（车辆工程专业论文）节能竞技车的研发与技术研究.pdf

摘要 随着近些年来人们生活水平的提高，能源节约、环境保护问题已经渐渐受到人们越 来越多的关注。世界石油储备量的急剧减少及原油价格的不断上涨预示了节能是当代汽 车发展的必然趋势。 本论文以2 0 0 8 年第2 届h o n d a 中国节能竞技大赛为设计背景，设计研发一款节能 竞技车。整个设计过程在满足竞赛要求的基础上，以降低整车机构复杂度从而降低整车 整备质量，减小整车阻力为主要指导思想，分别对节能竞技车的转向系统、动力传动系 统、行驶系统等整车各系统进行了合理的布置。论文确定了所研发节能竞技车的总体设 计方案。对转向机构进行了设计研发，利用a d a m s 软件对转向系统进行实体建模与运 动校核，验证了所设计转向机构的合理性。通过理论分析与大量的实车实验，确定了节 能竞技车的动力传动系统、驾驶模式和滚动阻力系数与空气阻力系数。在a d a m s v i e w 环境中建立了节能竞技车的整车实体模型，基于此模型对此车的稳态转向特性和加速一 一滑行驾驶模式进行了仿真分析。 关键词：节能，总体设计，滑行实验，三维实体建模，动力学仿真 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to ft h el i v i n gs t a n d a r d so fp e o p l e ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nh a sb e e ng r a d u a l l yg o tm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n t h e s h a r pd e c l i n eo ft h ew o r l d so i lr e s e r v e sa m o u n ta n dt h ec o n t i n u er i s i n go fc r u d eo i lp r i c e s i n d i c a t e st h a te n e r g ys a v i n gi st h en e c e s s a r yt r e n d so ft h ep r e s e n tv e h i c l ed e v e l o p m e n t p a p e r sd e s i g n e da n dd e v e l o p e da ne c o n o p o w e rc a ro nt h es e c o n dh o n d a2 0 0 8c h i n a e c o n o p o w e r t h em a j o rg u i d i n gi d e o l o g yw h i c hb a s e do ns a t i s f a c t i o no fc o m p e t i t i o n r e q u i r e m e n ti st or e d u c et h ew h o l ev e h i c l ee q u i p m e n tq u a l i t ya n dr e s i s t a n c et h r o u g hl o w e r i n g t h ew h o l ev e h i c l em e c h a n i s mc o m p l e x i t yd u r i n gt h ee n t i r ed e s i g np r o c e s s i ts e l e c t e d r e a s o n a b l es c h e m ea n dm a t c hp a r a m e t e r so nt h ew h o l ee c o n o p o w e rc a rs y s t e m ss u c ha s s t e e r i n gs y s t e m ，p o w e r t r a i ns y s t e m ，t r a v e l i n gs y s t e ma n ds oo n t h eo v e r a l ld e s i g np r o g r a m o fe c o n o p o w e rc a rw a sd e t e r m i n e di nt h ep a p e r o nt h ee c o n o p o w e rc a rf o rt h ed e s i g no f s t e e r i n gd e v e l o p m e n tt o w a r d st h eu s eo fa d a m ss o f t w a r es y s t e mm o d e l i n ga n dc a m p a i g n c h e c k ，t ov e r i f yt h ed e s i g no fs t e e r i n gt r a p e z o i db o d yi sr e a s o n a b l e t h r o u g ht h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dal a r g en u m b e ro fr e a lv e h i c l ee x p e r i m e n t s ，t h ep o w e r t r a i ns y s t e m ，d r i v i n g p a t t e r n s ，r o i l i n gr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n ta n da i rr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to fe c o n o p o w e rc a rw a s d e t e r m i n e d t h es o l i dm o d e lo fe c o n o p o w e rc a r w a se s t a b l i s h e di nt h ea d a m s v i e w e n v i r o n m e n t ，s t e a d y - s t a t es t e e r i n gp e r f o r m a n c ea n da c c e l e r a t i o n - s l i d i n gd r i v i n gm o d ew a s s i m u l a t e da n da n a l y z e db a s e do nt h em o d e l k e y w o r d s ：e n e r g yc o n s e r v a t i o n ；e n t i r ed e s i g n ；s l i d i n ge x p e r i m e n t s ；t h r e e d i m e n s i o n a ls o l i d m o d e l i n g ；d y n a m i cs i m u l a t i o n i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：唿伽9 年钥p 弓日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 吨易 沙7 年d 钥够日 导师签名：主ti 。州t o 乍弋 p 年易月今日 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 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。其中参 加比赛的车辆均搭载由本田技研工业投资有限公司开发的h o n d a 弯梁车的1 2 5 c c 化油器 低油耗四冲程发动机。 h o n d a 节能竞技大赛于1 9 8 1 年在日本创办，至今已有2 9 年的历史。比赛要求参赛 车辆使用统一的h o n d a 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5 0 0 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2 8 届比赛中创下的最高记 录为3 4 3 5 3 2 5 k m l ，相当于北京到重庆的直线往返距离。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2 0 0 0 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2 0 0 6 年在上海举行了试行大赛，2 0 0 7 年1 1 月1 1 日，第1 届h o n d a 中国节能竞技大赛在上海国际赛车场圆满举行，2 0 0 8 年 1 1 月1 6 日，第2 届h o n d a 中国节能竞技大赛在上海国际赛车场胜利举办。长安大学于 2 0 0 7 年首次参加到这项赛事中来，在2 0 0 8 年第2 届h o n d a 中国节能竞技大赛中，长安 大学代表队长安御风l 号赛车1 升汽油跑了3 6 3 1 2 3 公里，御风2 号赛车l 升汽油跑了 3 2 6 4 8 5 公里。 h o n d a 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。h o n d a 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h o n d a 一直致力解决的重要课题之一。在产品领域，h o n d a 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，h o n d a 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c 0 2 的排放。此外，h o n d a 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，h o n d a 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 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1 2 0 7 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2 0 f i 】；另一方面，机动车排放污染已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。 自2 0 0 4 年起，中国超越了同本成为仅次于美国的世界第二大石油消耗国。2 0 0 6 年， 中国对进口石油的依赖增至年需求总量的4 7 ，2 0 0 6 年中国的原油净进口量为1 3 8 8 4 万 吨。而在1 9 9 0 年一2 0 0 3 年的1 3 年里，中国汽车保有量年均增长率达到1 2 ，汽车燃油消 耗在中国石油消耗中所占的比例f 1 益增大。2 0 0 4 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3 0 被汽车消耗，而这一比例在今后将升至5 0 。 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，2 0 0 5 年中国汽车排放污染在城市大气污染中所占比例高达7 9 。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【2 1 。 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，激发各参赛车 2 长安大学硕上学位论文 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一届参赛节能竞技车的基础 下，研发一款节能竞技车。 1 2 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 对节能竞技车的动力传动系统以及驾驶模式进行研究与实车实验，确定较为合理 的方案。 4 对节能竞技车进行实车滑行实验，得到实车滚动阻力系数和空气阻力系数，为节 能竞技车的建模仿真提供依据。 5 对节能竞技车进行整车实体建模，并基于此模型对加速滑行驾驶模式进行仿 真分析。 第一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 21 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 轮咀上( 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： 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2 5 k m h ) ，因此放弃该方案。前一轮后两轮的具体布置形 式如图2 i 所示。 田z i 前一轮后两轮的布置形式 2 前一轮、后一轮外加两个辅助轮根据节能竞技大赛规则，参赛车辆在行驶过程 中要始终保证3 个以上车轮接触地面，而这种布置形式在车辆行驶过程中很容易出现只 有两个车轮行驶的情况，有可能在安检中就被判为不合格，从而放弃该方案。前一轮、 后一轮外加两个辅助轮的具体布置形式如图22 所示。 长安太学硕士学位论立 圈2 2 前一轮、后一轮外加两个辅助轮的布置形式 3 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。其次，构造的复杂度和制作难度会明显提高，因为多了驱动半轴和差速器 等一系列结构，同时也会增加整车的质量。由于其在比赛中的劣势比较明显，从而也放 弃该方案。前两轮后两轮具体布置形式如图2 3 所示。 图2 j 前两轮后两轮的布置形式 4 前两轮后一轮这种布置形式在以往的节能竞技大赛中应用的晟为广泛，其优点 为在保证较小的行驶阻力的自口提条件下，也能够较好地保证行驶的稳定性，从而保证了 节能竞技车的安全性。同时由于该种布置方案为后一轮驱动省去了差速器和驱动半轴 等结构，大大降低了机构的复杂程度。 第一章节能竞拉车总体设计方案确i 考虑到其较为适合比赛性质，因此本次所研发节能竞技车总体布置方案采用此种布 置形式。前两轮后一轮具体布置形式如图2 4 所示。 图2 4 本扶所研发节能竞技车前两轮后一轮的布置形式 2 2 车架的材料与结构确定 在车架材料和结构方案的确定过程中应该同时考虑到小巧、轻便、结实、安全和价 格等因素。因为车架质量的大小在一定程度上直接影响油耗，而且所选材料以及结构的 合理性对车辆的安全性也有着很大的影响。 根据前面确定的前两轮后一轮的总体布置形式，有以下几种车架材料和结构方案可 供选择： 1 钢管梯形车架，如图2 5 所示。 图2 5 钢管梯形车架 2 铝材梯形车架，如图2 6 所示。 k 安大学碗上学位论文 泄 图2 6 铝材梯形车架 3 铝材无骨架结构车架，如图2 7 所示。 4 钢管承载式 图2 8 钢管承载式车架 第= 章节能竞技车总体设计方案确定 5 铝材承载式车架，如图2 9 所示 图2 9 铝材承载式车架 6 碳纤维增强复合塑料无骨架结构车架，如图2 1 0 所示 e f 圈2 1 0 碳纤维增强复台塑料无骨架结构车架 在车架制作过程中，综合考虑材料的强度要求，制作方案的可行性，制作成本以及 制作周期等诸多因素，最终选定铝材梯形结构车架作为本次所研发节能竞技车辆的车架 方案。其优点主要有以下几个方面： 1 铝制材料这里主要选取铝合金，其密度要比钢的密度小很多，故相同的体积其质 量较钢材要轻得多，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 铝制材料加工起来较为方便材料的连接成型可以通过铝焊、氩弧焊或者铆接等 方法来实现。 3 铝制材料价格也较为便宜，较镁合金、碳纤维增强复合塑料等一些高级材料虽然 在强度和重量方面都有着较大的劣势，但在价格方面却无疑有着明显的优势，能够大大 长盘 学顶士学位论立 降低车辆的制作成本。 2 3 驱动方案确定 由于节能竞技车总体布置方案己确定为前两轮后一轮的形式，如果采用前驱的方案 将会使设计制造的复杂程度增加，而如果采取后驱的驱动形式，后一轮驱动就不用涉及 差速器等方面的考虑，简化了设计复杂度。 2 4 车轮的型号确定 在节能竞技车的研发过程中车轮的型号选取也是十分重要的环节。因为轮胎不但 影响着车辆在行驶中的滚动阻力，还影响着车辆在行驶中的稳定性所以在车轮的选取 过程中要综合考虑滚动阻力和行驶稳定性诸多方面的影响。在以往的节能竞技大赛中， 各参赛代表队选取使用的车轮种类基本上有以下几种： 1 2 0 英寸节能竞技车专用轮，如图21 1 所示。 雷2 1 12 0 英寸节能竞拄车专用轮 2 2 0 英寸自行车专用轮，如图21 2 所示，图中采用的轮胎尺寸为2 0 x1 8 5 。 图2 1 22 0 英寸自行车专用轮 第一# 能竞技车总体设计方$ 确定 32 6 英寸车轮，如图2 1 3 所示，车轮直径选取过大会直接增大空气阻力，还会造成 侧向力作用在车轴上的力臂加大，所以在选取较大直径的车轮时应注意保证车轴的强 度。 圈2 1 32 6 蓖寸车轮 41 2 英寸车轮，如图21 4 所示，选取直径较小的车轮可以在一定程度上减小空气阻 力的影响。 图2 1 41 2 英寸车轮 综合考虑以上几种车轮的特点，节能竞技车专用轮目前国内还没有相关产品，所以 本次节能车最终采用2 0 英寸的自行车专用轮。在采用自行车用轮时要注意的一点就是 自行车在行驶过程中的车轮和车轴是不受侧向力作用的，但是在节能竞技车的结构中， 车轮和车轴是要受到侧向力作用的。 图2 1 5自行车在弯道赴倾斜车身行使时所受重力、离心力和合力示意圈 从图21 5 中可以明白，自行车在弯道处倾斜车身行驶时，重力将车身向下拉倒而 离心力则将车身向上立起，为了让这2 个力平衡，这2 个力的台力应与轮胎的旋转面平行 作用。也就是说，自行车用轮与汽车用车轮不同，是考虑到其不会受到侧向上较大力的 情况下制作的【】。若将这种车轮用于节能竞技大赛车辆上，由于在转弯处车身不会倾斜 所以会受到侧向力的影响。凼此车轮和车轴的接触点轮毂，为减少摩擦使车轮平稳旋 转，不能使用自行车专用的轴承，而要加装机械用的滚珠轴承来增大强度，并且所选的 车轮的车轴也必须要有足够的强度。 考虑到尽量减小滚动阻力的同时还要保证足够的附着系数，两前轮均采用2 0 英寸 德国马牌s p o r tc o n t a c t2 0 11 2 5 防刺光头细外胎、后轮则采用2 0 英寸德国马牌 s p o r tc o n t a c t2 0 x1 8 的防刺光头宽外胎。车轮实物如图21 6 所示。 图21 6 节能竞技车所安装两前轮与后轮实物凰 第章节能竞杖午总体设计方案确2 三个轮胎均使用高气压轮胎( 轮胎气压8 0 p s i 以上) ，目的在于减小轮胎接地面积， 以减小滚动阻力。后胎采用较宽的车胎其主要原因为驱动方案定为后轮驱动，以保证获 取足够的地面附着力。 2 5 转向方案确定 转向方案的确定应该综合考虑车辆的结构形式，而且由于所设计车俩为特定比赛车 辆，还应该考虑到比赛场地的因素。常见的节能竞技车转向方式如下： 1 中央支撑式，如图21 7 ，这种方式是把整个车轴作为转向装置，虽然在结构制作 方面较为简单但是在实际驾驶操作方面明显存在弊端，比如转向不灵活、费力等。 圉21 b 阿卡曼式部分结构a 图 k 安大学碰学位论立 图2 1 8 阿卡曼式整体结构b 图 田2 1 9 阿卡曼式示意图 为了降低转向机构系统的复杂程度，同时又能保证具有足够的转向能力。最后转向 方案确定为整体式转向梯形结构，具体设计方案将在第三章中进行详细论述 26 车身材料选取及制作 车身材料的选取在历届的节能竞技大赛上可谓是五花八门，参赛选手选取各种各样 的材料来制作自己的车身，在尽可能地降低空气阻力的同时也展现了各参赛队的想象力 和工艺制作水平，图22 0 就展示了历届比赛中出现过的各种车身。 本次节能竞技车车身研发设计中，车身透明部分采用亚克力( 有机玻璃) 进行加工 制作，因为必须满足竞技大赛规定的前方视野要求：所有车辆在车手以正常驾驶姿态驾 驶时，正前方的视野必须至少宽达左右9 0 。，而且保证不使用反射镜、棱镜、潜望镜等 直接可视高为8 0 c m 的物体。非透明部分则采用f r p ( 玻璃钢) 进行加工制作，其主要 原因为二者能够按照图纸做成比较光滑的流线型整体车身，整个车身浑然一体，效果美 圈醒圈曩灌河捆圈冒铷 ；过黼瓣露匿 笫一章节竞技乍总体酲”方案m 定 观，并且在保证车身强度足够的条件下在重量上也有较大的优势 铝轻木属板布 图2 2 0 历届节能竞技大赛所采用的车身 为了追求更低的空气阻力系数，按照空气动力学理论，整个车身采用流线型设计， 在尾部采用鸭尾式结构。为了最大限度地降低车身内循环阻力，把车身底部除了后车轮 部分之外完全包裹起来，形成了一个整体式车身。这样做还有一个好处就是，在驾驶竞 技车辆行驶时，驾驶室内不会进入太多的灰尘，为驾驶员营造了一个较为干净的驾驶环 境。为了使车身尽量制作简单，将两前轮暴露在外但是这样做增大了空气阻力，故采 取用扰流板将车轮辐条完全覆盖起来的措施。 综合考虑这些因素之后，最终加工制作形成车身实物如图22 l 所示。 图2 2 1 车身实物图 长安大学硕上学位论文 2 7 本章小结 1 确定了节能竞技车总体布置方案为前两轮后一轮的形式，驱动方案为后轮驱动。 2 确定了车架的材料与结构为铝合金梯形车架。 3 确定了节能竞技车所安装车轮为2 0 英寸自行车专用轮，两前轮均采用德国马牌 s p o r tc o n t a c t2 0 x1 1 2 5 防刺光头细外胎、后轮则采用德国马牌s p o r tc o n t a c t 2 0 x1 8 的防刺光头宽外胎。 4 确定了转向方案为整体式转向梯形结构。 5 对车身材料进行了选取及制作了流线型整体车身。 第三章转向机构设计及运动学分析 第三章转向机构设计及运动学分析 3 1 汽车转向梯形机构设计理论 转向梯形机构用来保证转弯行驶时汽车的车轮均能绕同一瞬时转向中心在不同半 径的圆周上作无滑动的纯滚动。两轴车在转向时，若不考虑轮胎的侧向偏离，则为了满 足车轮在转向时作纯滚动，转向梯形应保证内、外转向车轮的理想转角关系如图3 1 所 示。 图3 1 理想的内、外转向车轮转角间的关系 由式( 3 1 ) 决定： a g o 。一c t g o , = 百d o - c o = i k ( 3 1 ) 式中：皖外转向轮转角； 鼠内转向轮转角： k 两转向主销中心线与地面交点间的距离。 i 一轴距。 转向梯形机构有整体式的和分段式的两种。由于在节能竞技车的转向系统设计中采 用的是整体式转向梯形，因此在这里仅对整体式转向梯形机构的设计做一下简单介绍。 整体式转向梯形机构实际上不能完全精确地满足式( 3 1 ) 的要求，而只能以足够的工程 精度接近该式。即转向梯形机构使式( 3 1 ) 中的值不再是汽车的轴距l ，而是 l 如图3 2 。若令三越接近1 ，则该转向梯形越能精确地反映式( 3 1 ) 的要求，转向亦 1 6 长安人学硕上学位论文 越顺畅【3 1 。 【曩传) 图3 2 不计轮胎侧偏角时的汽车转向简图 ( a ) 内、外转向轮的理想转角关系；( b ) 由转向梯形决定的内、外转向轮的实际转角关系 由图3 2 ( b ) 中的a o a b 有 o a = k s i n o t s i n ( q a o ) l l = k s i n 岛s i n o o s i n ( e , 一皖) 旯= 足s i l l s i n a o 三s i n ( q e o ) j ( 3 2 ) 转向梯形机构的尺寸参数有： 两转向主销中心线与地面交点间的距离k ； 转向横拉杆两端球铰接中心问的距离n ； 转向梯形臂长m ； 梯形底角0 ，见图3 - 3 所示。 根据汽车的总体布置或转向桥的布置图，首先可找出汽车的轴距l 及转向主销间距 k ，再按y = m n = 0 1 2 ，o 1 4 ，0 1 6 在图3 3 的关系曲线图上找出x ，则有 0 = a r c t a n x l ( o 5 k ) 】l 玎= k ( 1 + 2 y c o s 0 ) ( 3 3 ) 聊= ” j 当转向梯形由于布置上的原因需置于转向桥之前时，则转向横拉杆的尺寸n 要比主 销间距k 更长，则有 1 7 第三章转向机构设计及运动学分析 ，l = k ( 1 - 2 y c o s 0 ) x o 7 0 o 。专s o 。6 0 瓯1 20 。1 60 s 00 5 4 0 5 8 r l , ( 3 4 ) 图3 3 转向梯形简图及x 与k l 的关系曲线 1 - y = m n 一0 1 2 ；2 ：y = o 1 4 ；3 - y = o 1 6 当k 、l 确定后，根据图3 3 所示的y 的三种取值，按式( 3 3 ) 可求得转向梯形的 三种尺寸方案，有了这些方案就可对一系列按大小排列的鼠值以图解法确定其相应的铱 值，进而按式( 3 2 ) 求出见值。然后在同一图上绘制三种梯形方案的a 随鼠的变化曲线 及2 = l 的直线。最后选取的梯形方案应是在使用最频繁的转角q 下其名( 鼠) 值最接近 旯= 1 直线的那个梯形方案。当汽车采用高弹性轮胎时，转向梯形机构接近于直角形状。 为了使转向传动结构能正常工作，内、外转向轮的最大转角之和应满足的条件是： q 一+ o o 一7 0 0 。 3 2 节能竞技车转向机构设计 在设计转向系时首先应考虑驾驶员的驾驶姿势，然后确定方向盘的位置和方向盘的 形式。确保驾驶员能够轻松地操纵节能竞技车，同时考虑制动和节气门的控制方式，在 这里采用了摩托车的转向手柄。关于转向机构，为了减少转向时的阻力，从汽车转向系 的思路考虑，采用梯形机构，经过轴距和前轮轮距对梯形机构的臂长进行计算。梯形的 横拉杆设计时也要考虑到前轮前束的问题，空载和满载情况不同，车架和转向系的变形 也是无法预知的，于是需要梯形横拉杆和转向臂的相对位置是可调的。转向手柄对转向 轮的操控是通过转向横拉杆来实现的，并对车轮定位参数等影响转向性能的参数进行了 合理分析。 3 2 1 节能竞技车转向梯形参数确定 参考四轮汽车整体式转向梯形机构的设计，假设将四轮汽车的后两轮合并为一个 长安火学硕七学位论文 轮，同时为了使转向横拉杆不受压缩力，故设计节能竞技车的转向梯形机构为前置整体 式转向梯形机构【3 】，机构简图如图3 4 所示。 图3 4 节能竞技车转向梯形简图 节能竞技车转向梯形各参数方程如下： 口= a r e t a n x l ( o 5 k ) 】l 刀= k ( 1 - 2 y c o s a ) ( 3 5 ) 聊：炒 j 利用本章第一节给出的方法，l = 1 5 4 0 m m ，给出y 的值，并确定出最为合理的转向梯 形方案，并利用式( 3 5 ) 计算出转向梯形的基本参数如表3 1 所示。 表3 1 转向梯形参数表 参数 设计参数值 n6 9 2 m m m 9 0 m m k6 4 0 m m 口 6 0 0 x2 3 3 2 2 节能竞技车转向系车轮定位参数确定 1 主销倾角 为了使车辆在行驶过程中有良好的回正能力，同时又要避免转向系过于复杂，对于 主销的内倾和后倾两者二选一，由于采用主销内倾，左右主销将不平行，这样梯形横拉 1 9 第三章转向机构设计及运动学分析 杆就得做成分段式会造成机构复杂，于是在节能竞技车的设计中采用的是主销后倾。由 于没有相关车型参考，因此此处以自行车和摩托车的后倾角为参考，自行车的主销后倾 角2 2 度，如图3 5 所示，汽车则是2 ，3 度，考虑到自行车是前单轮，节能车为前两轮， 故取值不宜过大，而同时节能竞技赛车车轮又比汽车窄得多，而且纵向力小得多，也不 可取小值，初步设主销后倾角1 0 度。 带豫i 墨穰f 褥同王硐甲f ? 臻棒 纯胎疆匏鼎问题翻j 图3 5自行车主销后倾角示意图 2 前轮外倾角 车轮外倾用来克服机械间隙和车架变形，在设计过程中设计外倾角为1 度，但是由 于加工方面不能保证，最终将车轮外倾角设为零。 3 前束后束 车辆行驶过程中要尽量避免后束的形成，因此汽车一般采用前束的方案，但在节能 车的设计过程中主要以节能为目的，因此在设计过程中采用既不前束也不后束的方案， 即a = b 如图3 6 所示。 图3 6 车轮定位 2 0 长安大学碰i 学位论i 3 23 节能竞技车转向系设计 最终通过确定出的转向机构各构件的基本参数，并基于a d a m s v i e w 对转向系统 进行三维实体建模，得到转向系统的三维装配图如图3 7 所示。 图3 7 转向系三维效果图 33 计算分析过程综述 利用a d a m s 软件中提供的零件库、约束库、力库等建模模块按照所要分析的系 统的物理参数，建立起多刚体系统模型。a d a m s 软件进行运算时，首先读取原始的输 入数据，在检查正确无误后，判断整个系统的自由度。如果系统的自由度为零，进行运 动学分析。如果系统的自由度不为零，a d a m s 软件通过分析初始条件，判定是进行动 力学分析还是静力学分析。在确定了分析类型后，a d a m s 软件通过其功能强大的积分 器求解矩阵方程。如果在仿真时间结束前，不发生雅克比矩阵奇异或矩阵结构奇异( 如 位置锁死) ，则仿真成功。此时，可以通过人机交互界面再输入新的模拟结束时间，获 知进行有关参数的测量及绘制曲线。如果在仿真过程中，出现雅克比矩阵奇异或矩阵结 构奇异，则数值发散，a d a m s 软件显示为仿真失败，这需要检查系统模型( 特别是运 动机构的位置锁死点以及约束的类型) ，或者重新设置时间步长、系统阻尼、数值积分 程序中的控制参数等，直到得出正确的仿真结果 4 1 1 。i 。 第= 章转向机构设计运动学* 析 3 4 转向梯形机构的运动学分析 通过前面确定出的转向梯形机构的基本参数，建立a d a m s 实体模型如图3 8 所示， 利用a d a m s 仿真软件进行转向梯形机构的运动学仿真分析，以验证转向机构设计的合 理性。 图3 8 转向机构a d a m s 实体模型 设置合适的仿真步长加载转向驱动函数，进行向左转向右转运动学仿真分析，仿 真结果分别如图3 1 0 、31 1 所示。 图3 9 节能竞技车未转向时的转向机构示意图 田3 1 0 向左转运动学仿真圈 图3 1 1向右转运动学仿真图 现假设转向极限位置为向右或向左旋转4 5 度，在a d a m s v i e w 中设置传感器进行 运动学仿真分析，并在转向过程中将梯形机构的两个底角变化情况描绘成如图31 2 、31 3 所不。 第= e 转目h l 构* 女* * 图3 1 2 右转时转向梯形左右底角变化曲线图与实物图 墨 笔 誓 错 圈31 3 左转时转向梯形左右底角变化曲线图与实物图 之皑嫒蚝避仲 o醚暇睚噗州 k 业 学颐1 。学位论立 由图3 1 2 可以看出，节能竞技车在向右转时，梯形机构左底角由6 0 度变化到7 96 6 度( 小于1 8 0 度) ，右底角由6 0 度变化到3 15 2 度( 大于0 度) ；由图3 1 3 可以看出， 节能竞技车在向左转时，梯形机构左底角由6 0 度变化到3 15 2 度( 大于0 度) ，右底角 由6 0 度变化到7 96 6 度( 小于1 8 0 度) 。 通过a d a m s 对转向机构模型的运动校核分析，可以明显看出，所设计的节能竞技 车转向机构转向顺畅稳定，在工作过程中没有出现机构锁死、运动干涉和不转向等机构 问题，从而验证了该转向机构的设计是合理的并可以实现的。 3 5 转向机构的加工制作 通过上述机构的参数确定以及运动校核分析，得出设讨方案的可行性，并根据设计 对转向机构系统各部件进行) j n 3 - 制作及装配，最后形成实物如图31 4 所示。 圈3 1 4 转向机构实物图 3 6 本章小结 1 对节能竞技车转向梯形机构进行了研究设计。 2 在a d a m s v i e w 环境中对该机构进行实体建模与运动校核分析，验证了机构的设 计是合理可行的，并最终加工制作出成品。 第四章节能竞技车动力传动系统与驾驶模式确定 第四章节能竞技车动力传动系统与驾驶模式确定 本次所研发节能竞技车动力传递方式选定为链传动，发动机改装、传动比的大小和 车辆驾驶模式等方面的因素对节能竞技车的比赛成绩影响很大，因此，动力传动系统的 参数确定非常重要。 4 1 动力传动系统参数确定 节能竞技车动力传动系统主要包括：发动机、主动轮、传动链、从动轮和离合器五 部分。发动机发出的动力经由变速机构到达发动机外部的主动链轮，接着由传动链传到 从动链轮，最后通过常分离式离合器到达驱动车轮。图4 1 所示为本次研发节能竞技车 的动力传动系统示意图。 发动机 | 厂一。 传动链 厂一。 主动轮从动轮 图4 1 节能竞技车的动力传动系统示意图 4 1 1 理论传动比的确定 为了最大限度地挑战节油的极限，从理论上确定此节能竞技车的传动比，如果实际 驾驶中能够做到，那将是最好的情况，做不到也要从技术上尽量接近此传动比，通过国 家摩托车质量监督检验中心出具的本田节能竞技车发动机的外特性表与曲线可以得到， 在发动机转速为3 5 0 0 r p m - 4 0 0 0 r p m 这个范围内时，发动机的燃油消耗率最小，为 3 0 4 9 k w h 。如果能将发动机转速一直保持在此范围内进行车辆的行使，将达到最节油 的目的。为此取这个范围的平均值为3 7 5 0 r p m ，取从1 5 k r n h 加速到4 5 k r n h 的平均车速 为3 0 k m h ，这样由公式( 4 1 ) 怔安 学硕学位论立 i ：0 3 7 7r n( 41 ) 得到，i = 03 7 7r n = 03 7 7 x0 2 5 4 ，。3 7 5 0 ：1 19 7 j u 其中r 为驱动轮半径。 由于此传动比是根据发动机外特性得到的，也就是说要在节气门全丌的条件下行使 车辆爿能实现，而在竞技车辆的实际驾驶过程中，节气门一般是部分开启( 出于节能竞 技车安全性和缓慢加速性考虑) 的，因此能否在这个传动比条件下进行车辆的行使，还 要综合考虑车辆的实际驾驶情况。 4 12 实际传动比的确定 参考历届本田节能竞技大赛的历史经验，节能竞技车在行驶过程中是以加速到某一 速度后再关闭发动机滑行到某一速度然后再加速的行驶方式进行比赛的。因此，要保证在 滑行过程中尽可能地减小机械摩擦运动所带来的能量损耗，采取离合器的动力结合方 案。同时考虑车辆在比赛过程中滑行的时间较加速时问要长得多，因此采用离合器常 分离的方案，即在加速过程中通过执行机构使离台器结合，关闭发动机滑行时则处于自 然分离状态。离合器结构形式如图4 2 所示。 图4 2 离音器接台分离状态三维模型 大家知道在一定道路上，汽车用不同排档行驶燃油消耗量是不一样的。显然， 在同一道路条件与车速下，虽然发动机发出的功率相同，但档位越低，后备功率越大， 发动机的负荷率越低，燃油消耗率越高，百公里燃油消耗量就越大，而使用高档时的情 况则相反 。 鉴于以上所随，再参考节能竞技车发动机参数以及变速机构各档传动比，如表41 所示，把变速机构的一档二档j 档都拆除以减轻重量直接采_ l f 】最高档四档( 实车实 第四章节能竞技车动力传动系统与驾驶模式确定 验证明可以平稳起步) 进行实验，在发动机外部则采用两种链传动比进行试验比较，看 哪一组的成绩更为理想。第一组采用发动机所配套的原装链传动比，主动链轮齿数为1 4 ， 从动链轮齿数为3 6 。另一组则根据节能竞技车的实际载荷和行驶状况在上一组传动比的 基础上进行调整，主动链轮齿数为1 4 ，从动链轮齿数为2 9 。在同样的状态和行驶条件 下，进行分组试验，试验结果如表4 2 所示。试验结果对比图如图4 3 所示。 表4 1 变速机构各档传动比 变速方式 四档常啮合、循环变档 曲轴至主轴减速比 3 3 5 ( 6 7 2 0 ) 变速机构 一档2 5 ( 3 5 1 4 ) 二档1 5 5 ( 3 1 2 0 ) 主、副轴减速比 三档1 1 5 ( 2 3 2 0 ) 四档0 9 2 3 ( 2 4 2 6 ) 表4 2 传动比对比试验 主动链轮齿数与从动链轮 行驶方案( k n g h )车辆状态成绩( k m l ) 齿数之比 1 8 2 1 7 6 1 4 3 62 0 4 1 9 0 无车身2 1 1 4 0 ( 熄火) - 15 ( 8 动) 发动机四档 2 5 1 0 2 4 3 0 1 4 - 2 92 5 7 9 2 7 0 6 2 6 4 4 长安大学硕十学位论文 图4 3 不同传动比成绩对比图 由以上的试验结果可以比较明显地看出，在行驶状态相同的情况下，后一组的链传 动比较前一组更为省油，成绩更好，因此选取后一组链传动比，即主动链轮为1 4 齿， 从动链轮为2 9 齿，链传动的传动比为2 9 1 4 。 至此可以得出节能竞技车的总传动比为3 3 5 x o 9 2 3 2 9 1 4 = 6 4 ，为了追求节油的极 限，再一次对发动机变速机构进行改造，就是把变速机构剩下的主轴和四档副轴全部拆 除，在发动机外部直接采用链条连接曲轴齿轮( 主动齿轮) 和驱动轮齿轮( 从动齿轮) ， 此时确定主从动齿轮的链传动比为6 4 ，这样做的目的就是为了尽可能地减少变速机构 不必要的传动摩擦损失，改装完毕后在长安大学渭水试验场进行实车实验，实验结果如 表4 3 所示，与改装前对比结果如图4 4 所示。 表4 3 拆除变速机构后实验成绩 链传动比行驶方案( k m h )车辆状态 成绩( k r n l ) 2 8 4 4 无车身 2 7 1 1 6 4 4 0 ( 熄火卜1 5 ( 启动) 2 7 8 9 完全拆除变速机构 2 9 7 5 2 9 1 3 第口能拙乍自山nz 系统，4 ；驶摸c 确定 图4 4 变速机构改装前后成绩对比 由图4 4 可以看出，把发动机变速机构彻底拆除后的实验成绩比保留变速机构主轴 和四档副轴的成绩要好，因此本次所研发节能竞技车运用此改装方案，并晟终确定总传 动比为6 4 。 4 2 节能竞技车比赛驾驶模式的确定 在上一节中确定了总传动比以及发动机改装方案，然而比赛驾驶模式的确定对节能 竞技车的竞技成绩也起着举足轻重的作用。根据比赛规则节能竞技车足通过行驶一定 的距离所消耗的燃油量来换算出l l 燃油所能行驶的距离来作为比赛成绩的，而且规定 平均时速不得低于2 5 1 0 r d h 。因此在平均时速不低于规定时速的基础上，分别给出几组 驾驶模式进行试验分析如表4 , 4 所示。 表4 4 驾驶模式试验表 吱数成绩( 1 ( f | - d l )行驶速度( i 哪m )状态平均成绩( 22 7 1 1 无 3”89 4 嘎熄火) 15 ( 启动) 主 2 8 46 身 2 9 13 3 3 20 有 4 0 ( 熄火) 一15 ( 启动) 生 3 4 j3 3 5 14 身 3 3 00 长