周洋，伍瑩召，王飛

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

Honda 中國(guó)節(jié)能競(jìng)技大賽EV 組（電動(dòng)組別）比賽是使用大賽指定電池的原創(chuàng)車輛參賽，通過動(dòng)手制作車輛，挑戰(zhàn)節(jié)能極限的競(jìng)技賽事。比賽給定的電池為12V2AH 的18650電池2 塊。在時(shí)速不低于25km/h 的前提下，行駛距離最遠(yuǎn)者即為節(jié)能競(jìng)技比賽的最終獲勝方。電動(dòng)組別節(jié)能賽車設(shè)計(jì)于普通電動(dòng)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(dòng)機(jī)三大部分組成。由于電池是賽事組委會(huì)統(tǒng)一提供，電機(jī)均為購(gòu)買。因此，輕量化設(shè)計(jì)和低風(fēng)阻外形成為各比賽車隊(duì)關(guān)注的焦點(diǎn)，也是未來(lái)節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展方向。汽車節(jié)能減排的一個(gè)重要方向是降低汽車質(zhì)量。外殼的重點(diǎn)在于造型美觀、流線水滴型設(shè)計(jì)和合適的空氣阻力系數(shù)。

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

1 總體布置形式

在充分考慮了賽車制作的簡(jiǎn)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(duì)節(jié)能競(jìng)技賽車的總體布置形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。本田節(jié)能競(jìng)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(shí)，還需要保證所設(shè)計(jì)的賽車既有良好的操縱穩(wěn)定性又有絕對(duì)的駕駛安全性。所設(shè)計(jì)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(jì)

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(shí)，若前輪轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向偏轉(zhuǎn)角相等，則會(huì)導(dǎo)致后車輪與前車輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心不同，這種情況下車輛會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑現(xiàn)象，導(dǎo)致輪胎磨損嚴(yán)重，反作用與汽車致使行駛阻力過大，不利于節(jié)省動(dòng)力以及電能。所以，需要計(jì)算選擇出最優(yōu)的梯形轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)參數(shù)。達(dá)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(zhǎng)m 以及底角計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)的節(jié)能賽車的車架和傳動(dòng)系統(tǒng)，測(cè)得節(jié)能賽車的軸距為1660mm,兩側(cè)主銷軸線與地面相交點(diǎn)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(jì)

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(jì)。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(qiáng)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(qiáng)度要求。由于比賽場(chǎng)地為已定（廣東國(guó)際賽車場(chǎng)）該場(chǎng)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(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)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(jì)重點(diǎn)減少車架的重量，同時(shí)要考慮滿足基本的剛度強(qiáng)度要求。先用CATIA 對(duì)車架進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，然后進(jìn)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(shí)路面狀況良好，在分析剛度時(shí)就省去了很多麻煩，可以忽略車輛動(dòng)載工況，而僅需要對(duì)靜載工況進(jìn)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(shí)又保證車架的強(qiáng)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(dòng)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(jì)

為了最大限度地減小空氣阻力，車身設(shè)計(jì)決定采用水滴型汽車造型設(shè)計(jì)。首先采用CATIA 的曲面造型對(duì)車身進(jìn)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(yùn)用CATIA 的光順度處理功能對(duì)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(jì)完成后，還需要駕駛員的視野范圍進(jìn)行校核，Honda 節(jié)能競(jìng)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(jì)數(shù)據(jù)可知，駕駛?cè)说淖笥乙曇霸O(shè)計(jì)范圍為110°，滿足設(shè)計(jì)要求。

在完成視野校核后，還需要進(jìn)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(yùn)動(dòng)干涉，檢驗(yàn)車身外殼設(shè)計(jì)是否滿足需求，還需要模擬在轉(zhuǎn)向時(shí)車身外殼是否會(huì)干涉車輪需要的運(yùn)動(dòng)空間。第一次模擬時(shí)出現(xiàn)了干涉的情況，在對(duì)車身外殼進(jìn)行調(diào)整后再次進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果表明不存在干涉，設(shè)計(jì)達(dá)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(dá)95%以上，具有高強(qiáng)度、高模量的優(yōu)點(diǎn)。碳纖維還具有外柔內(nèi)剛的特性，其質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于金屬鋁但強(qiáng)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(qiáng)聚合物基復(fù)合材料有足夠的強(qiáng)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(jì)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(gè)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(jìn)行固定的粘合，黏合好以后再進(jìn)行打磨噴漆，最終成型。

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)的第一考慮要素就是設(shè)計(jì)的可加工性，在設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)物之前在三維軟件上就得到了解決。當(dāng)今社會(huì)，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為社會(huì)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(shì)。節(jié)能競(jìng)技大賽的宗旨在于“節(jié)能競(jìng)技大賽的宗旨在于，讓肩負(fù)著人類未來(lái)的年輕人通過思考和實(shí)踐來(lái)體會(huì)如何更有效地利用資源,如何把我們生存的這個(gè)星球更完好地傳遞給下一代”。