面对国际国内能源的减缩，节能减排已经成为汽车业所面临的主题。节能环保具有现实意义和深远意义。车架是汽车的重要组成部分，承受车上装置和来自地面的交变作用力，需要满足一定的刚度和强度。由HONDA公司发起的节能竞技大赛将会促进更加节能减排的汽车的问世。汽车节能可以通过很多渠道做到，本设计主要从车辆的轻量化角度出发，通过减少车架质量，从而在满足车架刚度的强度的条件下来进一步减少节油车整车质量。本设计对整车做了整体总布置，确定了重心的位置。而且通过PRO/E软件设计出了三个不同结构的模型，然后将三个车架模型转换成工程图。最后通过ANSYS软件多车架进行进一步的有限元分析，其中包括静力结构分析，模态分析，和基于实际情况的有限元优化设计。由于车架结构的复杂性，通过有限元软件不但可以减少繁重的计算量，而且可以有效提高计算精度。通过静力结构可以更为直观的反映出车架受的最大应力和变形，同时便于三种车架比较。通过模态分析可以看出车架的动态特性，看其是否在发动机怠速状态下与发动机发生共振，应该避免共振。车架优化设计原则上是以梁段横截面的高、宽和壁厚为设计变量（DV）,以总应力和位移为状态变量（SV），以车架总重量为目标函数的设计过程。但基于实际，本优化设计是在选出最好的车架模型的基础之上通过加减不同的梁，变换在不同处的梁截面，从而达到对车架优化的目的，进一步实现整车的轻量化而使得节能车更节能、更环保。

关键词：节能车；车架；轻量化；三维建模；静力分析；模态分析；优化设计

ABSTRACT

Facing the reduce of resource in our country or in the whole world, saving resource and protecting the environment are becoming more and more important nowadays. They have direct and huge meanings .The frame plays an important part in the car.It bends changing machanics from the car and ground, and should satisfied some strength. The composition which is put out by the HONDA Corporation would make more economical car be possible. We have many ways ,but my design is to try to make the frame much lighter. By doing this we can get the frame which meet our requiry. My design do the work that make the car’s components be in its really destination and make sure the location of its gravity. I have made three modes by PRO/E software and changed they into engineering paintings. At last I try to test by software—ANSYS,including statical analysis and motal analysis and getting better results by compariment .because of the frame’s not simpty, analysising by the sortware is more convinent and we can get more accute resaunts. By statical analysis we can get directly pictures of the whole machanic and the leave of the move from is original position. By motal analysis we can diagnose that if the frame will shock with the engine at the same pace. We should get the best resaunts by regarding the width and height in the cut face as the DV, by regarding the whole strength and the leave move from its original location as its SV, by regarding the gravity as its objective function. After thinking the reality, based on finding the best modes, I change different size of different beams so that we can get the best resaunts . Finally will get the most economical frame. It will make the economical car much better in realm of economy and will be good for our environment.

Key words： Fuel Efficient Veicle; Frame; Lightweight; Statical Analysis; Motal Analysis ; Optimizasion Design

摘要I

AbstractII

第 1章绪论1

1.1 节油车的研究背景1

1.2 HONDA节能竞技大赛的规则简介2

1.3节能赛车的节能技术简介3

1.4节能赛车的车架简介4

1.5节能赛车车架的研究的目的和意义6

1.6 HQJ-500型节油车车架研究的基本内容及技术路线7

第 2 章 HQJ-500型车架结构设计与总体布局8

2.1 节油车车架选用材料8

2.2 节油车车架结构设计8

2.3 节油车总体布局8

2.4 节油车整体质心位置的确定10

2.5 本章小结14

第 3 章基于PRO/E的模型的构建15

3.1 Pro/E软件简介15

3.2 车架三维模型的构建15

3.2.1 节油车车架方案一模型16

3.2.2 节油车车架方案二模型20

3.2.3 节油车车架方案三模型23

3.3 本章小结26

第 4 章有限元分析与优化设计27

4.1 有限元分析的简介27

4.1.1 有限元法及分析过程简介27

4.1.2 ANSYS软件简介30

4.2 基于对该车车架分析的软件预设置32

4.2.1 PRO/E和ANSYS接口的创建32

4.2.2 设置内存与选求解器34

4.3 节油车车架的结构静力分析38

4.3.1 ANSYS参数的定义38

4.3.2 网格的划分38

4.3.3 施加约束和载荷39

4.3.4 车架的结构静力分析44

4.3.5 车架静力分析的对比及阶段性结论50

4.4 基于实际的节油车车架优化设计50

4.4.1 优化设计的基本概念50

4.4.2 基于实际的车架结构的优化设计51

4.4.3 车架优化设计的阶段性结论53

4.5 车架的模态分析53

4.5.1 有限元模态分析简介53

4.5.2 优化后车架的模态分析53

4.5.3 优化后车架模态分析的结论57

4.6 本章小结57

结论58

参考文献59

致谢61

附录63

一、设计目的、意义

全面训练资料查询能力和专业知识综合运用能力，综合训练独立设计能力和工程设计软件的应用能力，提高独立工作能力和素质。

目前国际国内能源紧缩，研究节油车具有一定的社会意义。通过车架结构优化设计，对车架进行轻量化研究，可有效减少车重，从而降低油耗。国际油价和工业原材料的价格攀升，我国经济在能源领域更凸显这一问题的重要性。车架的轻量化能够减少整车质量，使汽车达到节能减排的目的，节约资本。通过节油车竞赛能为节油车产品的问世提供有利的前期研究和推动力。车架的优化设计是使得汽车能够节能减排的主要手段之一，因此，本课题设计研究内容对于全面提高学生工程设计能力和素质，研究节油车车架优化设计等问题具有重要的现实意义和良好的实用意义。

二、设计内容、技术要求（研究方法）

1、研究的基本内容

主要技术指标、要求或生产纲领：

采用发动机：125cc；驾驶员质量：40kg；

其它重量： 7kg；

设计主要内容及分析、校核：

进行设计赛车总体布局设计；

进行车架结构设计；

进行车架结构有限元优化设计与分析；

进行车架结构模态分析。

绘制设计总图和上述部分的结构装配图、零件图。

节油车的研究背景

节能与环保是当今世界的重要课题。汽车工业也面临了创新、优化产品类型的新挑战，以适应广大民众和社会的需求。其实，汽车的从无到有，由简单到复杂，由追求的目标的单一化发展到追求速度、舒适性等方面的多元化，一直在升级换代。百年间，在节约能源上有很大进展。整车轻量化，降低轮胎的滚动阻力，降低空气阻力，变速器多挡及无挡化，代用燃料的使用等思想就恰恰是人们对汽车在节能领域的总结和探索。

上个世纪八十年代的世界性课题之一就是“节能”，本田技研钻研节能课题的成果之一，就是推出了油耗仅为160km/L的新经济性车型spuercub,并为纪念这一车型的推出而举办了节能车竞技大赛。第一届大赛在铃鹿赛道上举行，比赛分为第一组合第二组两类。第一组的参赛车辆为搭载了本田50cc冲程引擎的市售二轮车，参赛选手为16岁以上的有驾驶执照者，是使用一定量的燃料比赛行驶多长的距离的竞技。另外，第二组的参赛的车辆为搭载一台50cc4冲程发动机的原创车型，参赛选手为18岁以上有驾驶执照者，是在规定的路程中以平均25km/h以上的时速行驶后比较油耗的竞技。

随着大赛举办次数的增多，油耗竞技的运动性和靠自己的智慧、技术制作车辆并不断改良的魅力使之越推越广，凭参赛者自己的双手扩大了影响，使大赛不断成长至今。21世纪节约能源、节省资源之外，环保工作也是刻不容缓。但是另一方面，能够随时去到自己想的地方去这种对车辆灵便性的要求也越来越高。要解决这一矛盾，除了投入科学技术之外，还需要使用者掌握经济智慧的使用方法。

以“挑战一升，环保一生”为口号的Honda节能竞技大赛，2007年正式登陆中国，参赛车辆统一搭载了由Honda公司提供的单缸四冲程发动机，车身和底盘等靠自己设计。比赛时用一定量的油在跑道内行驶，换算成一升油能在跑道上行驶多少千米，油耗少，则胜出。比赛旨在让更多的人体会到“低油耗就是环保”。

Honda中国节能竞技大赛是以搭载Honda4冲程的发动机为基础装置，分为两个组别，分别是市售车级别和节能车级别。其中节能车级别又分为学生组别、Honda关联企业组别和普通组别。现在学生组别一般由高校老师带领，学生动手动脑的积极参与。去年去我校——黑龙江工程学院在2010年的Honda中国节能竞技大赛上取得了很好的成绩。

HONDA节能竞技大赛规则简介

凡参赛的车辆必须符合大赛的规则，车手在规定的时间内行驶玩规定的路程，然后测量油耗。凡违反大赛规则的队伍将被取消参赛资格。具体比赛的进行流程在本说明书就不在赘述。下面就赛车规则予以简单的介绍。

要求参赛车辆必须为3轮以上（包括3轮），要求其结构无论是停止还是行驶时都为三轮以上（包括三轮）结构且能够站立。全高要求在1.8米以下，轴距要求在1.0米以上，全长要求在3.5米以下，轮距要求在0.5米以上，全宽要求在2.5米以下，排气管要求不能超出车身后面以及侧面10厘米以上，刹车配线等结构需要从车内穿过，以免与地面接触造成摩擦。节油赛车的节能技术简介

为能提高节油车的节能特性，可考虑一下几个方面：

1、传动系统

输出功率固定为2速挡，可省略变速器，减轻发动机本身的质量。不过，上述情况下若要车辆能够行驶并发挥最高车速，则需通过安装在车轮上的链轮齿轮比来决定。使用自行车用自由轮毂（棘轮齿轮），可以减少车轮旋转阻力，并且可防止发动机停止时发动机制动造成的减速和燃油消耗。因为要反复切换发动机驱动、惯性行驶，就必须对链条防松装置中的弹簧等加以调整，防止在使用驱动力时链条脱落。

2、点火系统

火花塞通过采用双火花塞的形式，可以使稀薄燃烧时燃烧室内的燃烧稳定且充分，并且能缩短燃烧时间，减少爆震。采用双火花塞时，要把握燃烧室的形状，防止添加的火花塞互相干扰。另外，进行加工时，最好事先准备好半旧的汽缸盖等供加工联系用。点火系的电气部分可借用能使2根火花塞同时点火的摩托车用部件。去掉交流发电机、飞轮部分以提高机械效率，使用蓄电池向火花塞提供电力，火花塞使用高压白金V火花塞。

3、汽缸

对汽缸盖上汽缸接触面进行磨削及研磨，同时，通过使用薄汽缸垫能提高压缩比；通过优化化油器到吸气口之间的进气支管的长度，可提高惯性吸气的填充效果；通过将排气管直管化并调节其长度，可提高惯性排气量；切削气门挺杆减轻重量，并对气门和连杆的表面进行研磨以降低转动惯性，同时防止附着过多的润滑油；发动机油为比赛期间的消耗品，可采用自然落下式，卸下既有的润滑系统以减轻重量；通过研磨吸气、排气口内部，减低供气排气摩擦阻力；由于发动机的驱动时间较少，为保温可去掉冷却风扇，这样也可减轻重量；吸气部的各个接合部位提高气密性可以使用填隙料等密封。

4、化油器

要延长全开驾驶时间，可变更化油器的主喷嘴、怠速喷嘴的直径，同时根据行驶基准线测定最佳调整值（以supercub 的整备信息为基础调整）。另外，天气会使最佳值发生变化，所以在比赛之前将各种天气情况下的设定值整理成数据库，会比较方便。

5、车架

为减轻底盘的重量，可以吧发动机当做车架的一部分。一般来说车架也可使用方钢材加固定螺栓的结构，但为了减轻重量减少体积，建议使用空心圆钢焊接而成的结构。另外，在需要强度的地方，可以加入支撑件。加强筋等增加强度；座位部为了支撑车手的体重需要进行必要加固，还要安装靠背使车手能经住长时间驾驶，靠背还可兼做发动机的隔板；板材可以通过开适度的孔等方法以减轻重量。

6、转向系统

为确保视野，车手的驾驶姿势以及视野要求会使车轮的设置位置受到很大限制，所以应先确定车手的驾驶姿态；根据连杆臂的长度和转向横拉杆的长度，决定方向盘舵角和实际舵角之比、内轮差。另外，有整流罩时，还需考虑转向时车轮和整流罩的互相干扰问题；关于前轮系统的定位，请在搭载了发动机、车手就坐时车身弯曲的情况下，调整到最佳角度，并注意阻力的减轻。特别是前轮前束和外倾角最好趋于0；转向臂的上部由于承受车辆荷重，在保持高强度的同时，可以在里面加入推力轴承，增加转向的顺滑性；轮胎对方向盘造成反冲，可以通过固定转向臂安装部位上下来调整，也可防止行驶时过度转向。 HQJ-500型车结构设计与总体布局

节油车车架选用材料

HQJ-500型节油车车架所选用的材料是6061铝合金。

6061铝合金的主要合金元素是镁和硅，并形成Mg2Si相。有时还添加少量的铜和锌，以提高合金的强度，而又不使其抗腐蚀性明显下降；导电材料中还有少量的铜，以抵消钛及铁对导电性的不良影响；锆或钛能细化晶粒与控制再结晶组织；为了能改善可切削性能，可加入铅与铋。在Mg2Si固溶于铝中，使合金有人工时效硬化功能。6061铝合金中的主要合金元素为镁和硅，具有中等强度、；良好的抗腐蚀性、可焊接性，氧化效果较好。美铝6061-T651是6系合金的主要合金，是经热处理预拉伸工艺的高品质铝合金产品；美铝6061具有加工性能极佳、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、上色容易、氧化效果极佳等优良特点。

主要用途：广泛应用于要求有一定强度和抗腐蚀性高的各种工业结构件，如制造卡车。塔式建筑、船舶、电车、铁道车辆。

节油车车架的结构设计

根据人机工程学，确定了人的腿的长度的精确范围，从而确定了置脚横梁到前桥横梁的纵向距离；根据驾驶员的前脚掌的活动范围确定了置脚横梁到钱保险杠的纵向长度；根据驾驶员与臀部座椅的接触范围，确定了车架前桥横梁到座椅横梁前端的纵向距离；根据驾驶员的上身的长度(以及根据驾驶员驾驶姿势的修正)可以确定座椅各梁在纵向的相对长度；根据驾驶员横向的宽度可以确定座椅的梁的横向宽度；根据发动机的极限高度确定座椅立梁的极限高度；根据发动机长宽高的尺寸确定了车架座椅后纵梁距离发动机固定横梁的距离；根据发动机打孔位置来确定支撑发动机的两个固定横梁的相对位置；根据发动机的高度来确定高架辅助纵梁的最低极限位置；根据选用车轮的直径的大小和节能车大赛规定的最小离地间隙来确定后桥纵梁距离车架最下端的相对高度；根据车轮半径确定车架后桥纵梁的长度；根据驾驶员的极限视野（水平方向或竖直方向）来确定前桥上横梁相对车架最下端的高度。

节油车的总体布局

现在市面上的汽车的车轮数一般都大于3，但是为了简化结构，提高传动效率，进一步减少车重，减少车速器等装置[5]。发动机的驱动齿轮直接通过链条和驱动车轮(后轮)上的从动齿轮相连并进行动力传递，所以本设计所设计的三个车架都是仅适用于前两轮后一轮的节油车型。

根据人机工程学的要求，对车手的体型和坐姿定下整车的初步初步控制尺寸进行各项数据的测量，并在PRO/E中建模，确立了车架的宽度长度、车身高度等。车架的宽度一般能满足车手乘坐要求，并能安装排线（刹车线、油门线、电线），车身安装即可，尽量取小。这样，在保证车架用料少的同时，也利于车身设计的流线型。车身高度尽量低矮，一般可以取发动机竖直放置时的最高点，这个高度车手躺下时的视野一般是可以保证的。底盘高度要保证有尽量大的离地间隙，同时又不能使重心过高，以免高速转弯时翻车。轮距轴距不及考虑太多，但要满足大赛要求，轴距轮距的计算、前后载荷分配等是为了保证有足够的地面附着力。我们节能车驱动力还没有能大到可以超过地面附着力的程度。所以只要保证不干涉即可（驱动力的大小取决于发动机的改造，当发动机输出的转矩过大时才要考虑此因素）。三个车架的总布置尺寸：

1、方案一

总长2997mm,总高1057 mm，车架最宽907mm，轴距1861mm，轮距800mm ，采用后置发动机后轮驱动。转向操作方法为握把手动式，最大转向角20度，驾驶员采用半躺－坐姿驾驶，视线角度上下为90度，左右为120度，接近角为8度。驾驶员选用体型较小的40kg重、身高在1550mm左右的女驾驶员。（图2.1）参考文献

[1]刘惟信.汽车设计[M].北京.清华大学出版社，2001.

[2]王望予.汽车设计[M].北京.机械工业出版社，2004.

[3]余志生.汽车理论[M].北京.机械工业出版社，2009.

[4]周建美，王桂姣.基于有限元分析的节能车车架轻量化设计[J].天津汽车，2008.9.

[5]赵晓昱，秦晓磊，周诚.SUES-1节能车改进设计[J].上海工程技术大学学报，2008.9.

[6]卞学良.专用汽车结构与设计[M].北京.机械工业出版社，2007.

[7]詹友刚.Pro/ENGINEER野火版3.0机械设计教程[M].北京.机械工业出版社，2007.

[8]李黎明.ANSYS有限元分析实用教程[M].北京.清华大学出版社，2005.

[9]刘鸿文.材料力学[M].北京.高等教育出版社，2004.

[10]李正网.基于ANSYS重型货车车架结构分析和优化研究[D].重庆交通大学硕士学位论文，2009.5.

[11]朱荣庆.重型载重汽车车架轻量化设计研究[D].武汉理工大学硕士学位论文，2006.5.

[12]宝生，李杰，林明芳．汽车优化设计理论与方法[M]．北京：机械工业出版社，2000.

[13]王海霞，汤文成等．客车车骨架有限元建模技术及结果分析[D]．机械强度，2002.

[14]靳福来．汽车轻量化技术现状[J]．汽车技术，1995.7.

[15]宋允祁，王中亭.解放CA1040系列轻型货车构造与维修[M].吉林科学技术出版社，1995.

[16]宋允祁.中国第一汽车集团公司汽车产品构造图册[M].人民交通出版社，2000.

[17]唐金松.简明机械设计手册[M].上海科学技术出版社，2000.

[18]成大先.机械设计手册[M].化工工业出版社，2001.1.

[19]西南交通大学应用力学与工程系.工程力学教程[M].高等教育出版社，2004.7

[20]于志伟，李明.Pro/ENGINEER完全手册[M].人民邮电出版社，2007.

[21]龚曙光.ANSYS基础应用及范例解析[M].机械工业出版社，2002.

[22]黄贵东，沈光烈.汽车车架有限元分析模型的改进与应用[J].装备制造技术，2007.2.

[23]曲昌荣，郝玉莲，戚洪涛.汽车车架的有限元分析[J].轻型汽车技术，2008.9.

[24]刘新田，黄虎，刘长虹，郭辉，范平清.基于有限元的汽车车架静态分析[J].上海工程技术大学学报，2007.6.

[25]冯宝林，赵韩，董晓慧.基于参数化有限元分析的某客货两用汽车车架的改型研究[J].农业工程学报，2008.1.

[26]董振国，刘大维，严天一，陈秉聪.半挂牵引车车架强度的有限元分析[J].拖拉机与农用运输车，2005.8.

[27]钟佩思,孙雪颜,赵丹,魏群,苏超.基于ANSYS的货车车架的有限元静态分析[J].拖拉机与农用运输车，2008.4.

[28]Burnett,David S.Finite element analysis.Addison-Wesley Pub.1987.

[29]Eilabu,Zahavi.The Finite Element Method in machine design.Newjersey Prentice—Hall,1992.

[30]Cheng z Q et a1．Experience in Reverse-engineering of a Finite Element Automobile Crash Model．FiniteElements inAnalysis and Design，2001(37).

车架方案三A1.gif

车架方案一A1.gif

优化后车架装配图A0.gif

质心图A1.gif

总装图A0.gif

内容简介：: SY-025-BY-2 毕业设计（论文）任务书学生姓名李恩来系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程B07-1班指导教师姓名齐晓杰职称教授从事专业车辆工程是否外聘否题目名称HQJ-500型节油车车架优化设计一、设计目的、意义全面训练资料查询能力和专业知识综合运用能力，综合训练独立设计能力和工程设计软件的应用能力，提高独立工作能力和素质。目前国际国内能源紧缩，研究节油车具有一定的社会意义。通过车架结构优化设计，对车架进行轻量化研究，可有效减少车重，从而降低油耗。国际油价和工业原材料的价格攀升，我国经济在能源领域更凸显这一问题的重要性。车架的轻量化能够减少整车质量，使汽车达到节能减排的目的，节约资本。通过节油车竞赛能为节油车产品的问世提供有利的前期研究和推动力。车架的优化设计是使得汽车能够节能减排的主要手段之一，因此，本课题设计研究内容对于全面提高学生工程设计能力和素质，研究节油车车架优化设计等问题具有重要的现实意义和良好的实用意义。二、设计内容、技术要求（研究方法）1、研究的基本内容主要技术指标、要求或生产纲领：采用发动机：125cc；驾驶员质量：40kg；其它重量： 7kg；设计主要内容及分析、校核：1、进行设计赛车总体布局设计；2、进行车架结构设计；3、进行车架结构有限元优化设计与分析；4、进行车架结构模态分析。5、绘制设计总图和上述部分的结构装配图、零件图。三、设计完成后应提交的成果1、设计完整的整体装配图，零、部件图，折合 A0图纸至少3.5张；2、设计计算说明书：1.52.0万字；3、相关设计资料应齐全。四、设计进度安排（1）第1周：领取任务、资料收集，进行调研；（2）第2周：继续调研，撰写开题报告，制定方案；（3）第3周：开题答辩、设计任务、总体方案草图设计与计算；（4）第4周：总体设计方案草图审核与修改；（5）第5-10周：完成图纸各总成、所有零件图的设计、计算与校核；（6）第11-12周：总图的修订、部件修订、校核、完成计算、修订说明书；（7）第13周：毕业设计（论文）修改、完善；（8）第14周：毕业设计（论文）委员会小组审核、预审；（9）第15周：毕业设计（论文）修改、完善；（10）第16周：毕业设计（论文）指导教师总审核；（11）第17周：毕业设计（论文）答辩准备及答辩。五、主要参考资料1陈家瑞.汽车构造（上.下册）M.北京：人民交通出版社，1994.2余志生.汽车理论M.北京：机械工业出版社，2000.3王望予.汽车设计（第四版）M.北京:机械工业出版社，2004.4刘惟信.汽车设计M.北京:清华大学出版社，2001.5卞学良.专用汽车结构与设计.机械工业出版社，2008.1版.6王国权、龚国.汽车设计课程设计指导书.机械工业出版社，2010.3版

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