節(jié)能賽車總體布置設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告

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開(kāi) 題 報(bào) 告文 獻(xiàn) 綜 述 1 概述在汽車行業(yè)日益發(fā)展、競(jìng)爭(zhēng)愈發(fā)激烈，節(jié)油與環(huán)保已是關(guān)乎車企命運(yùn)的核心問(wèn)題?，F(xiàn)如今世界石油消耗量逐年增加，全球從 1970 的 23 億噸提升到了 2009 年的 35 億噸[1]Honda 環(huán)?；顒?dòng)是依據(jù)創(chuàng)始人本田宗一郎提出的“如何有效利用有限資源，不破壞公共環(huán)境，為子孫后代造福，所有行動(dòng)要以此為準(zhǔn)繩”的最初宗旨開(kāi)展的。大賽競(jìng)技 1升油能行駛多少公里，挑戰(zhàn)節(jié)油極限。大賽要求參賽車輛統(tǒng)一搭載 Honda 低油耗汽油4 沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，行駛速度要求在 25km/h 以上，車輛其余部分完全由各參賽車隊(duì)發(fā)揮想象獨(dú)立創(chuàng)作。通過(guò)參加 Honda 節(jié)能競(jìng)技大賽，不僅可以提高社會(huì)的節(jié)能和環(huán)保意識(shí)，更為重要的是，參賽車隊(duì)通過(guò)各自獨(dú)創(chuàng)技術(shù)不斷深挖 1 升汽油的無(wú)限潛能，深刻體會(huì)創(chuàng)新技術(shù)在節(jié)能方面的重要意義。2 節(jié)能車設(shè)計(jì)在燃油組的比賽中，參賽車輛要想取得好成績(jī)必須在輕量化、空氣阻力和節(jié)油等環(huán)保技術(shù)上有所突破。本文結(jié)合實(shí)際參賽經(jīng)驗(yàn)和與其他車隊(duì)的交流所得，主要從發(fā)動(dòng)機(jī)、行駛系、傳動(dòng)系及制動(dòng)系等方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。圖 1 為節(jié)能車內(nèi)部構(gòu)造。圖 1 節(jié)能車內(nèi)部構(gòu)造2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)改造參賽使用的發(fā)動(dòng)機(jī)由 Honda 統(tǒng)一提供。它作為車輛的“心臟” ，對(duì)提高車輛動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性起著至關(guān)重要的作用，也是我們實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破的一個(gè)核心環(huán)節(jié)。小組綜合考慮了減輕車重、減少摩擦阻力、啟動(dòng)便捷、充分進(jìn)氣以提高燃燒效率等因素，最終達(dá)到節(jié)油的目的。2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)類型選擇雖然電噴系統(tǒng)可以根據(jù)車輛狀況，在不同的工況下自動(dòng)調(diào)節(jié)噴油量多少，但在實(shí)際比賽中車速一般在 25~30km/h 范圍內(nèi)，不能達(dá)到普通摩托車的經(jīng)濟(jì)車速，因此我們必須要對(duì)摩托車電噴系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其次，雖然電噴系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴油量，但是在車輛滑行過(guò)程中只要沒(méi)有關(guān)閉點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，噴油器始終在噴油。結(jié)合比賽場(chǎng)地特點(diǎn)，參賽車輛在比賽過(guò)程中有很長(zhǎng)一段路程需要滑行，反而增加了油耗量。綜合上述問(wèn)題及實(shí)踐中對(duì) 2 種類型發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的對(duì)比，在不能夠準(zhǔn)確調(diào)節(jié)控制參數(shù)的情況下，使用傳統(tǒng)化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)是更好的選擇。2.2 底盤(pán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下,底盤(pán)是參賽車燃油經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、制動(dòng)性能能否有效達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的關(guān)鍵 [2].2.2.1 行駛系統(tǒng)（1）車架設(shè)計(jì)車架用來(lái)支承全車重量，選用的材料不僅要滿足車輛行駛過(guò)程中對(duì)強(qiáng)度和剛度的要 要求，質(zhì)量輕，才能達(dá)到節(jié)油的目的。所以一般參賽車輛多選用碳纖維或者鈦合金材料做 做車架。采用邊梁式平行梯形車架結(jié)構(gòu)，由 2 根左右分開(kāi)的縱梁和 4 根根橫梁組成，車架 架材料 為變形鋁合金管材，并對(duì)其 CAE 進(jìn)行了分析優(yōu)化 [ 3 ]。另外設(shè)計(jì)車架時(shí)必須充分考 考慮到整個(gè) 車輛的布置，如發(fā)動(dòng)機(jī)的位置及安置方向、輪距、軸距等。同時(shí)還要方便車 車輪的拆裝，以便輪胎發(fā)生故障時(shí)及時(shí)拆卸檢修。（（2）賽車車架設(shè)計(jì)的規(guī)則對(duì)車輛尺寸要求如下（圖 3 所示）：全高 a≤1.8m；軸距 b≥1.0m；全長(zhǎng) c≤3.5m；輪距 d≥0.5m；全寬 e≤1.7m；排氣管不能超出車身后面 f≥10cm[1]。 圖 3 車輛外觀尺寸圖（3）車架模型的建立對(duì)車架進(jìn)行有限元建模 [4]，由于車架的模型較為簡(jiǎn)單 ，通過(guò) CATIA 中的數(shù)模 ，取各關(guān)鍵點(diǎn)三維坐標(biāo)，直接選取車架的節(jié)點(diǎn)，在 ANSYS 中建模 [5]，這種建模方式可很好地對(duì)選取的單元節(jié)點(diǎn)施加載荷和約束，并且不需要對(duì)模型進(jìn)行處理，方便分析計(jì)算。選取 Beam188 作為單元類型。 由于 Beam188 單元沒(méi)有實(shí)常數(shù)， 選擇在 Section 中直接定義截面屬性，車架選擇了三種不同截面的型材，其斷面尺寸（長(zhǎng)×寬×壁厚）分別為 40×30×3，40×20×2，及 20×20×2（單位為 mm） ，最后得到有限元模型如圖 5 所示。車架屬于薄壁型桿，采用三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于 Beam188 單元?jiǎng)澐值牧焊?，還需進(jìn)行局部網(wǎng)格劃分控制，對(duì)重要節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格細(xì)分，最后自由網(wǎng)格劃分得到網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)據(jù)共 216 個(gè)節(jié)點(diǎn) [6-8]。（2）車輪參賽車輛多為前兩輪后一輪，后輪為驅(qū)動(dòng)輪。這樣的設(shè)計(jì)使車輛構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于制作，行駛時(shí)穩(wěn)定性好且阻力小。要想在比賽中取得好成績(jī)，車手不可能一直加油門(mén)，而是需要將油門(mén)加到一定程度后熄火滑行并且滑行時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加速時(shí)間，同時(shí)還要滿足平均車速不得低于 25km/h 的要求。這就需要車輛在無(wú)動(dòng)力時(shí)具有良好的滑行能力，對(duì)車輪的選擇提出了更高的要求。車輪一般采用山地自行車輪胎，輪轂通常由合金材料制成，多以鋁為基本材料，重量輕，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的變形小，慣性阻力小，散熱能力強(qiáng)，有利于提高汽車的直線行駛性能，減輕輪胎滾動(dòng)阻力。兩前輪均采用 20 英寸德國(guó)馬牌防刺光頭細(xì)外胎、后輪則采用 20 英寸德國(guó)馬牌防刺光頭寬外胎 [ 9，10] 。2.2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是節(jié)能賽車上一個(gè)不可或缺的部分，它將發(fā)動(dòng)機(jī)所輸出的動(dòng)力穩(wěn)定可靠地傳遞給車輪 ［11］ 。常見(jiàn)傳動(dòng)方式有鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)以及軸傳動(dòng) 3 種形式。一方面，為了獲得較大的傳動(dòng)比，安裝在后輪上的輸出齒輪齒數(shù)較多。另一方面，軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要較大的安裝空間，所以為了盡可能減輕車重，參賽車輛多采用制作材料質(zhì)量輕的帶傳動(dòng)或鏈傳動(dòng)行動(dòng)力傳遞。文獻(xiàn) （12） 就采用了傳動(dòng)效率較高、不易打滑、方便制作的鏈動(dòng)。2.2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)車輛的行駛安全至關(guān)重要。文獻(xiàn) [13]開(kāi)發(fā)了基于 MATLAB 語(yǔ)言的節(jié)能競(jìng)技車雙梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析軟件，具有全局尋優(yōu)、簡(jiǎn)明實(shí)用的特點(diǎn)。節(jié)能賽車是一種三輪式創(chuàng)意賽車， 旨在通過(guò)對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，挑戰(zhàn)最低的能耗 ［14］ 。對(duì)于前兩輪后一輪的車輛，為了車輛輕量化的要求，我們選擇采用簡(jiǎn)單的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以駕駛員體力作為轉(zhuǎn)向能源。而對(duì)于前一輪后兩輪的車輛來(lái)說(shuō)，采用自行車前叉式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)即可滿足比賽要。原型車采用雙梯形結(jié)構(gòu),主要由轉(zhuǎn)向節(jié)、轉(zhuǎn)向橫桿、轉(zhuǎn)向拉桿以及轉(zhuǎn)向中心柱組成.車輛轉(zhuǎn)向時(shí),左右轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角理想公式為 cotα= cotβ+BL經(jīng)過(guò)比賽,從實(shí)際出發(fā),發(fā)現(xiàn)了在轉(zhuǎn)向系上有著一定的不足.轉(zhuǎn)向梯形等傳動(dòng)部件全部安裝在轉(zhuǎn)向橫桿上,從人機(jī)工程學(xué)上來(lái)講,轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常不利于駕駛員的進(jìn)出.本次改進(jìn)計(jì)劃將整個(gè)轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)降低到車架底部橫桿處,可以方便駕駛員的進(jìn)出;有利于駕駛員在駕駛時(shí)改變坐姿,提高駕駛員的舒適性;有利于選擇更小的前輪,以使車轉(zhuǎn)向時(shí)干涉范圍減小.原型車與改進(jìn)車轉(zhuǎn)向系對(duì)比,如 2 所示. （a）原車型轉(zhuǎn)向系 （b）改進(jìn)車轉(zhuǎn)向系圖 2 原型車與改進(jìn)車轉(zhuǎn)向系對(duì)比2.2.4 制動(dòng)系統(tǒng)傳統(tǒng)汽車上的行車制動(dòng)系統(tǒng)和駐車制動(dòng)系統(tǒng)雖然制動(dòng)效能較好，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大不便安裝，所以節(jié)能車的制動(dòng)系統(tǒng)大多仿照自行車剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)。自行車剎車系統(tǒng)常見(jiàn)的有懸臂剎、鉗剎、V 剎和碟剎等。碟剎的剎車效果會(huì)強(qiáng)大很多，但其安裝裝配、維護(hù)保養(yǎng)時(shí)相對(duì)復(fù)雜、重量大 [15]，V 剎的剎車效果好于懸臂剎。所以綜合整車的輕便性、制動(dòng)系統(tǒng)安裝位置以及賽場(chǎng)路面情況等影響因素，我們選擇質(zhì)量較輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于裝卸的 V 型剎車和鉗式剎車（后輪） 。2.3.2 車身室內(nèi)布置原型車設(shè)計(jì)中,由于沒(méi)有進(jìn)行過(guò)總布置設(shè)計(jì),在時(shí)間緊迫的情況下,邊設(shè)計(jì)、邊調(diào)整,造成賽車駕駛員駕駛姿態(tài)為坐姿,從而使車身造型沒(méi)有較好的空氣動(dòng)力性能.本次計(jì)劃降低整體車身高度,減小空氣阻力,駕駛員采用躺姿駕駛,盡量的使車廂內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊,如圖所示.從而達(dá)到減輕質(zhì)量,前橋設(shè)計(jì)細(xì)化以減少與車身的干涉.由于賽車駕駛的特殊要求前懸較長(zhǎng),但經(jīng)過(guò)動(dòng)力性的計(jì)算,軸荷分配是滿足要求的.室內(nèi)的布置選擇第五十百分位女性,人體姿態(tài)分析的重點(diǎn)著眼于人體模型的視野范圍以及人體模型的手伸及范圍的分析,如圖 3 所示,可以顯示視覺(jué)范圍,來(lái)驗(yàn)證人體姿態(tài)的合適性 [16].圖 3 車身布置輪廓線 3 結(jié)語(yǔ)筆者對(duì)節(jié)能車的上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)中還有很多可以改進(jìn)的地方，例如車架可以通過(guò)有限元分析進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)、通過(guò)更多試驗(yàn)選取最優(yōu)傳動(dòng)比等。希望可以對(duì)初次參加比賽的參賽者提供思路，與更多的人交流參賽經(jīng)驗(yàn)，也希望有越來(lái)越多的人參與到節(jié)能環(huán)保的事業(yè)。參考文獻(xiàn)：[1]吉林工業(yè)大學(xué)汽車教研室編.汽車設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013. 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SAE International,2013.開(kāi) 題 報(bào) 告２．本課題要研究或解決的問(wèn)題和擬采用的研究手段（途徑）： (1).研究解決的問(wèn)題：為了參賽車輛設(shè)計(jì)出外形美觀、空氣阻力小的車身，先從生活中汲取靈感，再進(jìn)行草圖手繪，并將手繪草圖導(dǎo)入 SolidWork 中繪制線框圖，然后使用二維轉(zhuǎn)三維的方法繪制車身三維模型，最后將模型導(dǎo)入 COSMOSFloWorks 中進(jìn)行流體分析。為了減少油耗，設(shè)計(jì)中了改進(jìn)方案，從而減少車身阻力。（2）.研究方案：　1.節(jié)能賽車外形設(shè)計(jì) 節(jié)能賽車外形設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于“海豚” ，模仿海豚的生物體態(tài)，出緊湊有序的車身部件使賽車具備優(yōu)良流線型的條件，更有利于節(jié)能。配合人體工程學(xué)有關(guān)知識(shí)，制定合理的長(zhǎng)度寬度、高度、駕駛座空間大小等，結(jié)合實(shí)際行駛環(huán)境，加入“底座包圍板件”的要素，目的是配合車身主體和底面擁有更順暢的氣體流動(dòng)環(huán)境，并根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)中低空氣阻力系數(shù)車身應(yīng)遵循的要點(diǎn)，設(shè)計(jì)出圖 4 所示車身方案。圖 42.應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué)對(duì)賽車車身進(jìn)行分析空氣動(dòng)力學(xué)指標(biāo)是汽車最重要的參數(shù)之一，它對(duì)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性等有著極其重要的影響。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)歷來(lái)是進(jìn)行汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究最傳統(tǒng)和有效的 方法，但風(fēng) 洞投資大、實(shí) 驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展而蓬勃興起的計(jì) 算 流體力學(xué) CFD（ComputationalFluidDy－namics）為汽車空氣動(dòng)力學(xué)的研究開(kāi)辟了新途徑。COSMOSFloWorks 是專為 SolidWorks 開(kāi)發(fā)的方便易用的流體分析軟件，它自動(dòng)將 SolidWorks 裝配體中的空腔設(shè)定為流體區(qū)域并自動(dòng)區(qū)別流體和其他各種實(shí)體區(qū)域。下面采用 COSMOSFloWorks 對(duì)上述車身設(shè)計(jì)進(jìn)行流體分析。3.改進(jìn)方案： 該方案將從前輪底板處流過(guò)的空氣，經(jīng)過(guò)車身上的導(dǎo)流口導(dǎo)入車體內(nèi)部。這樣不僅便于空氣流動(dòng)，還可以給發(fā)動(dòng)機(jī)散熱，可謂一舉兩得。該方案的外形設(shè)計(jì)如圖 5 所示，導(dǎo)流口位于車身大包圍內(nèi)部（如圖 6 所示，大包圍內(nèi)部的方框即為導(dǎo)流口） 。由于該模型復(fù)雜，在分析時(shí)只選取車體的一半進(jìn)行分析，最后將其結(jié)果擴(kuò)大至 2 倍。從圖 6 所示賽車外部流速分布可以看出：空氣流經(jīng)導(dǎo)流口，達(dá)到了給發(fā)動(dòng)機(jī)散熱的目的；車身內(nèi)部的擾流較嚴(yán)重。可以預(yù)測(cè)，合適的導(dǎo)流口形狀將會(huì)減小該方案的阻力。由表 1 所示數(shù)值分析結(jié)果可知該車阻力為 9.021N，將該阻力放大至 2 倍后，其阻力并不小。但該車在設(shè)計(jì)車體內(nèi)部導(dǎo)流口時(shí)未作進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。筆者相信，該改進(jìn)方案在高速情況下具有研究意義。該方案中賽車迎風(fēng)面積增大，而節(jié)能賽車速度并不高，且空氣阻力與車速的二次方成正比，在低速條件下，迎風(fēng)面積會(huì)對(duì)阻力有很大影響。圖 5 改進(jìn)方案外形設(shè)計(jì)圖 6 改進(jìn)方案外部流速設(shè)計(jì)（m/s）表 1 改進(jìn)方案數(shù)值分析結(jié)果3.結(jié)論綜合上述方案，選取縱向阻力最小的方案一作為最終方案。經(jīng)分析，該模型的阻力較之前增加將近 2N，達(dá)到 9.41N。設(shè)計(jì)的 5 種方案，代表了實(shí)際節(jié)能賽車車身設(shè)計(jì)過(guò)程中的幾種思路，可以為參賽者設(shè)計(jì)和改進(jìn)賽車提供參考。上述設(shè)計(jì)也存在不足之處，例如改進(jìn)方案中導(dǎo)流口的設(shè)計(jì)未進(jìn)一步優(yōu)化。賽車的車身設(shè)計(jì)并不局限于該文所列舉的方法，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，車身的阻力值將會(huì)越來(lái)越小。開(kāi) 題 報(bào) 告指導(dǎo)教師意見(jiàn)：指導(dǎo)教師： 年 月 日所在系審查意見(jiàn)：系主任： 年 月 日