huán)氧樹脂分子鏈中存在極性羥基和醚鍵，使其擁有較強的粘附力。環(huán)氧樹脂固化時的收縮性低，產(chǎn)生的內(nèi)應力小，這也有助于提高粘附強度。并且黏附后的環(huán)氧樹脂由碳纖維和環(huán)氧樹脂結合而成的復合材料，由于其比重小、剛性好和強度高，常被用于航天航空，軍工方面進行使用。

在車殼的材料中，我們選用車頂3 層二級碳纖維布、車底5 層碳纖維布疊加配合環(huán)氧樹脂固化劑。

3 車架的設計和分析

3.1 車架的設計

車架是節(jié)能車的另一重要組成部分，車架不僅需要擁有更輕的重量，還需要有合理的空間來安裝節(jié)能車部件，最重要的是，和傳統(tǒng)的交通工具一樣的，節(jié)能車也需要保證駕駛人員的生命安全。并且作為車輛零件的主要承載點，需要基本上節(jié)能車的動力系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)及齒輪都需要在車架上進行安裝運行。所以車架設計的要求極高：既需要設計合理、經(jīng)濟的結構及輕且高強度的材料，在保證更輕質量的同時，擁有更強的安全性。

車架的設計形式分為三種：梯形，單體殼，賽車型。單體殼型是在制造車殼的同時，利用碳纖維制作過程中的層數(shù)疊加將碳纖維管或者鋼管進行包埋，優(yōu)點是質量輕，強度大，但造價較高，且工藝復雜。賽車型車架，則是借鑒了卡丁車車架，卡丁車車架的焊接處理美觀，工藝效果好，并且耐久性，強度和安全性能極其出色。但由于其結構復雜，材料多，行駛時十分笨重，并且限于成本的原因，其不適合作為節(jié)能車的車架首選方案。梯形車架結構簡單，可以在有限的成本，利用幾何圖形進行設計，便于加工，較為美觀，小巧輕便，許多節(jié)能車研發(fā)團隊都使用梯形車架。所以，綜上所述，我們采用梯形車架作為車架的主要設計結構。

我們利用soildwork 進行3D 建模，選取矩形，三角形等簡單的幾何結構利用軟件進行3D 建模，并且結合電機擺放位置、齒輪、鏈條安裝位置、輪轂安裝位置、駕駛者行駛位置和人機工程學進行分析，運用文獻[2]中的方法，將車架利用ansys 軟件進行有限元分析，由于車架是一個整體，所以將車架的結構進行離散，分為不同大小和形狀，但相關聯(lián)的各有限單元，并建立各有限單元的數(shù)學模型，施加扭轉工況分析變形條件，對各有限單元的位移作為基本量進行分析，再結合對車架整體結構進行分析，建立節(jié)點外載荷和位移的關系，解出結點位移，以此得出車架結構模型的初次草圖及數(shù)據(jù)，并且在和之前比賽作品的車架進行建模數(shù)據(jù)對比，進行修改測試，以得出新的車架結構模型。

3.2 車架的材料選擇

車架的材料需要擁有足夠的剛性，質輕，出于成本考慮，需要擁有較高的經(jīng)濟性。由于在梯形車架下，全車碳纖維的經(jīng)濟性不高，鋼的剛性較足，但質地較脆，質量重，對于輕量化處理產(chǎn)生了不良的影響，木材的質地輕，但剛性不足，容易腐蝕，不防水。而鋁合金的質地輕，剛性足，質地較韌，并且不生銹，耐腐蝕的特點，就成為了我們的首選。

材料 彈性模量 切變模量 密度g/cm3碳鋼 206 81 7.85鉻鋼 206 81 7.82灰鑄鐵 100 — 7.4鋁合金 69~71 27 2.5

綜合考慮下，在考慮輕量化和強度設計要求，我們選用6061 鋁合金方管，6061 鋁合金可焊接性良好，韌性高，并且氧化性強，不易生銹，多采用在航空航天及建筑汽車等方面。截面尺寸30mm*30mm，壁厚2mm，在車架上打等距離的孔，以減輕車架的重量，在車架不同部分的連接采用的方式為焊接，焊接方式為氬弧焊。

4 總體布置及動力的選擇和分析

4.1 總體布置

由于賽車是由大學生制作，在沒有外界企業(yè)幫助的前提下，總體的布局需要簡易、輕便及穩(wěn)定，既要有良好的操縱，又要有絕對安全的駕駛。并且競賽需要符合賽規(guī)，還需考慮所設計的賽車擁有較小的行駛阻力，前一后二的正三輪布置形式技術較為成熟，但其穩(wěn)定性較低，彎道容易側翻，雙輪的布置形式由于路況情況復雜，單純二輪布置形式安全性較低，不符合比賽標準，若增加輔助輪，節(jié)能車自重增加，操縱性降低，設計難度和工作量也相繼增加。前二后二的四輪布局和汽車設計更為接近，但其重量較大，將會增大整車質量，不符合輕量化的使用標準，若不相應增加車身面積和體積，節(jié)能車內(nèi)部空間變得更小，這就使得駕駛人員的駕駛感受一般。最重要的是，四輪布局和地面接觸的摩擦力更大，就直接導致了行駛阻力也會變得更大，在同樣的電量下，四輪布置形式將會比二輪和三輪布置形式行駛的距離更短，并且維修難度和設計難度也變得更大。綜上所述，前二后一的倒三輪設計更加靈活和便利，并且在使用環(huán)境中接近汽車和兩輪布局的使用環(huán)境，故采用前兩輪后一輪的總體布置方式。在驅動形式上，在行駛穩(wěn)定，更加容易操控的前提下，我們采用了后驅的驅動形式。

在車前端，我們使用的阿卡曼式前轉向系統(tǒng)，其用材較少，轉彎過程重車輪較為穩(wěn)定。并且最終行駛過程中，工況就處于理想的阿卡曼式轉向和平行轉向之間，提高了行駛的穩(wěn)定性，設計難度也較低。并且我們采取了可翻式的連桿，在事故發(fā)生時，車手可以用最輕便的力度來快速逃生，能夠有效保護生命安全。并且結構簡單，便于日常的維修。

4.2 動力和傳動系統(tǒng)的選擇和分析

在動力方面，由于我們制作的是電動節(jié)能車，所以需要選擇電機。電機分為外置電機和輪轂電機，按照種類則有有刷電機和無刷電機。輪轂電機安裝在輪上，輪轂電機能夠省略傳動部件，但輪轂電機的輪上質量較大，這就使得駕駛的操控性難度較大，輪上電機的安裝難度較高，損壞后的維修難度也較高。而外置電機體積小，重量輕，雖安裝傳動部件，但易于維修和操控，并且外置電機和輪上電機相比，外置電機容易拆卸及為維護，無刷電機的維護簡便，運行聲音小，壽命長，動力充沛；有刷電機維護較為麻煩，控制精度高，運行平穩(wěn)，但動力較為不足。經(jīng)過對比和選擇，我們最終采用外置無刷電機，功率210W，轉速1500r/min，額定電壓12V。

傳動方面，傳動形式主要分為鏈式傳動，齒輪傳動和軸式傳動。一方面鏈式傳動較為輕便，齒輪傳動和軸式傳動較為笨重，另一方面，鏈式傳動結構簡單，易于維護，雖要計算齒比，但較齒輪傳動，齒輪數(shù)量少，并且節(jié)能車需要擁有較小的體積，在造成了較小安裝空間的前提下，軸式傳動的局限性就尤為明顯，齒輪傳動雖可以壓縮空間，但小空間內(nèi)的拆卸難度和維修難度明顯提高。相比之下，鏈式傳動的適配程度更高，在維修難度及成本上也較低。綜上所述，我們采用了鏈式傳動，經(jīng)過實驗，我們采用了14：27的傳動比，主動齒輪14 齒，從動齒輪為27 齒。

在輪胎選擇方面，出于輕量化和節(jié)能考慮，我們采取碳纖維加16 寸的前輪轂以及24寸的后輪轂。由于無專用的節(jié)能車輪胎，故采用自行車輪胎安裝使用。前輪16 寸的小輪胎，使得前輪的抬起幅度小，穩(wěn)定性更高。在輪胎軸承的使用方面，有三種選擇，一是陶瓷滾珠軸承，此軸承內(nèi)外圈采用不銹鋼材料，內(nèi)部滾球采用陶瓷滾球，雖價格較高，但耐用，輕便，轉動靈活且可以承受較高的轉速。二是不銹鋼滾珠軸承，內(nèi)外圈及滾球均采用不銹鋼材料，此軸承轉動靈活，耐用，但較陶瓷軸承來說轉速較低，且金屬之間摩擦力大。三是軸承鋼軸承，此款軸承價格便宜，但不耐用，耐腐蝕性一般，故首先排除。綜上所述，出于持續(xù)性、耐久性及行駛考慮，故采用陶瓷軸承。

觀察節(jié)能車研發(fā)經(jīng)驗，節(jié)能車是以加速-滑行-加速的方式進行行駛的。加減速的頻繁，就導致節(jié)能車在車輛行駛過程中存在能量損耗，那么能量回收就十分重要了，為此我們采用帶離合器的輪上傳動方案進行解決。觀察其余車隊的競賽歷史和研發(fā)過程中，離合器加速結合的方案成為了我們的首選。在行駛過程中，節(jié)能車加速時，離合器通過螺旋執(zhí)行結構輪轂向內(nèi)側旋轉，與軸上的結合機構進行結合，在滑行時向外旋轉進行分離，這樣能夠合理的利用能量，減小能量損耗，達到節(jié)能的目的。并且離合器的成本較低，結構簡單，在日常的維修和使用上十分簡便。

4.3 測速裝置設計

和普通汽車相同的，在保證行駛的同時，節(jié)能車也需要擁有一定的速度。并且競賽要求不低于30km/h的速度行駛方算有效成績。所以駕駛者需要一個測速裝置以觀看所駕駛的賽車行駛時速。

測速裝置分為霍爾式和光電式，對此我們采用了霍爾式的測速裝置，相比于光電測速，霍爾測速的應用環(huán)境更加普遍且更加穩(wěn)定。由于光電測速的原理是需要感光元件利用單片機進行讀取，霍爾測速的原理則是在旋轉體邊加入一個固定磁場，只有霍爾元件運行到磁場附近才會產(chǎn)生霍爾效應。而且霍爾效應可以將讀數(shù)直接連接到碼表進行顯示，光電測速對光和震動的要求高，一有變化則會導致速度讀取不穩(wěn)定，節(jié)能車的行駛環(huán)境亦存在不確定性。所以霍爾測速運用于節(jié)能車更加實用。

5 測試

在節(jié)能車制造完成之后，我們需要在比賽要求的電量下，就行駛距離，最高時速，功率等進行測試。在長期的試驗和行駛中，節(jié)能車的結構和性能皆十分可靠，齒輪鏈條式傳動也較為穩(wěn)定。并且車架材料采用的鋁合金的耐腐蝕性強，剛性和柔韌性較好，在日常使用中皮實可靠，性能出色，維修較少，磨損較少。

6 結語

節(jié)能車的意義，不僅僅是一款大學生的DIY 作品，更重要的是，在大學生未來進入汽車行業(yè)，能夠從節(jié)能車上了解車輛結構，提高學生的動手能力。并且節(jié)能車事業(yè)起步不過十年，已經(jīng)有大量的學校企業(yè)投入其中并樂此不疲，縱觀全文，通過對車架、車身、動力三方面進行的研究，節(jié)能車研發(fā)主要圍繞輕量化，動力性，安全性，操縱穩(wěn)定性四大原則進行設計研究。筆者也希望通過此文能夠給予剛步入節(jié)能車的院校及企業(yè)提供技術思路和啟發(fā)，也希望更多汽車行業(yè)人士參與到汽車節(jié)能的事業(yè)中來，使得節(jié)能車事業(yè)能夠風靡全社會，喚醒人們的環(huán)保意識，保護我們的家園。