本田节能大赛节能车设计.doc

常州机电职业技术学院 毕业设计（论文） 作 者： 何光亮 学 号： 31230201 系 部： 车辆工程系 专 业： 汽车电子技术 题 目： 本田节能竞技大赛节能车设计 校内指导教师：郑利锋 企业指导教师吴翔 评阅者： 2015 年 4 月 毕业设计（论文）中文摘要 随着近年来社会环境越来越差，污染越来越严重。能源节约，环境保护问 题也就经渐渐受到人们越来越多的关注。自然资源日渐减少尤其是石油资源这 些都预示着当今的汽车发招必须以节能为主题。根据Honda中国节能竞技大赛的 大赛规则，我们在满足大赛技术要求的基础上要对发动机底盘进行优化设计， 要对整车进行轻量化设计，同时减小车辆行驶的阻力。这就需要对节能车的行 驶系统、转向系统、动力系统等各系统以及车身、车架、驾驶员作合理的设计 选择。 关键词关键词：节能、轻量化、底盘 目录目录 第一章 绪论 .1 1.1 选题的背景及意义.1 1.1.1 选题背景.1 1.1.2 选题的意义及目的.2 1.2 论文的主要研究内容.3 第二章节能竞技车总体设计方案确定 4 2.1 总体布置形式的确定.4 2.1.1 前一轮后两轮.4 2.1.2 前两轮后两轮.5 2.1.3 前两轮后一轮.5 2.2 车架的材料及结构方案 .6 2.3 驱动方案 .7 2.3.1 轴传动如图.7 23.2 链传动 .8 2.3.3 同步带传动 8 2.4 轮胎 9 2.5 转向方案 .11 2.6 车身材料 .13 第三章 节能车油耗分析研究 .14 3.1 传动效率为常数时的节能车油耗分析 .14 3.2 影响燃油经济性的因素 .16 第四章节能车节能设计 .18 4.1 节能车车架节能设计 .18 4.2 关于车架材料的选择21 4.2.1 车架载荷工况的确定及受力分析 .21 4.2.2 车架载荷工况的确定 .21 4.3 车架的焊接工艺 .25 4.4 节能车车架制作 .25 4.5.1 大赛规则对发动机的要求 .26 4.5.2 发动机参数介绍 .26 4.5.3 发动机节能的理论 .26 4.5.4 节能技术的开发 .27 4.5.5 进气部分 .28 4.5.6 燃烧部分的节能技术 .29 4.5.7 保温对油耗的研究 .29 4.5.8 新技术的应用 .29 4.6 节能车车身的节能研究制作30 4.6.1 节能车车身设计与制作30 4.6.2 车身外形设计30 4.6.3 车身制作31 第五章节能车动力传动系统的研究 .32 5.1 离合器工作状态的确定 .32 5.2 带传动传动比的确定 .33 5.3 发动机档位选取及改造 .34 第六章 节能车试制试验 35 第七章 总结 36 7.1 总结36 7.2 展望36 致 谢 .37 参考文献 .38 1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 选题的背景及意义选题的背景及意义 1.1.1 选题背景 本田节能竞技大赛是将参赛团队设计制作的汽车在规定时间、规定路线下, 行驶一定距离,并由此换算出一升油能够行驶的公里数,耗油量少则胜出的一项 赛事。其中要求参加比赛的车辆均搭载由五羊本田提供的 125CC 化油器四冲程 发动机。 Honda 节能竞技大赛于 1981 年在日本创办,至今已有 35 年的历史。比赛要 求参赛车辆使用统一的 Honda 低油耗汽油发动机,发动机以外的车架和车身等完 全由各车队独自创作,每支参赛队带来的都是世界上独一无二的赛车。赛车在指 定的赛道内跑完赛程,比赛谁消耗的燃油最少。由于有着极高的乐趣性和广泛的 参与性,在日本,每年都有来自初中、高中和大学等的学校代表队、企业代表队, 以及来自社会上的共约 500 支车队,创作出具有新颖构思和创意的赛车参加比赛。 在迄今为止的 33 届比赛中创下的最高记录为 3779.638km/L 相当于北京到重庆 的直线往返距离还要多。同时,这项比赛也逐渐向海外扩展,泰国、巴基斯坦、 俄罗斯、韩国等的参赛者相继参加了日本的比赛,上海同济大学也从 2000 年开 始制作赛车去日本参赛。 中国作为继日本泰国之后的第三个举办地,于 2006 年在上海举行了试行大 赛,2007 年 11 月 11 日,第 1 届 Honda 中国节能竞技大赛在上海国际赛车场圆满 举行,2008 年 11 月 16 日,第 2 届 Honda 中国节能竞技大赛在上海国际赛车场胜 利举办。常州机电职业技术学院 2013 年首次参加到这项赛事中来,在 2013 年第 7 届 Honda 中国节能竞技大赛中,常州机电职业技术学院锋帆号跑出了 81.551km/L 的成绩。 Honda 节能竞技大赛的目的是通过比赛提高社会的节能和环保意识,参赛车 队通过各项独创技术不断挖掘一升汽油的无限潜能,从中体会到节能的重要性。 同时,比赛也为参赛者提供体验亲手制作赛车的乐趣的机会,提高实践能力。 Honda 创始人本田宗一郎曾说：“节能竞技大赛的宗旨在于，让肩负着人类未 2 来的年轻人通过思考和实践来体会如何更有效地利用资源,如何把我们生存的这 个星球更完好地传递给下一代。 ” 节能、环保是 Honda 一直致力解决的重要课题之一。在产品领域,Honda 通 过燃料电池、混合动力、生物乙醇弹性燃料、清洁柴油等先进的节能、环保型 产品时刻走在行业的前列。在生产领域,Honda 在全球推行“绿色工厂”体系, 制定独自的企业目标,努力降低产品生产环节的能源消耗和污染物以及温室气体 CO:的排放。此外,Honda 还积极开展植树造林等社会活动。节能竞技大赛作为 节能环保领域的社会活动之一今后将继续在中国举办,Honda 希望通过这项赛事,为 社会节能、环保意识的提高做出贡献。 1.1.2 选题的意义及目的 自 2004 年起,中国超越了日本成为仅次于美国的世界第二大石油消耗国。 2006 年,中国对进口石油的依赖增至年需求总量的 47%,2006 年中国的原油净进 口量为 13884 万吨。而在 1990 年一 2003 年的 13 年里,中国汽车保有量年均增 长率达到 12%,汽车燃油消耗在中国石油消耗中所占的比例日益增大。2004 年, 中国每一辆汽车的年均耗油是 2.1 吨,中国进口的原油有 30%被汽车消耗,而这 一比例在今后将升至 50%。从尾气排放方面,汽车排出的废气已成为城市空气的 首要污染源。据国家环保总局测算,2005 年中国汽车排放污染在城市大气污染 中所占比例高达 79%。因此,汽车既是耗油大户,又是排放废气的大户,抓好了汽 车的节能减排,就是抓住了重点。 汽车节能减排的重要性不言而喻,考虑到当前我国的汽车节能技术发展的实 际情况,除了要积极推进以混合动力、燃料电池、先进柴油、醇类汽车等为代表 的新能源汽车技术的发展外,另一个推进汽车节能减排工作的措施就是大力研究 开发适合我国现阶段汽车行业技术现状,并适合大量在用汽车的高性能节能产品。 节能竞技赛车与普通汽车的结构布局相似,由发动机、底盘和车身三大部分 组成。发动机的改造无疑是各赛车队攻关的重点,也是节能减排技术发展的主导 性方向;底盘的设计关键在于减小摩擦损失和提高机械传动的效率;车身设计的 重点在于外形美观、轻重量和较低的空气阻力系数。 本田节能竞技大赛适时迎合了时代提高社会节能和环保意识的要求,激发各 3 参赛车队通过各项独创技术不断挖掘一升汽油的无限潜能,使其从中体会到节能 重要性的同时,提高参赛者的思考和实践能力,更为将来汽车节能方面的实际应 用带来了无限新的可能。 本文选题的目的就是在本田节能竞技大赛的背景与第七届参赛节能竞技车 的基础下,研发一款节能竞技车。 1.21.2 论文的主要研究内容论文的主要研究内容 1.确定所研发节能竞技车的总体设计方案； 2.节能竞技车转向机构的改进设计与制作； 3按照设计方案进行了节能竞技车辆的实际制作； 4通过实车试验确定合理的节能竞技车驾驶方案。 4 第二章节能竞技车总体设计方案确定第二章节能竞技车总体设计方案确定 2.12.1 总体布置形式的确定总体布置形式的确定 在节能竞技车总体布置形式的确定中应该充分考虑到节能竞技车制作的简 易性、行驶稳定性和行驶阻力的大小。根据节能竞技大赛的比赛规则,参赛车辆 的车轮必须为 3 轮以上(包括 3 轮),并且要求其结构必须满足无论在竞技车辆停 止时还是行驶时都能自行站立的条件,这样便有以下几种总体布置方案以供选择: 2.1.1 前一轮后两轮 这种布置形式类似于在日常生活中见到的三轮车,在设计制作过程中,可以 利用现成的自行车部件加以改装来实现,从而减低了制作难度,节省了制作时间, 而且驾驶构造也比较简单。但是这种方案的行驶稳定性较差,尤其是转向行驶稳 定性不好,在车速较快时转向容易翻车,这将大大降低节能竞技车的行驶安全性。 考虑到节能竞技大赛必须由一名车手驾驶进行比赛,而且由于比赛规则中对行驶 速度有一定明确要求(平均时速不得低于 25km/h),因此放弃该方案。前一轮后 两轮的具体布置形式如图 2.1 所示。 图 2.1 前一轮后两轮的布置形式 5 2.1.2 前两轮后两轮 此种布置形式与生活中常见的四轮轿车相似,其优点为有较好的行驶稳定性,但 是在以节能为主要目的的竞技大赛中,这种布置方案的缺点却很多。首先,由于 其四轮着地,相比三轮车来说接地面积大,这无疑就提高了车辆在行驶过程中的 行驶阻力，前两轮后两轮具体布置形式如图 2.2 所示。 2.1.3 前两轮后一轮 这种布置行驶在以往的节能竞技大赛中应用最为广泛，其优点为在保证较 小的行驶阻力的前提条件下，能够很好的保证行驶的稳定性，从而提高了节能 车的安全性。 综合上述几种结构的优缺点，在节能为主的前提条件下，又要同时保证良 好的操稳性和行驶安全性，因此，确定节能竞技车的车轮布置形式为前两轮后 一轮的布置形式。 图 2.2 前两轮后两轮的布置形式 图 2.3 前两轮后一轮的布置形式 6 2.22.2 车架的材料及结构方案车架的材料及结构方案 节能车大赛的规则中对车架有明确的要求，参赛车辆必须为三轮以上（包 括三轮） ，要求其结构无论在停止时还是在行驶时都为三轮以上（包括三轮）结 构且能自行站立，车手的身体不能超出车架等等。因此在车架的设计制造上的 要求只涉及到安全方面，可以放手去做，在车架的制造阶段最终要的是结构力 学，用最少的材料制造出符合要求的车架，长、宽、高必须在规定的尺寸内尽 量满足，还要对车手的安全性有保障。为了满足车架轻量化的要求，首先是材 料选择其次是结构设计。根据车轮的布置方式车架主要有以下几种结构。 1）钢管梯形车架。 2）铝制梯形车架。 图 2.4 钢管梯形结构 图 2.6 铝制梯形车架 7 3）高级材料无骨架结构车架，如图 2.7 在制作过程中，综合考虑到材料的强度要求，制作方案的可操作性，制作 成本以及制作周期等多方面因素，最终决定选取铝制梯形结构车架作为本次设 计车辆的车架方案。其优点主要为： 1）铝制材料这里主要选取铝合金，其质量较钢材较轻，而且在设计合理的 前提条件下能让车架保持足够的强度。 2）铝制材料加工方便，材料的结合可以通过铝焊或者铆接等方法来实现。 3）铝制材料价格便宜，与碳纤维等一些高级材料相比虽然在强度和重量方 面具有一定的差距，但在价格方面却无疑有着明显的优势，从而降低了车辆的 制作成本。 2.32.3 驱动方案驱动方案 节能大赛使用的是五羊本田提供的 125ml 单缸四冲程汽油机。该机最大功 率 6.6kw，最低燃油消耗率 367g/千瓦时。压缩比 9.0：1，采用电启动、化油 器供油、两气门、链条正时，润滑方式为曲轴飞溅式。传动方式主要有以下几 种： 2.3.1 轴传动如图 轴传动是利用发动机输出轴直接连接后轮轴，该方式传动效率高，但使整 图 2.7 高级材料无骨架结构车架 8 车的重心偏离了车体中心线，降低了稳定性。 23.2 链传动 链传动与摩托车本身的传动方式相同，效率比较高，但节能大赛对发动机 不要求输出那么大的扭矩，且为了减少发动机的重量对其进行了切除，改变了 原有的机械式离合器，故启动时链传动冲击力比较大，对后轴传动部件有很大 的冲击力。防止脱链要保重很高的啮合度。增加了加工难度。 2.3.3 同步带传动 图 2.8 轴传动 图 2.9 链条传动 9 相比而言，同步带可以缓和冲击，吸收震动，且传动效率也比较高。 综合以上传动方式: 同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。 同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮之间无相对滑 动，能保证准确的传动比。同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁 橡胶或聚氨酯为基体，这种带薄而且轻，故可用于较高速度。传动时的线速度 可达 50m/s，传动比可达 10，效率可达 98%。传动噪声比带传动、链传动和齿 轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。鉴于上述同步带优点， 我校“锋帆”车队决定采用同步带传动。 2.42.4 轮胎轮胎 在石油资源日益枯竭、全球石油储藏量急剧下降的背景下,我国汽车保有量 却以平均每年 12.07%的速度增加,我国对燃油的消费需求以惊人的快速度增长, 有很大一部分依赖进口。一方面,我国汽车节油技术的应用有限,燃油的使用效 率普遍不高,汽车百公里耗油约比发达国家高 20%1;另一方面,机动车排放 污染己经成为我国污染物的主要来源之一。因此,汽车节油和环保问题日益突出,面 对有限的石油资源和国家能源战略遇到的威胁与挑战,汽车节能与环保技术已成 为汽车技术领域的研发热点。随着近几年国家节能减排工作的不断深化,汽车节 能减排已经成为社会各界的共识,也正在成为社会全体成员的共同目标。 在设计过程中，轮胎的选取也是十分重要的环节。轮胎不但影响着车辆在 行驶中的滚动阻力，还影响着车辆在行驶中稳定性，因此在选取过程中要注意 图 2.10 同步带传动 10 行驶阻力和行驶稳定性的均衡。以往比赛中，轮胎的种类基本分为一下几种。 （1）20 英寸节能车专用轮，如图 2.11。 （2）20 英寸自行车专用胎，如图 2.14，图中采用的轮胎尺寸为 201.75 英寸，在采用自行车轮胎是要注意的一点为自行车在行驶过程中车轮 和车轴是不受侧向力作用的，但是在节能车的结构形式中，车轮和车轴是要受 到侧向力作用的。因此所选的车轮的车轴必须要有足够的强度。 （3）20 寸电动自行车专用胎如图 2.13 20 寸电动自行车专用胎 图 2.11 20 英寸节能车专用轮胎 图 2.12 20 英寸自行车专用胎 11 电动车专用胎在行驶过程中车轴能够受到的侧向力比较大，而且这种车轮 比较利于布置刹车系统，但是电动车专用胎的花纹行驶阻力太大且车轮太重不 适合比赛用，故我校赛车在制作过程中放弃了该方案。 （4）12 英寸轮胎，如图 2.14，选取直径较小的轮胎可以在一定程度上减 小空气阻力。 图 2.14 12 英寸轮胎 综合考虑以上几种轮胎形式，最终采用 20 英寸的自行车专用胎。考虑到 降低滚动阻力的同时保证足够的附着系数，前两轮采用 20 英寸轮胎尺寸为 201.35 英寸，后轮则采用 201.85 英寸尺寸的自行车胎。三个轮胎均使用 高气压轮胎，目的在于减小接地面积。后轮采用较宽的车胎其主要原因为驱动 方案定为后轮驱动，保证获取足够的驱动力。 2.52.5 转向方案转向方案 考虑到车辆的结构形式，并结合所设计车辆为特定比赛车辆的特殊性，以 及比场地的因素，常见的节能车转向方法如下： （1）中央支撑式，如图 2.15。这种形式结构简单，车架也可以设置得较 低。但是，要使左右车轮完全平行进行的定位调整很难，在小转弯时车轴会发 生很大的移动，必须保证有充足的空间不会碰到车身、车架。还需要安装制动 12 器，以防脱开把手发生过大的转向。 （2）阿卡曼式，即梯形结构，如图 2.16。这种结构的构造比较复杂，但 与前轮定位的调整较轻松，即使大幅度转方向盘，车轮也不会大幅度前后移动。 图中为活塞杆转向结构，其中转向臂的角度应保证前轮胎中心与后轮胎中心连 接成线，如图 2.17。 图 2.15 中央支撑式 图 2.16 阿卡曼式结构 图 2.17 阿卡曼式结构图 13 考虑到转向的方便性以及驾驶员在小半径弯道下有足够的驾驶空间，2015 我校锋帆车队仍旧采用梯形转向方式如图 2.16 所示。 2.62.6 车身材料车身材料 纵观往届大赛，在倡导节能环保的大前提下，车身可谓形式各样，有竹子 车身、布车身、纸质车身、玻璃钢材料车身、碳纤维车身、铝制车身等，如图 2.18。 考虑到车身材料对于空气阻力的影响，和经费的问题 2015 我校“锋帆”车 队经过探讨决定采用车身全包的铝车身结构。 图 2.18 各种材料的车身 14 第三章第三章 节能车油耗分析研究节能车油耗分析研究 节能赛车的比赛除了要自主的设计及制作节能车以外，还需要考虑各种因 素对比赛成绩油耗的影响。因为落实到根本上还是为了通过这个比赛展示 各个学校学生的综合能力及学生的综合素质，但是从本质看、还得用实际结果 证明一切，还需要用理论分析来考量节能赛车的各个影响因素。从而有针对性 地进行研究分析，得到更为合理的布局及整车的配置。 3.13.1 传动效率为常数时的节能车油耗分析传动效率为常数时的节能车油耗分析 车辆运行的能量来源是由消耗石油做功求得的，它是行驶阻力与驶过位移 的乘积，并需要考虑到总的机械效率。下面将要计算带有内燃机的汽车燃油消 耗。 为了突出本质，我们做简化分析研究，假定在整个特性场内发动机和特性 转换装置的效率是常数。先考虑匀速行驶的情况，再考虑变速行驶的情况。 驱 动轮上的功 WR 是由功率 PR 在时间间隔 T 内的积分求得 由于单轴驱动时候，如果假定 r / R 1，即忽略了驱动滑的情况，静止 空气中的速度 v，牵引力 z ，则有 如果低热值的单位取为 J /l ，内燃机平均效率为发动机飞轮到 车轮的平均效率（即整个特性转换装置的效率）为；则功 WR（单位为 J ）和燃料消耗量 B （单位为 l）之间的关系式为 驱动的基本方程 3.1 3.2 3.3 3.4 15 其中 FR 滚动阻力，空气阻力 F L，FSt 上坡阻力，FB 加速阻力把式 （3.1）到（3.3）联立，并把燃料消耗量 B 被驶过的路程 L 除，则可求得燃料 消耗（常用单位为 l /100km）为 先考虑匀速行驶，有 v = L /T=常数， v=0，FB=0 加速阻力 。可得 到一个简单关系式子 这就表明，只要发动机和特性转换装置的效率高，而同时滚动阻力，空气 阻力和上坡阻力小，那么然后消耗是很低的，阻力低就意味着车重 G ，轮胎滚 动阻力系数，空气阻力系数以及横截面积 A 都应该小。只是最重要的 一些要求。 在非匀速行驶时，由式 3.5，考虑到加速和减速，平路行驶的关系式为 把积分式展开： 第一个积分等于平均行驶速乘以时间 T 。第二个积分，如果有 v(t=0) =v(t=T)，而且减速时能量能完全回储，那么应该为零。第三个积分可以改写， 取 假定对成对称分布，则有，而有 式中为标准差，为方差，把它带入速度表达式。这样由式（3.7） 可得到 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 16 可见，尽管在制动时能量回储，但由于空气阻力和速度的关系是非线性的， 但是速度的变化越大，燃料消耗增加就会越多。 因为比赛过程中的比的是节能，所以说设计上都是比较轻便的结构，加入 回储备设备势必增加整车重量并且使赛车结构变得更为复杂。为了简化分析， 这里不考虑能量回储备对油耗的影响（即假定减速是能量完全回储） 。 3.23.2 影响燃油经济性的因素影响燃油经济性的因素 从上面的分析结果可以看出来，主要有三组因素影响汽车燃油消耗：发动 机、传动系统和外部阻力因素。其中，发动机是最大的影响要素，但赛车所用 发动机由赛事主办方给定，因而本文主要讨论的是影响油耗的外部因素。 （1）发动机 发动机对燃油经济性的影响因素主要有压缩比、燃油供给、功率利用率等。 发动机中的热损失与机械损耗占燃油化学能中的 65%左右，显然，发动机是对 汽车燃油经济性最有影响的部。 （2）传动系 汽车传动系对燃油消耗的影响，取决于传动效率、变速器档数与传动比。 传动效率越高，则损失于传动系的能量愈少，因而燃油经济性也愈好，变 速器的档位与传动比对燃油经济性也有影响。随着变速器档位的增加，增加了 选用合适档位使发动机处于经济工作状况的机会，从而保证汽车的经济性愈好。 （3） 外部阻力因素 1）整车质量 汽车总质量为整备质量与装载质量之和，整备质量为汽车经整备后再完备 状态下的自身质量，即指汽车在加满燃料、润滑油、工作油液（如制动液等） 及发动机冷却液并装备（随车工具及备胎等）齐全后但未载人、载货时的总质 量。装载质量为最大货运质量与最大客运质量之和。汽车总质量影响到汽车的 滚动阻力、坡度阻力、惯性阻力和加速阻力，因此对汽车的燃油经济性影响最 3.11 17 大。因此，在汽车上广泛采用轻质材料，减轻汽车自重，是提高汽车燃油经济 性的一个重要方向。 2）气阻力 汽车的外观主要有在高速行驶时的影响力上的燃油经济性，空气阻力，因 此，流线型的车身，降低了空气阻力系数，可以提高燃油经济性。 为克服空气阻力而消耗的发动机功率与汽车行驶速度的立方成正比，汽车 速度不高时，空气阻力对汽车的燃油消耗影响不大，因此在城区，由于行驶车 速低，对油耗影响较小。但是，当超过 50 公里每小时的速度，空气阻力对车 辆的燃料经济性的影响逐渐减少，那么减少空气阻力主要是通过汽车的空气阻 力系数来实现，汽车制造厂通过正常的风洞试验研究使汽车外形接近最优化。 3）动阻力 国外的实验研究表明：当滚动阻力减小 1N 时，燃油消耗量减少 0.01L/100km，或估算为 f 每减少 10 时，可节省燃油达 0.6%1.2%。 参照 上述的分析资料。在设计赛车的过程中：由于发动机构特征对复杂，故使用拆 除减重能减轻的重量有限；由于比赛中的发动机拆除了变速箱，采用直接传动， 因此传动系统不做深刻讨论，那么节能赛车的节油性关键点就集中在了三个外 部阻力因素上。在节能车的设计中，如果不考虑发动机及车手的重量的话，影 响质量最主要的因素便是车架了；对于滚动阻力，在车速不高的情况下，影响 其最大的因素是其整车质量。那么将三个外部因素集中起来考虑的话，节能车 的节油特性研究的重点主要就放在了车架轻量化及降低空气阻力这两个方面的。 18 第四章节能车节能设计第四章节能车节能设计 4.14.1 节能车车架节能设计节能车车架节能设计 首先从结构上讲，到三轮结构省却了后轮悬挂系统，节省了连杆，减震器， 后车架等等的结构质量，减轻了车重，再者四轮结构外加车体为中置后驱，对 于动力传输而言，省略了差速器，传动半轴等部件的质量和对动力的损耗，外 加节能赛车对于动力，操控无太多要求，大都采用自行车的多速后拨式变速器， 从而最大限度的降低传动系统对于动了的损耗。当然，三个轮子的，在轮胎规 格一致的情况下，滚动阻力一定比四轮的要小。从空气动力学上看，四轮结构 所造就的投影展舷比是典型的高阻力翼型，远不如三轮结构造就的水滴形来的 合理。 4.1.1 车架设计条件 （1）大赛对车架设计规则 参赛车辆必须为 3 轮以上（包括 3 轮） ，要求其结构无论在停止还是行驶时 都为 3 轮以上（包括 3 轮）结构且能自行站立。 图 4.1 示意图 全高 1.8m 以下 轴距 1.0m 以下 全长 3.5m 以下 19 轮距 0.5m 以下 全宽 2.5m 以下 管不能超出车身后面以及侧面 10cm 以上。 刹车装配线等结构需要从车内穿过，以免与地面接触造成摩擦。 （2）关于安全性 为提高安全性，车架必须具有一定的强度，能够将车辆其他部件牢固的安 装在合理的位置。 为了降低节能车的整备质量，车架在保证强度、刚度的前提下要尽量轻量 化。考虑到比赛路面平整度很好，运行速度平稳，从而省去了悬架部分。根据 各部分尺寸要求，得出节能车整车参数基本如表 4.1。 表 4.1 节能车整车参数 项目参数 总长 2345mm 总宽 700mm 总高 480mm 轴距 2530mm 前轮距 672mm 最小离地间隙 57.5mm 整备质量 55kg 根据参赛车辆布局，将车架分为三大主要部分：驾驶舱、发动机舱、传动 舱。依据车手驾驶空间、改造后发动机基本尺寸、传动系尺寸得出车架的基本 参数如表 3.2 所示。 表 3.2 车架三舱尺寸 项目长 mm宽 mm前高 mm后高 mm 驾驶舱 1035400230320 发动机舱 300310370350 传动舱 570250350335 20 4.1.2 车架的概念设计 在车架整体结构设计之初，首先要进行的是概念设计。之前对车架已经有 了一个空间的布局。接下来就是一个整体的把握，特别是对整体的一个造型设 计，此时可以是简单的手绘或者草图，勾勒出车架的概念图。 车架的单元，即车架的横截面形状，这个形状影响到车架的刚度，强度等 要求，同时也对车架的总质量有着很大的影响，直接制约着车架的轻量化要求。 参照往届参赛车辆，初步制定的是车架的底面梁的横截面是 30*50mm，厚 2mm 的回字形框架，竖起梁为 25*25mm 厚 2mm 的回字形框架。 设计结构工程图如图 4.2 所示 图 4.2 车架概念图 图 4.3 车架结构工程图 21 考虑到转向直销后倾为了保证轮子的自动回正能力，在设计安装前轮的两 个直臂时，将其与车架下面横梁法线方向倾斜，这样在安装车轮后确保了主销 的后倾角，将安装转向把手的中间直臂向前倾斜，降低高度，从而达到降低车 身高度，达到降低整车高度的设计要求。 4.24.2 关于车架材料的选择关于车架材料的选择 4.2.1 车架载荷工况的确定及受力分析 节能竞技车车架是主要的承载部件，在工作中不仅要支承节能竞技车上各 部件如车身自重、蓄电瓶和驾驶员的重量等静态载荷，还要承受发动机工作时 的动载荷以及地面通过减震装置传来的支反力、张紧缓冲力等的作用，在加速 牵引和制动时，还要受到惯性力的作用，可见车架在保证节能竞技车整机使用 可靠性方面起着十分重要的作用。 4.2.2 车架载荷工况的确定 由于节能竞技车为竞技车辆的特殊性，路况单一且路面质量良好，因此在 分析过程中忽略动载工况，仅对静载工况进行一定的刚度分析。 实车静载即车 架承受由车架自身质量和外加质量产生的载荷，外加质量包括乘车人员和底盘 各总成及能蓄电池等质量。由于驾驶员以半躺的形式驾驶车辆，如图 4.3，而 且座椅靠背与车架连接可近似看作是点接触，故发动机以及驾驶员一部分重量 在座椅支撑点处以集中载荷的形式加到车架上。蓄电池及驾驶员另一部分重量 则以均部载荷的形式加到车架的前半部分。 图 4.4 驾驶姿势示意 22 4.34.3 各种材料的分析各种材料的分析 （1）钢材：应用广泛、品种繁多，根据断面形状的不同，钢材一般分为型 材、板材、管材和金属制品四大类。大部分钢材加工都是通过压力加工，使被 加工的钢产生塑性变形。汽车中大量使用这种材料，钢材容易获得，而且加工 容易，但是钢材太重不太适合节能大赛，所以很少有队伍使用。 （2）铝型材： 铝型材目前在汽车中还没有运用，属于铝合金材料，这种 材料最大的特点就是可以不用焊接就可以把各种材料连接起来，总体看起来美 观，而且还免去了焊接，但是这种连接刚性不足不能满足车身刚度要求。我校 锋帆车队上一届使用的就是这种材料。 （3）碳纤维：可软可硬的碳纤维既然是纤维织物材料，所以碳纤维可以被 图 4.6 铝型材 图 4.5 钢方管 23 纺织成碳纤维布来从线变成面，同时保持着超轻、柔软、耐拉的特性。 从纸般柔软到钢铁般强硬的质变过程，通过在模具中按纤维方向交错叠放 碳纤维布，利用环氧树脂粘接剂将多层切割好的碳纤维布逐层站在一起，这一 过程需要用 5 到 10 层甚至更多蹭薄如蝉翼的碳纤维布，粘合成加厚版碳纤维布。 这时它的柔韧性已经非常的差，几乎跟刚性材料差不多。其原理就如同将一页 纸完全粘贴成一叠厚厚的纸堆，纸堆就会变得坚固。之后再采利用高温高压烤 箱来使粘合后的体积进一步压缩、强化，最终出炉的将是组件的成品毛坯，进 过去毛边、打磨、抛光等工序，亮闪闪的车身组件就加工好了。这一过程看似 简单，但是其中碳纤维布的成本以及工序成本，仍然使这一工艺无法大规模应 用，所生产的产品也是异常昂贵。如今碳纤维材料加工难度已经大大减小大赛 许多车队都使用了碳纤维材料。我校锋帆车队就使用了这种材料。 （4）钛合金：钛合金具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性好等优点，故被广 泛应用在汽车工业中，应用钛合金最多的是汽车发动机系统。利用钛合金制造 发动机零件有很多好处。 钛合金的密度低，可以降低运动零件的惯性质量，同时钛气门弹簧可以增 加自由振动，减弱车身的振颤，提高发动机的转速及输出功率。 减小运动零件的惯性质量，从而使摩擦力减小，提高发动机的燃油效率。 选择钛合金可以减轻相关零件的负载应力，缩小零件的尺寸，从而使发动机及 整车的质量减轻。零部件惯性质量的降低，使得振动和噪声减弱，改善发动机 的性能。 钛合金在其他部件上的应用可提高人员的舒适度和汽车的美观等。在 图 4.7 软的碳纤维材料 24 汽车工业上的应用，钛合金在节能降耗方面起到了不可估量的作用。 钛合金零部件尽管具有如此优越的性能，但距钛及其合金普遍应用在汽车 工业中还有很大的距离，原因包括价格昂贵、成形性不好及焊接性能差等问题。 正以为这种原因所以只有少部分车队使用这种材料。我校锋帆车队在转向系统 中就使用了这种材料。 （5）铝合金方管：这种材料在生活中大量的使用，随处可见，铝合金材料 加工容易且价格便宜，强度高，质量轻，但是整体抗弯性不强。 图 4.9 铝合金方管 （6）纯铝方管：该种材料质量轻，强度适中，价格适中，在节能车大赛中 使用最广的一种材料，最大的缺点就是焊接困难，需要一定的技术。 图 4.8 钛合金 25 我校锋帆车队经过研究和实验决定使用纯铝方管作为车架的主体材料，钛 合金，碳纤维等材料少量使用。 4.34.3 车架的焊接工艺车架的焊接工艺 铝合金较不锈钢有较高的焊接要求，其焊接有几大难点：铝合金焊接接头 软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金焊接的最大阻碍；铝合金表面易产 生难容的氧化膜，需要采用大功率密度的焊接工艺；铝合金焊接容易产生气孔； 铝合金焊接易产生热裂纹，易变性。 因此铝合金焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效 焊接方法，主要方法：首先，确定焊接方法，一般采用惰性气体保护焊，如钨 极氩弧焊（TIG)或熔化极氩弧焊（MIG） 。其次确定焊接材料，焊丝一般采用与 母材成分相同的焊丝。再次还要确定是否采用特殊方法处理。 4.44.4 节能车车架制作节能车车架制作 通过强度校核和模态分析可以得出所设计的铝合金管材的节能竞技车车架 基本符合强度要求，因此按设计方案通过铝焊的方法对车架进行加工制作。最 终成品如图 4.8 所示。 图 4.10 纯铝方管 26 4.54.5 节能车发动机的节能改进节能车发动机的节能改进 4.5.1 大赛规则对发动机的要求 大赛提供的是本田 125 弯梁车四冲程柱塞式化油器发动机，除了汽缸盖、 曲轴箱、曲轴必须在下发发动机基础上修改，其它的改造可以自行决定，但改 造后排气量不得超过 125CC，并且要求改造后的发动机不能有任何润滑油的泄 漏。 4.5.2 发动机参数介绍 本次大赛提供的发动机型号：WH152FMI；发动机型式：风冷、单缸、四冲 程；气缸工作容积 124.8ml；压缩比 9.0:1；标定功率及对应转速： 5.9/7000KW/(r/min)；最大功率及对应转速 6.6/7500KW/(r/min)；最大扭矩及 对应转速 9.68/4000KW/(r/min)；最低燃油消耗 367g/(kw.h)；起动方式：电动 起、脚踏启动；点火方式：CDI 电容二极管点火。 4.5.3 发动机节能的理论 （1）发动机节能的指标 发动机到底节不节能，最终看的是发动机的油耗，即燃油经济性，而衡量 燃油经济性的依据就是单位油耗下车辆的行驶路程，因此，大赛的评定标准就 是参赛车辆在规定时间内行驶一定预先设定好的路程，测量油耗，计算出单位 油耗下的行驶距离，单位是 KM/L，因此，这个数值越大，表明燃油经济性越好， 成绩越好。 图 4.11 成品 图 27 （2）节能技术的发展方向 由大赛官方给定的数据，节能车的最佳行驶平均速度在 25KM/H 左右，处于 低负荷的工况，我们可从对发动机油耗有影响的部件开始改造，如轻量化，点 火方式和点火质量，压缩比，进排气，输出效率等，以提高燃油经济性，即降 低油耗。 4.5.4 节能技术的开发 （1）轻量化 即在不影响发动机性能的情况下对发动机质量的降低,轻量化实际上是对本 体的“瘦身” ，因此可对发动机缸头、缸体、变速箱、曲轴箱减重。 （2）缸头 缸头上有一部分是护张紧链轮的，防止润滑油溅出，这一部分厚度大，占 用不少质量，采用较薄较轻的铝片做一个防护罩，不仅能起到防止润滑油溅出 的作用，还能减轻质量。 （3）缸体 缸体是为活塞提供合适工作场所的部件，在不影响发动机工作性能的前 提下，把缸体四周的散热片切除。 （4）变速箱 由于变速箱里的原装齿轮较重，而且较多，因此变速箱是摩 托车发动机中最重的一部分。如果可以把它去掉或减轻，那对发动机整体轻量 化的影响很大。且提高内燃机的机械效率方面主要靠合理选定各种热力和结构 参数，靠结构、工艺上采取措施减少其摩擦损失及驱动水泵、油泵等附属机构 图 4.12 改进前后发动机 对比 28 所消耗功率以及改善发动机的润滑、冷却来实现。变速箱的作用是提供不同的 传动比并兼有改变传动方向的作用。考虑到节能车的行驶只用一个档位就能实 现（只要传动比合适） ，因此可以把它全部去掉。并采用一定厚度的铝板焊接在 曲轴箱下部，一方面充当底座，另一方面还能作为油底壳，储存润滑油。 （5）充分燃烧 降低油耗另一个重要途径就是尽量让吸入的燃油完全燃烧，可以从进气和 燃烧两方面来实现。 4.5.5 进气部分 （1） 化油器 化油器是控制进油的部件，进油量、进油的浓稀都是由它来控制调节的。 从化油器处改变进气主要是调节浮子室液面高度和主量孔的大小。因为节能竞 技车辆的特殊性，赛道上的运行模式是工作一段时间然后滑行。所以对动力性 的要求没有正规车辆高。发动机的有效功率 Pe 根据关系，受下式中因素的影响： ZDVP P mme 785 . 0 e (4.1) 0 l H p su mVime (4.2) 式中： me P 为平均有效压力（MP） ； m V 为活塞平均速度（m/s） ； h V 为单缸工 作容积；Z 为气缸数；D 为气缸直径（mm） ； 为冲程数； i 为指示热效率； v 为充气效率； m 为机械效率； u H 为燃料低热值； s 为进口状态下空气密度； 0 l 为理论空气量； 为过量空气系数。化油器可调节的因素就是过量空气系数 ，由上式可知，增大过量空气系数 可降低发动机的有效功率，从而满足低 负荷下的发动机运转的需求。 减小每循环燃油供给量 gb，可以增大过量空气系数。主量孔是扩张管嘴的 造型，减小入口断面，可以减小每循环通过主量孔的燃油量。 减小入口断面有两种方式：1、用细铜丝堵。2、用锡焊。铜丝快捷方便， 但是不容易固定，且工作不可靠;锡焊固定牢固，不容易脱落，工作可靠。因此 29 选用锡焊。查阅资料了解到，化油器浮子液面高度下调 2mm 的情况下，有效燃 油消耗率 be 降低了约 10 g/（KW*h） 。 （2）排气管 排气管的作用就是让废气顺利排出，但研究表明，适当增加排气阻力，可 以对发动机的输出功率有一定提升。因此在排气管上加以稳压箱，这样就能适 当减少进油量。 4.5.6 燃烧部分的节能技术 当适量燃油混合气进入燃烧室后，按理论可以完全燃烧，但是燃烧还受点 火提前角和点火强度的影响。 （1）点火提前角 设定点火提前角的目的就是让混合气完全燃烧，因此调节点火提前角要特 别细心。要本着转速升高点火提前角增大，负荷变大点火提前角减小的原则来 调节，且在各个转速范围内设定好不同的角度。 （2）点火强度 点火强度通过火花塞的放电强度来调节，一方面要保证电源的能量足够， 即在质量小的前提下选择容量较大的电瓶；另一方面要应增设点火点（当然不 能是爆燃的点火点） ，即加设一火花塞，这样就可以保证燃烧更充分。 4.5.7 保温对油耗的研究 在比赛中，发动机工作时间很短，大部分时间处于熄火状态因此可见发动 机产生的热量很少，保留的热量也很少。当然也知道，温度对发动机的油耗影 响很大，因此要适当保温，考虑到要保温，可以用海绵将缸体包起来，这样就 能起到很好的保温作用。 4.5.8 新技术的应用 图 4.12 运用的新技术 30 在本次节能车的设计中我们还运用了一些新技术，比如，当发动机熄火后， 活塞由于惯性还在运动，此时还会吸入燃油混合气，如果我们开发一种进气截 止技术，让燃油不再进入，这样就能省很多燃油；还有。发动机可采用一些电 控单元，利用电脑来控制点火和熄火。 进气截止技术：利用机械机构在发动机熄火后截止发动机吸入混合气，从 而有效节约了由于发动机熄火后活塞的惯性运动对于混合气体的吸入。利用一 些显示设备，在节能车工作时可以将整车的运动参数显示出来，这样给车手的 驾驶提供了很大的帮助，开发出能够根据发动机不同工作状态下自行调节点火 强度的点火器。 4.64.6 节能车车身的节能研究制作节能车车身的节能研究制作 4.6.1 节能车车身设计与制作 节能竞技车是以节油为主要目的的竞技车辆，因此车身的设计主要从两个 方面入手，一方面车身轻量化，另一方面要尽量减小空气阻力对车辆行驶过程 中的影响，即要尽量降低空气阻力系数。 4.6.2 车身外形设计 在车身外形的设计中，在配合车架尺寸及座椅高度的基础上，尽量保证车 身的流线形，从而达到降低空气阻力的目的，最终设计车身外形如图 4.10。 从图中可以看出整个车身成流线型这样的车身有利于降低车辆在行驶时的 风阻系数和空气阻力，这两个因素对油耗有着重要的影响，所以每个车队都竟 可能的吧车身设计成这种形式。 图 4.10 车壳 31 4.6.3 车身制作 在车身设计方案中已经选定制作材料为铝板，先用钢丝做成骨架在将铝板 固定在钢丝上，用透明的塑料板做成前挡。最终成品如图 4.11 所示 图 4.12 车壳 32 第五章节能车动力传动系统的研究第五章节能车动力传动系统的研究 5.15.1 离合器工作状态的确定离合器工作状态的确定 参考本田节能大赛的历史，节能车在行驶过程中是以加速滑行然后再加速 的行驶方法进行运动的。因此，要保证在滑行过程中尽可能降低机械运动的能 量损耗，采取离合器的动力结合方案。同时考虑到车辆在比赛过程中滑行的时 间较加速时间更长，因此采用离合器常分离的方案，即加速过程通过执行机构 使离合器结合，滑行时则处于自分离状态。离合器结构形式如图 5.1 和图 5.2 所示。 图 5.1 离合器三维模 型 a.加速结合 b.滑行分离 图 5.2 离合器实物 a.加速结合 b.滑行分离 33 5.25.2 带传动传动比的确定带传动传动比的确定 由于节能车发动机的改变以及运动方式的特点，不能根据发动机的最佳功 率进行带传动比的计算，根据载荷经验确定传动比 i 在 68 之间，初步计算取 i=7.2 后经实车测试将传动比改小为 i=6.3，具体对比如表 5.3 所示。 表 5.3 传动比对照表 传动比对照 7.26.3 1220.9231.4 2227.2246 3226.9259.8 4217.8248.6 5213.3234.6 6197.5261 7202.5273.5 8207.6281.9 9230.1285.4 10200.5283.2 平均值 214.43260.54 34 5.35.3 发动机档位选取及改造发动机档位选取及改造 根据节能竞技大赛的比赛规则，比赛队可以对发动机在一定程度上进行改 造。但综合考虑到改造后对发动机性能的影响，以及改造的具体条件，本次设 计仅仅对发动机进行了一定程度的减重。在确定了传动比的基础上，利用直接 挡即发动机的三档进行实车试验，得出节能车在发动机三档工作时可以平稳起 步的结论，从而将多余的变速齿轮，反冲启动杆，变档机构等拆除，达到整车 整备质量减轻约 45kg 的目的。 35 第六章第六章 节能车节能车试制试验试制试验 行驶方案对节能车的成绩起着举足轻重的作用，根据大赛规则节能比赛时 车速不得低于 25km/h，通过大量实车试验分别给出在传动比 i=6.3 下的几组驾 驶方案。 表 6.1 驾驶方案表 次数油耗（km/L）行驶方案（km/h）平均成绩 （km/L） 1220.915（启动）-40（熄火） 2227.215（启动）-40（熄火） 3213.615（启动）-40（熄火） 4202.515（启动）-40（熄火） 5225.715（启动）-40（熄火） 217.98 6246.010（启动）-45（熄火） 7259.810（启动）-45（熄火） 8279.310（启动）-45（熄火） 9281.910（启动）-45（熄火） 10285.410（启动）-45（熄火） 270.48 11200.320（启动）-35（熄火） 12196.520（启动）-35（熄火） 13203.420（启动）-35（熄火） 14187.920（启动）-35（熄火） 196.52 36 15194.520（启动）-35（熄火） 16176.725（匀速行驶） 17168.325（匀速行驶） 1816325（匀速行驶） 1915825（匀速行驶） 2016225（匀速行驶） 165.6 通过上表可以确定最佳的行驶方案为：10（启动）- 45（熄火） ）同 时由于节能车的驾驶较为复杂，故我们将这种驾驶方式编成程序写入的电脑中 由电脑来控制点火熄火。 第七章第七章 总结总结 7.17.1 总结总结 本田不惜余力的在全世界倡导绿色环保，节能竞技大赛为广大爱好者提供 了展现梦想的平台，一升油，一个梦，让梦想飞翔。本论文通过理论与实践相 结合，最终确定了节能车的整体方案，主要完成了以下工作： （1）从影响节能的各个部分着手通过理论分析，确定了节能车的整体方案。 （2）对转向部分进行了设计，确定转向部分的合理性。 （3）设计了新型铝合金车架。 （4）对发动机进行了改造，减轻了重量，特别对进