劉章棋，付龍虎，汪異

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節(jié)能賽車車架輕量化設(shè)計*

劉章棋，付龍虎，汪異

（瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué) 院機(jī)械工程學(xué)院，四川 瀘州 646000）

根據(jù)本田Honda中國節(jié)能競技大賽規(guī)則，文章主要從材料、車輪布置型式、車架設(shè)計等方面，對賽車車架進(jìn)行輕量化設(shè)計，以實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

車架；節(jié)能；環(huán)保

前言

大量的燃油汽車，帶來了燃油緊缺和大氣環(huán)境污染問題。加快培育和發(fā)展節(jié)能環(huán)保汽車，是我國汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。Honda本田中國技研部于2006年開始每年在中國舉辦本田Honda節(jié)能競技大賽。根據(jù)能源不同，大賽分為燃油組比賽和電動組（EV）比賽。燃油組比賽由Honda本田公司提供一臺汽油摩托車發(fā)動機(jī)，各車隊自行設(shè)計車架、車身、電器等。在規(guī)定時間內(nèi)，賽車跑完比賽賽程，計算比較各參賽隊燃油節(jié)能車消耗的燃油量。電動組比賽是由Honda本田公司提供電壓12V容量為3A.h的兩塊新電池，各車隊自行設(shè)計一輛電動節(jié)能車，平均速度必須在25Km/h以上，比較各車隊電動節(jié)能車行駛的賽道里程。

1 車架設(shè)計要求

節(jié)能賽車與普通轎車的結(jié)構(gòu)布局相似，由動力系統(tǒng)、底盤、車身、電器四大部分組成。為了實現(xiàn)省油或省電，節(jié)能賽車需減少整車重量、優(yōu)化車身氣動布局、選好車輪布置型式等。車架是節(jié)能賽車的骨架，大約為節(jié)能賽車重量的一半。優(yōu)化車架設(shè)計，可以減少節(jié)能賽車整體重量。車架要承受整車和車手的重量，所以車架應(yīng)有足夠的強度和剛度，具備承受各種沖擊載荷的能力。車架設(shè)計一要結(jié)構(gòu)合理，強度剛度大，變形量小。車架如果變形嚴(yán)重，影響車輪的行駛軌跡，車輪之間會相互干擾，能量消耗相當(dāng)大，整個節(jié)能賽車行駛穩(wěn)定性差。二要質(zhì)量盡量輕。質(zhì)量越輕車輪變形量越小，滾動阻力小，節(jié)能車能耗就越小。三要滿足賽事對車輛的被動安全性要求，具有一定的抗碰撞能力。

2 車架材料選擇

節(jié)能車架材料選擇應(yīng)滿足應(yīng)用廣泛，價格低、密度小、質(zhì)量輕、強度高、焊接性等基本要求。鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性。一些鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機(jī)械性能、物理性能和抗腐蝕性能。鋁合金的焊接性能較碳鋼差。45#中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。具有較高的強度和較好的切削加工性，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性，材料來源方便。適合于二氧化碳保護(hù)焊和氬弧焊，不太適合于氣焊。45#鋼應(yīng)用廣泛，價格低，焊接性能好，機(jī)械加工性能優(yōu)異。304不銹鋼是應(yīng)用最為廣泛的一種鉻-鎳不銹鋼 ，作為一種用途廣泛的鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性，低溫強度和機(jī)械特性；沖壓、彎曲等熱加工性/可焊性好，無熱處理硬化現(xiàn)象。碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。質(zhì)量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性。碳纖維作為汽車材料，最大的優(yōu)點是質(zhì)量輕、強度大，重量僅相當(dāng)于鋼材的20%到30%，硬度卻是鋼材的10倍以上。碳纖維不能焊接，車架成型難度大。

綜合比較以上四種常用材料的密度、強度和剛度，以及焊接性、機(jī)械加工性能、成型難度等，節(jié)能賽車采用45#中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。

3 車輪布置型式選擇

為了減小車輛的車輪行駛阻力，節(jié)能車采用兩個前輪一個后輪的布置型式。節(jié)能車驅(qū)動方式采用發(fā)動機(jī)中置，后輪驅(qū)動。即兩個前輪為轉(zhuǎn)向輪，一個后輪為驅(qū)動輪。兩個前輪可提高節(jié)能車的轉(zhuǎn)向時的行駛穩(wěn)定性，一個后輪直接由發(fā)動機(jī)利用鏈條驅(qū)動，這樣省略了差速器和驅(qū)動半軸，使結(jié)構(gòu)顯著簡化，降低了車輛成本，減輕了車架重量。但是，與四輪車輛相比，三輪車輛的行駛穩(wěn)定性較差，需降低車輛的整體重心，以及減小轉(zhuǎn)彎角度，以避免三輪車輛的側(cè)翻。

4 確定車架結(jié)構(gòu)

為了提高節(jié)能賽車的滑行性能，需提高車輪定位的精度，減少車架重量。在滿足駕駛員能夠乘坐的情況下，輪距和軸距越小，車架變形量就越小，車輪定位變化越小，同時車架重量也越輕。因此，賽車車架設(shè)計為輪距45mm，軸距180mm（如圖1）。整個車架為一個平面，相較空間車架，更能容易保證車輪定位精度，同時易于制作。參考貨車邊梁式車架，節(jié)能賽車車架設(shè)計為等腰梯形，更寬的前軸可以提高轉(zhuǎn)彎特性，減小賽車轉(zhuǎn)彎時的側(cè)翻傾向，從而提高行駛穩(wěn)定；將發(fā)動機(jī)后置，位于駕駛員的后背下，這樣顯著縮短了軸距，減少了縱向的彎曲變形；采用后輪驅(qū)動型式，發(fā)動機(jī)通過一條鏈條驅(qū)動后輪，可以獲得更大的驅(qū)動力。

圖1

5 受力分析

5.1 勻速行駛工況分析

賽車在勻速行駛中，車架承受來自自身質(zhì)量、駕駛員質(zhì)量、發(fā)動機(jī)質(zhì)量等載荷。設(shè)車架及附件重量m1為20 kg，駕駛員重量m2為50 kg，發(fā)動機(jī)總成重量m3為15 kg，則：

F1=m1×g = 20×9.8 = 196N （1）

F2 =m2×g =50×9.8 = 490 N （2）

F3 = m3×g = 15×9.8 = 147 N （3）

上面三式中：F1 為車架及附件引起的外部負(fù)載；F2 為駕駛員引起的外部載荷；F3 為發(fā)動機(jī)總成引起的外部載荷；g 為重力加速度。

以上各種力的和作為均布力施加在相應(yīng)承受桿上，通過Standard Earth Gravity 施加，結(jié)合實際工況模擬施加位移約束，各點的應(yīng)力和車架變形情況符合要求。

5.2 加速工況分析

賽車在加速行駛中，車架承受來自自身質(zhì)量、駕駛員質(zhì)量、發(fā)動機(jī)質(zhì)量等產(chǎn)生的慣性力。設(shè)車架及附件重量m1為20 kg，駕駛員重量m2為50 kg，發(fā)動機(jī)總成重量m3為15 kg，并對上一代節(jié)能賽車進(jìn)行測試，得出最大加速度為7 m/s2，通過計算得出自身質(zhì)量、駕駛員質(zhì)量及發(fā)動機(jī)質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力為：

F4 = m1×a =20×7 = 140 N （4）

F5 = m2×a =50×7 = 350 N （5）

F6 = m3×a = 15×7 = 105 N （6）

上面三式中：F4 為車架及附件重量引起的慣性力；F5為駕駛員引起的慣性力；F6為發(fā)動機(jī)總成重量引起的慣性力；a 為賽車的加速度。通過Standard Earth Gravity 施加，結(jié)合實際工況模擬施加位移約束，各點的應(yīng)力和車架變形情況符合要求。

6 結(jié)論

根據(jù)本田Honda中國節(jié)能競技大賽規(guī)則，節(jié)能賽車選用了經(jīng)濟(jì)性好，強度高的中碳鋼作為車架材料，對賽車車架進(jìn)行了輕量化設(shè)計，使其結(jié)構(gòu)簡單，強度高，并通過了實車路試檢驗，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

Lightweight Design of Energy-saving Racing Frame*

Liu Zhangqi, Fu Longhu, Wang Yi

( Luzhou Vocational and Technical College Mechanical Engineering College, Sichuan Quzhou 646000 )

According to the rules of Honda China Energy-saving Competition, the light weight design of racing frame is carried out from the aspects of material, wheel layout type and frame design, so as to realize the goal of energy saving and environmental protection.

Frame; Energy Conservation; Environmental Protection

U463.8

A

1671-7988(2019)08-156-02

U463.8

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1671-7988(2019)08-156-02

劉章棋（1982.11-），男，就職于瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，主要研究方向：汽車設(shè)計與維修。

論文用于瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級課題，名稱：節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。課題編號：K-1815。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.048