【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 發(fā)形式的一種探索。隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，也隨之進(jìn)入了一個(gè)以 “節(jié)能、環(huán)保、安全 ”為主題的全新汽車發(fā)展時(shí)期。這不僅順應(yīng)了對(duì)生活環(huán)境條件改善的要求，也符合建設(shè)低碳社會(huì)、低碳生活的原則 。地球是我們賴以生存的家園，保護(hù)地球是我們的責(zé)任。在資源緊張、溫室效應(yīng)加劇、極端天氣頻發(fā)的條件下。開發(fā)節(jié)能車已被各國(guó)重視，很多國(guó)家、科研所和大學(xué)投入專項(xiàng)資金用于研發(fā)節(jié)能車。 我國(guó)是一個(gè)能源資源相對(duì)缺乏的國(guó)家，隨著當(dāng)前我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和汽車工業(yè)的快速發(fā)展 , 以及由此帶來(lái)的能源消耗和環(huán)境問(wèn)題的日益突出 , 交通節(jié)能減排工作的重要性不斷增加 ,而汽車節(jié)能減排則又是其中的重要組成部分 , 重要性不言而喻。國(guó)家 “十一五 ”規(guī)劃和 “十七大 ”都對(duì)汽車的節(jié)能減排提出了要求，并將發(fā)展新能源汽車、節(jié)能汽車等政府策略逐 漸上升為國(guó)家戰(zhàn)略。 考慮到我國(guó)當(dāng)前汽車節(jié)能技術(shù)發(fā)展的實(shí)際情況 , 除了推行節(jié)能惠民車型并已著手限制汽車的排量，并已積極推進(jìn)以混合動(dòng)力、燃料電池、先進(jìn)柴油、醇類汽車等為代表的新能源汽車技術(shù)的研發(fā)力度，為了響應(yīng)國(guó)家的號(hào)召及適應(yīng)全球?qū)π履茉雌嚨男枨螅?8 一汽集團(tuán)、上汽集團(tuán)、長(zhǎng)安汽車以及清華大學(xué)、吉林大學(xué)、華南理工大學(xué)等企業(yè)和高校一直致力于汽車節(jié)能減排技術(shù)的研究。電控燃油噴射系統(tǒng)的普及，進(jìn)、排氣控制技術(shù)、柴油機(jī)電控技術(shù)的應(yīng)用以及電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車等的開發(fā)，比亞迪汽車、哈飛汽車、長(zhǎng)安汽車等在陸續(xù)研發(fā)出的電動(dòng)（出租）汽 車、混合動(dòng)力車；遼寧曙光汽車也已研發(fā)出電動(dòng)公交車，為我國(guó)新能源汽車行業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。另一個(gè)推進(jìn)汽車節(jié)能減排工作的措施就是大力研究開發(fā)適合我國(guó)現(xiàn)階段汽車行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀 ,以及適合大量在用汽車的高性能汽車節(jié)能產(chǎn)品。并通過(guò)各種場(chǎng)合及汽車大賽來(lái)宣傳新能源車型和節(jié)能車的重要性，用以控制日益增長(zhǎng)的碳排放量。 眾所周知，日本是一個(gè)自然資源極度缺乏的國(guó)家，因此在資源的利用以及新能源的研發(fā)方面都是極其重視并在一些節(jié)能技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位，單是汽車產(chǎn)業(yè)，日本汽車就以其良好的經(jīng)濟(jì)性風(fēng)靡全球。本田公司早在 20 世紀(jì) 80 年代便開始 創(chuàng)辦汽車節(jié)能大賽，已風(fēng)靡各國(guó)；豐田公司又研發(fā)了世界上為數(shù)不多的量產(chǎn)混合動(dòng)力車 ——普銳斯。同樣在汽車工業(yè)發(fā)達(dá)的歐美，汽車節(jié)能技術(shù)的研發(fā)始終被放在汽車發(fā)展問(wèn)題的最前沿，如外界廣泛所說(shuō)的大眾黃金組合 “TSI+DSG”技術(shù)。每年在歐美車展上，由歐美各大汽車廠商研發(fā)的新型環(huán)保概念車都有亮相，有些車型也已經(jīng)投產(chǎn)，其中大多數(shù)以電動(dòng)汽車為主，如由美國(guó)通用汽車公司旗下雪佛蘭品牌的科魯茲系列車型已研發(fā)出科魯茲電動(dòng)車。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已開始提倡使用電動(dòng)汽車用以緩解日趨緊張的全球能源供應(yīng)，不僅是新能源汽車，歐美也在大力發(fā)展傳統(tǒng)汽車的 節(jié)油技術(shù)，比如寶馬的Valvetronic 技術(shù)，與之相同的是日本本田的 VTEC 和豐田 VVT～ i，但這些技術(shù)仍未實(shí)現(xiàn)全電子控制，而且通常僅對(duì)進(jìn)氣門的升程和開閉時(shí)刻進(jìn)行控制，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、排氣控制技術(shù)仍有較大的開發(fā)潛力。發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)直噴技術(shù)等技術(shù)的研發(fā)，也為傳統(tǒng)汽車的節(jié)油技術(shù)的發(fā)展提供了參考。 研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)為全國(guó)大學(xué)生節(jié)能車比賽用車，要求車身長(zhǎng)小于 3m，自重小于 60kg，乘載 1 人，駕駛員重量小于 40kg， 1 公升汽油能行駛里程大于 300 公里，行駛速度大于50km/h，能夠 變速，要求零部件材質(zhì)輕，車身外形設(shè)計(jì)要求風(fēng)阻小，流線型好，即節(jié)油又美觀。應(yīng)在詳細(xì)分析節(jié)能車結(jié)構(gòu)形式及工作原理基礎(chǔ)上，完成總體方案的設(shè)計(jì)；利用 AutoCAD 完成大學(xué)生節(jié)能車二維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并進(jìn)行校核計(jì)算，分析大學(xué)生節(jié)能車制作工藝；利用三維建模軟件 Pro/E 和 CAITA 完成大學(xué)生節(jié)能車車架和車身的三維建模，并利用 Pro/E 進(jìn)行節(jié)能車的虛擬裝配；利用 ANSYS 軟件進(jìn)行有限元分析：主要包括對(duì)車架的靜力分析和模態(tài)分析并依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 9 研究方法 通過(guò)使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件對(duì)車身進(jìn)行曲率分析，車架 進(jìn)行靜力學(xué)及模態(tài) 分析，可以詳細(xì)了解到車身設(shè)計(jì)是否符合要求，方便改進(jìn)車身設(shè)計(jì)的不足。通過(guò) ANSYS 有限元分析軟件分析對(duì)車架進(jìn)行靜力學(xué)分析可以找出車架設(shè)計(jì)的缺陷，便于改進(jìn)車架。使車身及車架整體性能得倒提升，達(dá)到設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。從而分析出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行改進(jìn)；同時(shí)對(duì)于一些不需要的部件則采取棄用的辦法從而達(dá)到設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化。擬采用的技術(shù)流程如下 圖 所示 。 調(diào) 研 、 收 集 資 料初 定 設(shè) 計(jì) 方 案車 架 設(shè) 計(jì)節(jié) 能 車 二 維 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)車 身 造 型 設(shè) 計(jì)節(jié) 能 車 二 維 結(jié) 構(gòu) 校 核是 否 合 理N零 部 件 的 選 取合 理 性 分 析確 定 最 終 設(shè) 計(jì) 方 案節(jié) 能 車 制 作 工 藝 的 分 析Y三 維 實(shí) 體 建 模NA N S Y S 車 架 模 態(tài) 分 析干 涉 檢 查N撰 寫 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)P r o / E 裝 配A N S Y S 靜 力 學(xué) 分 析C A T I A 車 身 建 模P r o / E 車 架 建 模是 否 合 理是 否 合 理YYC A T I A 車 身 曲 率 分 析P r o / E 進(jìn) 行 整 車 重 量 、 重 心 、 慣 性 矩 等 分 析 圖 技術(shù)流程 10 第 2章 節(jié)能車整車設(shè)計(jì)方案 大學(xué)生節(jié)能車是由 大學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)的一款節(jié)能競(jìng)技的整車。 為了使 節(jié)能車 能夠正常運(yùn)行，要求在 配置上 要 具有整車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng) ，由車輪支撐車體在地面運(yùn)行并由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)系驅(qū)動(dòng) 車輛 并且能夠變速，車輛 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 控制節(jié)能車轉(zhuǎn)向 。 節(jié)能車同樣需要車身保護(hù)駕駛員，降低節(jié)能車所受阻力。對(duì)于車身要求外形流線、美觀。節(jié)能車在配置及操縱上 。在材料的選取上要了考慮到車架及車身的 選材的成本及其 輕量化。 車輪配置 前一后二 這種布置形式類似于日常生活中所見(jiàn)到的三輪車。在設(shè)計(jì)制作過(guò)程中容易利用自行車部件從而減低了制作難度，節(jié)省制作時(shí)間，而且駕 駛構(gòu)造比較簡(jiǎn)單。但行使穩(wěn)定性較差，尤其是轉(zhuǎn)向行駛穩(wěn)定性，會(huì)降低節(jié)能車的行駛安全性。 如圖 所示 。 圖 車輪布置形式前一后二 前二后二 類似于常見(jiàn)的四輪轎車。優(yōu)點(diǎn)為有較好的行駛穩(wěn)定性，但在以節(jié)能為主要目的的競(jìng)技大賽中，這種布置方案的缺點(diǎn)更為突出。 首先，由于接地面積較大，提高了車輛在行駛過(guò)程中的行駛阻力。其次，構(gòu)造的復(fù)雜度會(huì)明顯提高，同時(shí)也影響整車的質(zhì)量。 如圖 所示 。 11 圖 車輪布置形式為前二后二 前二后一 其優(yōu)點(diǎn)為在保證較小的行駛阻力的前提條件下，能夠很好的保 證行駛的穩(wěn)定性，從而提高了節(jié)能車的安全性。 如圖 所示 。 圖 車輪布置形式為前二后一 綜合上述結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，在節(jié)能為主的前提條件下，又要同時(shí)保證良好的操縱性和行駛安全性。因此確定節(jié)能競(jìng)技車的車輪布置形式為前二后一的布置形式。 車架結(jié)構(gòu) 根據(jù)車輪的配置方案，選取適合的車架材料和結(jié)構(gòu)。 12 因?yàn)檐嚰苜|(zhì)量的大小在一定程度上影響油耗，而且所選材料以及結(jié)構(gòu)的合理性對(duì)車輛的安全性有著很大的影響，在車架材料和結(jié)構(gòu)方案的確定過(guò)程中應(yīng)同時(shí)考慮到 小巧、輕便、結(jié)實(shí)、安全 等因素。 車架設(shè)計(jì)要求： 1） 具有足 夠的強(qiáng)度，保證在比賽期間的任務(wù)工況下，車架的主要零部件不因?yàn)槭芰Χ茐摹? 2） 具有足夠的抗彎剛度、扭轉(zhuǎn)剛度，以免車架上的總成因變形過(guò)大而早期損壞或失去正常能力。 3） 車架重量要輕，在保證強(qiáng)度、剛度的前提下，車架的自身質(zhì)量，應(yīng)盡可能小，以減小整車整備 質(zhì)量。 車架結(jié)構(gòu)形式基本上有三種：邊梁式、中梁式（脊骨式）車架、綜合式車架。 邊梁式車架 由兩根位于兩邊的縱梁及若干根橫梁組成，用鉚接法或焊接法將縱梁與橫梁連接成堅(jiān)固的剛性構(gòu)架。其特點(diǎn) ：便于安裝駕駛室、車廂及一些特種裝備和布置其他總成，有利于改裝變 型 車和發(fā)展多品種汽車上。 如圖 所示 。 圖 邊梁式車架 中梁式車架 只有一根位于中央貫穿前后的縱梁，故稱為脊骨式車架。這種結(jié)構(gòu)的車架有較大的扭轉(zhuǎn)剛度，使車輪有較大空間。其優(yōu)點(diǎn)：車輪有加大的運(yùn)動(dòng)空間，便于采用獨(dú)立懸架，可提高汽車的越野性與同噸位貨車相比，其車架較輕，減少了整車質(zhì)量；同時(shí)重心較低，因此行駛穩(wěn)定性好；車架的強(qiáng)度和剛度較大；脊梁還能起封閉傳動(dòng)軸的防塵套作用。但這種車架的制作工藝復(fù)雜，精度要求高，給保養(yǎng)和修理帶來(lái)諸多不便。 如 13 圖 所示。 圖 中梁式車架 綜 合式車架 又稱復(fù)合式車架。他同時(shí)具有中梁式和邊梁式車架的特點(diǎn)。車架的前后部均近似邊梁式結(jié)構(gòu)，而中部采用脊梁式結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)使中部抗扭剛度大，地板高度低，但地板中間往往形成大鼓包，影響乘坐舒適性，加工工藝復(fù)雜，應(yīng)用不廣泛。 由于節(jié)能車載荷小，行駛路面狀況較好，因此車架選用邊梁式整體結(jié)構(gòu)。由于車架內(nèi)部要有一定的容積，便要求車架本身結(jié)構(gòu)不能太復(fù)雜，采用邊梁式結(jié)構(gòu)可以節(jié)約大量的空間。在承受扭矩時(shí)，縱梁和橫梁同時(shí)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，避免應(yīng)力集中。 如圖 所示 。 圖 綜合式車架 轉(zhuǎn)向方案的確定 考慮到車輛 的結(jié)構(gòu)形式并結(jié)合所設(shè)計(jì)車輛的特殊性及比賽場(chǎng)地因素。 常見(jiàn)節(jié)能車轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu) 如下。 14 這種結(jié)構(gòu)形式很簡(jiǎn)單，它是以整個(gè)車軸作為轉(zhuǎn)向裝置 ，車架也可以設(shè)置的較低。但要使左右車輪完全平行進(jìn)行的定位調(diào)整很難，在轉(zhuǎn)小彎時(shí)，車軸會(huì)發(fā)生很大的移動(dòng)。雖然結(jié)構(gòu)形式制作方面較為簡(jiǎn)單，但在實(shí)際駕駛操作方面明顯存在弊端。 如圖 所示 。 圖 中央支撐式 （梯形結(jié)構(gòu)） 這種結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但與前輪定位的調(diào)整較為輕松，即使大幅度轉(zhuǎn)方向盤，車輪也不會(huì) 大幅度前后移動(dòng)。其中兩轉(zhuǎn)向臂的角度理想的情況應(yīng)該保證 兩前輪中心 易與后輪中心連接成線，為降低轉(zhuǎn)向系統(tǒng)復(fù)雜程度，同時(shí)又能保證具有足夠的轉(zhuǎn)向能力。 如圖 所示 。 圖 梯形結(jié)構(gòu) 發(fā)動(dòng)機(jī)布置、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)傳 動(dòng)方案 發(fā)動(dòng)機(jī)常用布置方式有三種：前置式發(fā)動(dòng)機(jī)、后置式發(fā)動(dòng)機(jī)、中置式發(fā)動(dòng)機(jī)。在節(jié)能車上所采用的常為后置式發(fā)動(dòng)機(jī)。前置式發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)車身設(shè)計(jì)要求有所提高，將使 15 駕駛員座位高度升高，不利于降低風(fēng)阻系數(shù)及造型美觀。也會(huì)使前軸載荷增大，不利于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的布置，也會(huì)影響車輛行駛穩(wěn)定性。中置式發(fā)動(dòng)機(jī)亦然。由于后輪為驅(qū)動(dòng)輪，在設(shè)計(jì)傳動(dòng)系時(shí)會(huì)影響整 車車重。后置式發(fā)動(dòng)機(jī)便于轉(zhuǎn)向系統(tǒng)布置，使底盤降低，有利于減小迎風(fēng)面積，有效降低風(fēng)阻，且駕駛員視野開闊。便于后輪的動(dòng)力輸出。 傳動(dòng) 方案 軸驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)形式的優(yōu)點(diǎn)為傳動(dòng)效率較高，缺點(diǎn)為由于采用后一輪的車輪布置方式，因此會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)心偏離車輛的中心線。 如圖 所示 圖 軸驅(qū)動(dòng) 鏈傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)效率沒(méi)有軸傳動(dòng)的傳動(dòng)效率高，由于摩托車本身采用鏈傳動(dòng)，因此在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中更加容易實(shí)現(xiàn)。 如圖 所示 圖 鏈驅(qū)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)方法的確定由于在發(fā)動(dòng)機(jī)方面沒(méi)有進(jìn)行較大的改造，因此采 用了較為保守的鏈傳動(dòng)形式，基本借鑒與摩托車的傳動(dòng)形式。由于輪胎確定為前二后一的布置形式，如果采用前驅(qū)的方案將會(huì)使設(shè)計(jì)制造的復(fù)雜程度增加，所以決定采取后驅(qū)的驅(qū)動(dòng)形式。一方面后一輪驅(qū)動(dòng)不用涉及差速器等方面的考慮，另一方面也前兩輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式也會(huì)簡(jiǎn)便許多，同時(shí)也達(dá)到了減小整車質(zhì)量的目的。為了降低節(jié)能車車重，選擇鏈傳動(dòng)。能夠省去布置結(jié)構(gòu)復(fù)雜的傳動(dòng)系（萬(wàn)向節(jié)類的）。變速機(jī)構(gòu)擬采用摩托車式變速方法，即通過(guò)手柄的旋轉(zhuǎn)控制界氣門開度達(dá)到變速作用。 節(jié)能車由發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出動(dòng)力經(jīng)由變速機(jī)構(gòu)到達(dá)發(fā)動(dòng)機(jī)外部的主動(dòng)鏈輪，接著由傳動(dòng)鏈傳動(dòng)從動(dòng)鏈輪，最后通過(guò)分離式離合器到達(dá)驅(qū)動(dòng)車輪。 16 輪胎選擇 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，輪胎的選取也是十分重要的環(huán)節(jié)。輪胎不但影響著車輛在行駛中的滾動(dòng)阻力，還影響著車輛在行駛中穩(wěn)定性，因此在選取過(guò)程中要注意行駛阻力和行駛穩(wěn)定性的均衡。在過(guò)往的比賽中，輪胎的種類基本分為一下幾 類。 20英寸節(jié)能車專用輪 20 英寸節(jié)能車專用輪是由德國(guó) 大陸 集團(tuán) 馬牌輪胎 提供的專業(yè)低滾動(dòng)阻力輪胎， 如圖 所示 。 圖 20 英寸節(jié)能車專用輪 20英寸自行車專用胎 采用自行車輪胎是要注意的一點(diǎn)為 自行車在行駛過(guò)程中車輪和車軸是不受側(cè)向力作用的，但是在節(jié)能車的結(jié)構(gòu)形式中，車輪和車軸是要受到側(cè)向力作用的。因此所選的車輪的車軸必須要有足夠的強(qiáng)度。 如圖 所示 。 圖 20 英寸自行車專用胎 26英寸管式輪胎 車輪直徑選取過(guò)大會(huì)造成側(cè)向力作用在車軸上的力臂加大，所以在選取較大致敬的車胎時(shí)應(yīng)注意保證車軸的強(qiáng)度。 如圖 所示 。 17 圖 26 英寸管式輪胎 12英寸輪胎 選取直徑較小的輪胎可以在一定程度上減小空氣阻力。 如圖 所示 ； 圖 12 英寸輪 胎 綜合考慮以上幾種輪胎形式，最終采用 20 英寸的自行車專用胎?？紤]到降低滾動(dòng)阻力的同時(shí)保證足夠的附著系數(shù)，三個(gè)輪胎均使用高氣壓輪胎，目的在于減小接地面積。后輪采用較寬的車胎其主要原因?yàn)轵?qū)動(dòng)方案定為后輪驅(qū)動(dòng)，保證獲取足夠的驅(qū)動(dòng)力。 當(dāng)車輪在地面上滾動(dòng)時(shí)，地面的出現(xiàn)使流場(chǎng)發(fā)生變化，升力變成正值，并且由于尾渦相對(duì)較大，阻力也更大。從車輪完全暴露在氣流中的一級(jí)方程式賽車上測(cè)出的氣動(dòng)阻力來(lái)看，