大学生节能车是由大学生设计的一种竞技型赛车。在过往比赛中，有很多各式各样的节能车出现。本设计主要针对大学生节能车进行整车设计方案的选择，对车身及车架进行设计并对车架进行强度校核。借助Pro/E和CATIA三维建模软件，有限元受力分析软件ANSYS，对车身及车架部分进行建模分析。进行ANSYS有限元分析。首先，借助Pro/E和CATIA三维建模软件对所设计的车身、车架及重要的零部件进行三维建模，通过Pro/E对所建的大学生节能车零部件模型进行大学生节能车整车的虚拟装配，然后通过Pro/E软件中的分析程序对装配后的整车进行简单的重心、惯性矩，使用CATIA分析程序中的曲率分析程序对节能车车身进行曲率分析，用专业的有限元分析软件ANSYS对节能车车架进行静力学分析及车架模态分析，依据有限元分析结果进行了较为深入的分析研究，并提出结构优化设计方案。

关键字：大学生节能车；结构设计；三维建模；有限元分析；结构优化

ABSTRACT

Students efficient car is designed by students of a sports-type car. In the past games, there are many kinds of energy-saving cars appear. The design of the main vehicle is for saving for college students the choice of vehicle design, the design of the body and frame and frame strength check. With Pro/E and CATIA the three-dimensional modeling software, finite element analysis software ANSYS, part of the car-body and the car-frame modeling and analysis. ANSYS finite element analysis carried out. First, the use of Pro/E and CATIA three-dimensional modeling software designed body, frame and major components for three-dimensional modeling, through the Pro/E on the energy-saving cars built by students for students efficient car parts and components model of vehicle The virtual assembly, then Pro/E software analysis program for simple vehicle after assembly center of gravity, moment of inertia, the use of CATIA Analysis Program curvature analysis program for energy-saving vehicle body curvature analysis, finite element with a professional analysis software ANSYS, energy car chassis frame static analysis and modal analysis, finite element analysis is based on the results of a more in-depth analysis and study, and propose structural optimization design.

Keywords：Students efficient car；Structure design; three-dimensional modeling; Structure optimization; element analysis

摘要 I
ABSTRACT II
第1章绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 研究内容及研究方法 2
1.3.1 研究内容 2
1.3.2 研究方法 3
第2章节能车整车设计方案 4
2.1节能车结构分析 4
2.2 车轮配置 4
2.2.1 前一后二 4
2.2.2 前二后二 4
2.2.3 前二后一 5
2.3 车架结构 5
2.3.1 边梁式车架 6
2.3.2 中梁式车架 6
2.3.3 综合式车架 7
2.4 转向方案的确定 7
2.4.1中央支撑式 8
2.4.2阿卡曼式（梯形结构） 8
2.5 发动机布置、动力驱动传动方案 8
2.5.1发动机布置方案 8
2.5.2驱动传动方案 9
2.6 轮胎选择 10
2.6.1 20英寸节能车专用轮 10
2.6.2 20英寸自行车专用胎 10
2.6.3 26英寸管式轮胎 10
2.6.4 12英寸轮胎 11
2.7 车身造型 12
2.8 材料的选取 12
2.8.1 车架材料的选取 12
2.8.2 车身材料的选取 12
2.9 本章小结 12
第3章节能车车架设计及校核 13
3.1 设计参数及要求 13
3.2 车架设计结构及其校核 13
3.3 材料截面尺寸的确定 15
3.4 车架外形结构设计 15
3.5 车架总体结构布置 15
3.6 转向机构的工作原理 17
3.7 转向机构分析 18
3.8 车身制作工艺分析 18
3.9 车架制作工艺分析 19
3.10 车身与车架连接方式 19
3.11 本章小结 20
第4章节能车三维建模 21
4.1 CATIA车身建模 21
4.1.1 车身建模问题分析： 21
4.2.2 车身建立过程如下： 21
4.2 Pro/E车架建模 29
4.2.1 车架建模问题分析 29
4.2.2 车架建立过程如下 29
4.3 节能车主要部件建模 38
4.4 节能车车架装配 38
4.5 节能车整车装配 39
4.6 本章小结 40
第5章节能车性能分析 42
5.1 Pro/E整车装配干涉检查 42
5.2 Pro/E节能车整车质量、重心及惯性矩分析 42
5.3 Pro/E与ANSYS的接口建立 44
5.4 车架静力学分析 46
5.4.1、将Pro/E的车架模型导入ANSYS中 46
5.4.2 单元类型的设定 46
5.4.3 车架静力学分析结果 48
5.4.4 车架静力学分析结果分析 50
5.5 车架极限转向分析 50
5.5.1 极限转向分析假设条件 50
5.5.2 将Pro/E的车架模型导入ANSYS中 50
5.5.3 单元类型的设定 50
5.5.4 车架极限转向分析结果 52
5.5.5 车架极限转向状态结论分析 54
5.6车架模态分析 55
5.6.1 将Pro/E的车架模型导入ANSYS中 55
5.6.2 单元类型的设定 55
车架模态分析结果 56
车架模态分析结果分析 60
有限元结论分析 60
5.8 车身曲率分析 61
5.9 车身曲率结果分析 63
5.10 结构优化措施 64
5.11本章小结 65
结论 66
参考文献 68
致谢 70
附录A 71
附录B 74

第1章绪论

1.1研究目的及意义
随着汽车的发展形式和设计思想的转变，节能汽车与新能源汽车的开发逐渐并已成为是全世界的课题。而目前在环保节能车方面，仍然处于探索阶段。环保节能车大致可分为：新能源汽车，混合动力车及利用新技术改善汽车的运行条件从而实现对汽车使用者对燃油经济性的要求。而每年又有大大小小的汽车节能比赛，使得节能车渐渐地深入人心。各大汽车厂商每在大型汽车展销会上均有节能概念车发布，也表明要建设节能社会低碳社会的决心。减小车重、降低风阻、改善发动机系统等技术，以改善汽车燃油经济性。但由于生产和维修等条件的不足；生产条件和整车材料的技术要求不成熟，使得很多节能概念车没有量产。由日本本田公司发起的“HONDY”杯大学生节能车大赛便是旨在通过比赛提高社会的节能和环保意识，以推动全球车辆节能技术的发展为目的的比赛。由大学生所设计的节能车，在于以最低的燃油消耗量行驶最长的里程，不仅标志着当代大学生对环境保护的意识在提升，更是对节能车开发形式的一种探索。随着汽车行业的蓬勃发展，也随之进入了一个以“节能、环保、安全”为主题的全新汽车发展时期。这不仅顺应了对生活环境条件改善的要求，也符合建设低碳社会、低碳生活的原则。地球是我们赖以生存的家园，保护地球是我们的责任。在资源紧张、温室效应加剧、极端天气频发的条件下。开发节能车已被各国重视，很多国家、科研所和大学投入专项资金用于研发节能车。

全部文件.gif

A0-节能车总装图.gif

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car a1a2 -1.gif

car a1a2 -2.gif

car a2.gif

三维车体部分.gif

三维装配图反面.gif

三维装配图正面.gif

三维框架图.gif

内容简介：: 姓名：王梦寒指导教师：王强节能车 - 车身节能车 - 车架转向机构联接车架与转向机构连接块节能车 - 转向手柄节能车转向机构转向短杆节能车转向机构转向长杆节能车发动机传动系总成节能车车底板节能车 - 车轮节能车驾驶员靠背节能车辅助安装支撑节能车后轴总成节能车车架装配节能车整车装配节能车整车装配（前方）节能车整车装配（后方）节能车整车装配（侧面）节能车整车装配（透明渲染）节能车整车装配（透明渲染）毕业设计指导教师评分表学生姓名王梦寒院系汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程B07-8班指导教师姓名王强职称讲师从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称基于ANSYS的大学生节能车结构优化设计序号评价项目满分得分1选题与专业培养目标的符合程度，综合训练情况；题目难易度102题目工作量；题目与工程实践、社会实际、科研与实验室建设等的结合程度103综合运用知识能力（设计涉及学科范围，内容深广度及问题难易度）；应用文献资料能力154设计（实验）能力；计算能力（数据运算与处理能力）；外文应用能力205计算机应用能力；对实验结果的分析能力（或综合分析能力、技术经济分析能力）106插图（图纸）质量；设计说明书撰写水平；设计的实用性与科学性；创新性207设计规范化程度（设计栏目齐全合理、SI制的使用等）58科学素养、学习态度、纪律表现；毕业论文进度10得分 X= 评语：（参照上述评价项目给出评语，注意反映该论文的特点）工作态度：好较好一般较差很差研究能力或设计能力：强较强一般较弱很弱工作量：大较大适中较少很少说明书规范性：好较好一般较差很差图纸规范性：好较好一般较差很差成果质量（设计方案、设计方法、正确性）好较好一般较差很差其他：指导教师签字：年月日毕业设计评阅人评分表学生姓名王梦寒专业班级车辆工程B07-8班指导教师姓名王强职称讲师题目基于ANSYS的大学生节能车结构优化设计评阅组或预答辩组成员姓名出席人数序号评价项目满分得分1选题与专业培养目标的符合程度，综合训练情况；题目难易度102题目工作量；题目与工程实践、社会实际、科研与实验室建设等的结合程度103综合运用知识能力（设计涉及学科范围，内容深广度及问题难易度）；应用文献资料能力154设计（实验）能力；计算能力（数据运算与处理能力）；外文应用能力255计算机应用能力；对实验结果的分析能力（或综合分析能力、技术经济分析能力）156插图（图纸）质量；设计说明书撰写水平；设计的实用性与科学性；创新性207设计规范化程度（设计栏目齐全合理、SI制的使用等）5得分 Y= 评语：（参照上述评价项目给出评语，注意反映该论文的特点）回答问题：正确基本正确基本不正确不能回答所提问题研究能力或设计能力：强较强一般较弱很弱工作量：大较大适中较少很少说明书规范性：好较好一般较差很差图纸规范性：好较好一般较差很差成果质量（设计方案、设计方法、正确性）好较好一般较差很差其他：评阅人或预答辩组长签字：年月日注：毕业设计（论文）评阅可以采用2名评阅教师评阅或集体评阅或预答辩等形式。毕业设计答辩评分表学生姓名王梦寒专业班级车辆工程B07-8班指导教师王强职称讲师题目基于ANSYS的大学生节能车结构优化设计答辩时间月日时答辩组成员姓名出席人数序号评审指标满分得分1选题与专业培养目标的符合程度，综合训练情况，题目难易度、工作量、与实际的结合程度102设计（实验）能力、对实验结果的分析能力、计算能力、综合运用知识能力103应用文献资料、计算机、外文的能力104设计说明书撰写水平、图纸质量，设计的规范化程度（设计栏目齐全合理、SI制的使用等）、实用性、科学性和创新性155毕业设计答辩准备情况56毕业设计自述情况207毕业设计答辩回答问题情况30总分 Z= 答辩过程记录、评语：自述思路与表达能力：好较好一般较差很差回答问题：正确基本正确基本不正确不能回答所提问题研究能力或设计能力：强较强一般较弱很弱工作量：大较大适中较少很少说明书规范性：好较好一般较差很差图纸规范性：好较好一般较差很差成果质量（设计方案、设计方法、正确性）好较好一般较差很差其他：答辩组长签字：年月日毕业设计（论文）成绩评定表学生姓名王梦寒性别男院系汽车与交通工程学院专业车辆工程班级BW07-8班设计（论文）题目基于ANSYS的大学生节能车结构优化设计平时成绩评分（开题、中检、出勤）指导教师姓名职称指导教师评分（X）评阅教师姓名职称评阅教师评分（Y）答辩组组长职称答辩组评分（Z）毕业设计（论文）成绩百分制五级分制答辩委员会评语：答辩委员会主任签字（盖章）：院系公章：年月日注：1、平时成绩（开题、中检、出勤）评分按十分制填写，指导教师、评阅教师、答辩组评分按百分制填写，毕业设计（论文）成绩百分制=W+0.2X+0.2Y+0.5Z 2、评语中应当包括学生毕业设计（论文）选题质量、能力水平、设计（论文）水平、设计（论文）撰写质量、学生在毕业设计（论文）实施或写作过程中的学习态度及学生答辩情况等内容的评价。优秀毕业设计（论文）推荐表题目基于ANSYS的大学生节能车结构优化设计类别学生姓名王梦寒院（系）、专业、班级汽车与交通工程学院车辆工程BW07-8班指导教师王强职称讲师设计成果明细：答辩委员会评语：答辩委员会主任签字（盖章）：院、系公章：年月日备注：注：“类别”栏填写毕业论文、毕业设计、其它毕业设计（论文）任务书学生姓名王梦寒系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程B07-8指导教师姓名王强职称讲师从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称基于ANSYS的大学生节能车结构优化设计一、设计（论文）目的、意义我国是一个能源资源相对缺乏的国家，随着当前我国国民经济和汽车工业的快速发展, 以及由此带来的能源消耗和环境问题的日益突出, 交通节能减排工作的重要性不断增加,而汽车节能减排则又是其中的重要组成部分, 重要性不言而喻。国家“十一五”规划和“十七大”都对汽车的节能减排提出了要求，并将发展新能源汽车、节能汽车等政府策略逐渐上升为国家战略。由日本本田公司发起的“HONDA”杯大学生节能车大赛便是旨在通过比赛提高社会的节能和环保意识，以推动全球车辆节能技术的发展为目的的比赛。由大学生所设计的节能车，在于以最低的燃油消耗量行驶最长的里程，不仅标志着当代大学生对环境保护的意识在提升，更是对节能车开发形式的一种探索。随着汽车行业的蓬勃发展，也随之进入了一个以“节能、环保、安全”为主题的全新汽车发展时期。本课题所设计的大学生节能车是基于ANSYS的结构优化设计，不仅可利用三维建模软件对节能车进行车架及车身造型设计，而且可以通过ANSYS的转接接口导入外部三维图像到ANSYS软件中进行有限元分析并利用有限元的分析结果对节能车进行结构的优化设计。本设计可以使大学生了解节能车的构造，培养大学生创新设计能力，还可以提高民众对低碳生活的认识，为创建低碳社会，过低碳生活贡献一份力量。二、设计（论文）内容、技术要求（研究方法）1 、设计内容在汽车技术发展日新月异的今天，“节能、环保、安全”已成为未来汽车工业发展的主题，汽车的轻量化设计对提高车辆动力性、减少能源消耗与降低污染具有重要的实际意义。本设计为全国大学生节能车比赛用车，在详细分析节能车结构形式及工作原理基础上，完成总体方案设计，利用AutoCAD完成节油车二维结构设计并进行校核计算，分析节能车制作工艺，利用三维建模软件完成节油车的三维建模及虚拟装配，利用ANSYS软件对车架进行有限元分析，依据分析结果进行结构优化设计。2、技术要求（1）节能车总体方案设计；（2）节能车AutoCAD二维结构设计及校核计算；（3）节能车制作工艺分析；（4）节能车Pro/E三维建模及虚拟装配；（5）车架ANSYS有限元分析及结构优化设计。三、设计（论文）完成后应提交的成果（1）主要包括节能车总体方案设计、二维结构设计及校核计算、三维设计、有限元分析及结构优化设计等方面的详细设计说明书1套（1.5万字以上）；（2）节能车二维总体结构图1张（A0）、二维零件图及Pro/E三维模型图共折合A0图纸2.5张。四、设计（论文）进度安排（1）调研，资料收集，完成开题报告；第12周（2月28日3月11日）（2）确定整车设计方案；第3周（3月14日3月18日）（3）节能车二维结构设计及校核；第45周（3月21日4月1日）（4）大学生节能车制作工艺分析；第6周（4月4日4月8日）（5）Pro/E对车架建模，CATIA对车身建模；第7周（4月11日4月15日）（6）Pro/E完成虚拟装配；第8周（4月18日4月22日）（7）ANSYS有限元分析；第910周（4月25日5月6日）（8）对结构进行优化设计；第1112周（5月9日5月20日）（9）撰写说明书；第1314周（5月23日6月3日）（10）设计说明书的审核、修改；第1516周（6月6日6月17日）（11）毕业设计答辩准备及答辩。第17周（6月20日6月24日）五、主要参考文献1 黄向东.汽车空气动力学与车身造型M.北京：人民交通出版社, 2000.2 王宏雁,刘忠铁.汽车车身造型与结构设计M.上海：同济大学出版社, 1996.3 雷磊.节能竞技车研发技术的研究D.西安：长安大学,2008.4 许文靖.现代汽车节能技术探析J.科技创新导报,2009, (24)：78.5 汪卫东.汽车车身设计现状及发展J.汽车与配件,2005, (27)：32-35.6 刘齐茂.汽车车架的结构优化设计J.机械设计与制造,2005, (4)：1-3.7 王桂姣,周建美.节能车车架选型和轻量化设计J.汽车科技,2008,(5)：41-44.8 杨德亮.混合动力汽车研究现状及发展趋势J.交通节能与环保,2007,(2)：22-25.9 焦健,唐林,许书权.我国汽车节能产品现状分析J.交通节能与环保,2007,(4)：2527. 10 马迅,盛勇生.车架刚度及模态的有限元分析与优化J.客车技术与研究,2004,26 (4)：8-11.11 Kramer, David. Budding engineers compete to build more efficient, greener cars. Physics TodayJ. Jul2008,Vol. 91 Issue 7,p23-24.12 Vlasic, Bill. Ford Is Betting the Future On Small, Efficient CarsJ.New York Times,07/22/2008, p1.六、备注指导教师签字：年月日教研室主任签字：年月日毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目: 基于ANSYS的大学生节能车结构优化设计院系名称: 汽车与交通工程学院专业班级: 车辆工程B07-8 学生姓名: 王梦寒导师姓名: 王强开题时间: 2011.3.14 指导委员会审查意见：签字：年月日毕业设计（论文）开题报告学生姓名王梦寒系部汽车与交通工程学院专业、班级车辆工程B07-8指导教师姓名王强职称讲师从事专业车辆工程是否外聘是否题目名称基于ANSYS的大学生节能车结构优化设计一、课题研究现状、选题目的和意义1、研究现状我国是一个能源资源相对缺乏的国家，随着当前我国国民经济和汽车工业的快速发展, 以及由此带来的能源消耗和环境问题的日益突出, 交通节能减排工作的重要性不断增加,而汽车节能减排则又是其中的重要组成部分, 重要性不言而喻。国家“十一五”规划和“十七大”都对汽车的节能减排提出了要求，并将发展新能源汽车、节能汽车等政府策略逐渐上升为国家战略。考虑到我国当前汽车节能技术发展的实际情况, 除了推行节能惠民车型并已着手限制汽车的排量，并已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研发力度，为了响应国家的号召及适应全球对新能源汽车的需求，一汽集团、上汽集团、长安汽车以及清华大学、吉林大学、华南理工大学等企业和高校一直致力于汽车节能减排技术的研究。电控燃油喷射系统的普及，进、排气控制技术、柴油机电控技术的应用以及电动汽车、混合动力汽车等的开发，比亚迪汽车、哈飞汽车、长安汽车等在陆续研发出的电动（出租）汽车、混合动力车；辽宁曙光汽车也已研发出电动公交车，为我国新能源汽车行业的发展奠定了基础。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,以及适合大量在用汽车的高性能汽车节能产品。并通过各种场合及汽车大赛来宣传新能源车型和节能车的重要性，用以控制日益增长的碳排放量。众所周知，日本是一个自然资源极度缺乏的国家，因此在资源的利用以及新能源的研发方面都是极其重视并在一些节能技术方面处于世界领先地位，单是汽车产业，日本汽车就以其良好的经济性风靡全球。本田公司早在20世纪80年代便开始创办汽车节能大赛，已风靡各国；丰田公司又研发了世界上为数不多的量产混合动力车普锐斯。同样在汽车工业发达的欧美，汽车节能技术的研发始终被放在汽车发展问题的最前沿，如外界广泛所说的大众黄金组合“TSI+DSG”技术。每年在欧美车展上，由欧美各大汽车厂商研发的新型环保概念车都有亮相，有些车型也已经投产，其中大多数以电动汽车为主，如由美国通用汽车公司旗下雪佛兰品牌的科鲁兹系列车型已研发出科鲁兹电动车。欧美等发达国家已开始提倡使用电动汽车用以缓解日趋紧张的全球能源供应，不仅是新能源汽车，欧美也在大力发展传统汽车的节油技术，比如宝马的Valvetronic技术，与之相同的是日本本田的VTEC和丰田VVTi，但这些技术仍未实现全电子控制，而且通常仅对进气门的升程和开闭时刻进行控制，所以发动机的进、排气控制技术仍有较大的开发潜力。发动机缸内直喷技术等技术的研发，也为传统汽车的节油技术的发展提供了参考。2、选题目的和意义随着汽车的发展形式和设计思想的转变，节能汽车与新能源汽车的开发逐渐并已成为是全世界的课题。而目前在环保节能车方面，仍然处于探索阶段。环保节能车大致可分为：新能源汽车，混合动力车及利用新技术改善汽车的运行条件从而实现对汽车使用者对燃油经济性的要求。而每年又有大大小小的汽车节能比赛，使得节能车渐渐地深入人心。各大汽车厂商每在大型汽车展销会上均有节能概念车发布，也表明要建设节能社会低碳社会的决心。减小车重、降低风阻、改善发动机系统等技术，以改善汽车燃油经济性。但由于生产和维修等条件的不足；生产条件和整车材料的技术要求不成熟，使得很多节能概念车没有量产。由日本本田公司发起的“HONDY”杯大学生节能车大赛便是旨在通过比赛提高社会的节能和环保意识，以推动全球车辆节能技术的发展为目的的比赛。由大学生所设计的节能车，在于以最低的燃油消耗量行驶最长的里程，不仅标志着当代大学生对环境保护的意识在提升，更是对节能车开发形式的一种探索。随着汽车行业的蓬勃发展，也随之进入了一个以“节能、环保、安全”为主题的全新汽车发展时期。这不仅顺应了对生活环境条件改善的要求，也符合建设低碳社会、低碳生活的原则。地球是我们赖以生存的家园，保护地球是我们的责任。在资源紧张、温室效应加剧、极端天气频发的条件下。开发节能车已被各国重视，很多国家、科研所和大学投入专项资金用于研发节能车。节能车的开发不仅利于当代，而且是功在千秋的一件大事。在20世纪末期，由于CAD/CAM/CAE技术的普及，不仅提高了设计工作效率而且影响了全球的机械行业。AutoCAD是由Autodesk公司开发的一款以机械、建筑制图为主要功能的二维制图及三维建模软件，CAD现已成为机械行业二维制图的代名词，并成为机械行业制图的行业标准。Pro/E是由美国PTC公司开发的一款计算机三维辅助设计软件，被广泛应用在机械设计与制造、模具、家电、工业造型等行业并为用户提供了一整套从设计到制造的完整的解决方案，在业界享有很高的声誉。CATIA是由法国Dassault公司开发并由IBM公司负责销CAD/CAM/CAE/PDM集成化应用系统，并在世界CAD/CAM/CAE软件中处于领先地位。CATIA起源于航空工业，现已被广泛应用于航空航天、汽车制造、造船等行业。ANSYS软件是融结构流体、电场、磁场、声场、热传导等领域静力学、动力学及边界耦合问题分析与一体的大型通用有限元分析软件。为了方便ANSYS与CAD软件之间的联系，ANSYS软件在设计之初便预留了与其它软件进行连接的转接接口便于ANSYS软件与其它CAD软件实现数据共享和交换。本课题所设计的大学生节能车是基于ANSYS的结构优化设计，不仅可利用Pro/E和CATIA三维建模软件对节能车进行车架及车身造型设计，而且可以通过ANSYS的转接接口导入外部三维图像到ANSYS软件中进行有限元分析并利用有限元的分析结果对节能车进行结构的优化设计。本设计可以使大学生了解节能车的构造，培养大学生创新设计能力，还可以提高民众对低碳生活的认识，为创建低碳社会，过低碳生活贡献一份力量。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题1 、设计基本内容本设计为全国大学生节能车比赛用车，要求车身长小于3m，自重小于60kg，乘载1人，驾驶员重量小于40kg，1公升汽油能行驶里程大于300公里，行驶速度大于50km/h，能够变速，要求零部件材质轻，车身外形设计要求风阻小，流线型好，即节油又美观。应在详细分析节能车结构形式及工作原理基础上，完成总体方案的设计；利用AutoCAD完成大学生节能车二维结构设计并进行校核计算，分析大学生节能车制作工艺；利用三维建模软件Pro/E和CAITA完成大学生节能车车架和车身的三维建模，并利用Pro/E进行节能车的虚拟装配；利用ANSYS软件进行有限元分析：主要包括对车架的静力分析和模态分析、关键零部件的静力分析及模态分析并依据分析结果进行结构优化设计。2、拟解决的主要问题（1）节能车二维结构设计并进行校核计算；（2）分析节能车的制作工艺；（3）节能车三维建模；（4）节能车整车装配及设计；（5）有限元静力学分析；（6）有限元模态分析；（7）节能车结构的优化设计。三、技术路线（研究方法）由于计算机辅助设计的普及，使得设计更趋于合理。因此便引用计算机辅助设计软件进行设计结构及设计方案的优化。AutoCAD软件是二维制图软件，Pro/E和CATIA均是三维建模软件，ANSYS是通用的有限元分析软件。首先在AutoCAD软件中将车身及车架尺寸绘制出并按照设计要求对车架进行校核，依据二维尺寸分别在Pro/E和CATIA中对车架及车身进行建模，使用CATIA对车身进行曲率分析；在经过ANSYS进行对静力学分析后，在Pro/E中进行装配及运动干涉检查以便及时发现设计不足。为了提高汽车运行的高效化，在设计车身造型时，应考虑到设计的更趋流线型，降低汽车车身风阻系数；同时也可用轻质且强度足够的材料制造车身，便可以减轻车重。对于车架的设计是基于车身造型基础上同步进行的，车架的设计要能够承受整车重量，对车架的选材要求具有足够的强度，并对车架进行制作工艺的分析。通过使用计算机辅助设计软件对车身进行曲率、模态、流体性能的分析，可以详细了解到车身设计是否符合要求，方便改进车身设计的不足。通过ANSYS有限元分析软件分析对车架进行静力学分析可以找出车架设计的缺陷，便于改进车架。使车身及车架整体性能得倒提升，达到设计方案的优化。从而分析出结构设计的缺陷，方便设计人员进行改进；同时对于一些不需要的部件则采取弃用的办法从而达到设计方案的优化。拟采用的技术流程如下所示：四、进度安排（1）调研，资料收集，完成开题报告；第12周（2月28日3月11日）（2）确定整车设计方案；第3周（3月14日3月18日）（3）节能车二维结构设计及校核；第45周（3月21日4月1日）（4）大学生节能车制作工艺分析；第6周（4月4日4月8日）（5）Pro/E对车架建模；CATIA对车身建模；第7周（4月11日4月15日）（6）Pro/E完成虚拟装配；第8周（4月18日4月22日）（7）ANSYS有限元分析；第910周（4月25日5月6日）（8）对结构进行优化设计；第1112周（5月9日5月20日）（9）撰写说明书；第1314周（5月23日6月3日）（10）设计说明书的审核、修改；第1516周（6月6日6月17日）（11）毕业设计答辩准备及答辩。第17周（6月20日6月24日）五、参考文献1 刘惟信.汽车设计M.北京：清华大学出版社, 2001.2 黄向东.汽车空气动力学与车身造型M.北京：人民交通出版社, 2000.3 王宏雁,刘忠铁.汽车车身造型与结构设计M.上海：同济大学出版社, 1996.4 邓仕珍,范淼海.汽车车身制造工艺学M.北京：北京理工大学出版社, 2008.5 齐乐华,杨方,王俊勃.工程材料与机械制造基础M.北京：高等教育出版社, 2007.6 雷磊.节能竞技车研发技术的研究D.西安：长安大学,2008.7 赵岩.节能竞技车的研发与技术研究D.西安：长安大学,2009.8 孙艳鹏.载重汽车车架有限元分析及优化D.重庆：重庆交通大学,2008.9 郭军朝.理想车身气动造型研究与F1赛车空气动力学D.长沙：湖南大学,2007.10 许文靖.现代汽车节能技术探析J.科技创新导报,2009, (24)：78.11 汪卫东.汽车车身设计现状及发展J.汽车与配件,2005, (27)：32-35.12 刘齐茂.汽车车架的结构优化设计J.机械设计与制造,2005, (4)：1-3.13 王桂姣,周建美.节能车车架选型和轻量化设计J.汽车科技,2008,(5)：41-44.14 杨德亮.混合动力汽车研究现状及发展趋势J.交通节能与环保,2007,(2)：22-25.15 焦健,唐林,许书权.我国汽车节能产品现状分析J.交通节能与环保,2007,(4)：2527. 16 马迅,盛勇生.车架刚度及模态的有限元分析与优化J.客车技术与研究,2004,26 (4)：8-11.17 白爱英.塑料在汽车制造业中的应用与发展J.科技情报开发与经济,2006,16(14)：135-136.18 王新彦.基于ANSYS的越野赛车车架模态分析J.拖拉机与农用运输车,2009,36 (4)：28-32.19 钟佩思,孙雪颜,赵丹等.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,2008,35 (2)：89-93.20 Kramer, David. Budding engineers compete to build more efficient, greener cars. Physics TodayJ. Jul2008,Vol. 91 Issue 7,p23-24.21 Vlasic, Bill. Ford Is Betting the Future On Small, Efficient CarsJ.New York Times,07/22/2008, p1.六、备注指导教师意见：签字：年月日本科学生毕业设计基于ANSYS的大学生节能车结构优化设计系部名称：汽车与交通工程学院专业班级：车辆工程B07-8班学生姓名：王梦寒指导教师：王强职称：讲师黑龙江工程学院二一一年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeOptimization Design of College Student Energy Conservation Car on Account of ANSYSCandidate：Wang MenghanSpecialty：Vehicle EngineeringClass：B07-08Supervisor：Lecturer. Wang QiangHeilongjiang Institute of Technology2011-06Harbin摘要大学生节能车是由大学生设计的一种竞技型赛车。在过往比赛中，有很多各式各样的节能车出现。本设计主要针对大学生节能车进行整车设计方案的选择，对车身及车架进行设计并对车架进行强度校核。借助Pro/E和CATIA三维建模软件，有限元受力分析软件ANSYS，对车身及车架部分进行建模分析。进行ANSYS有限元分析。首先，借助Pro/E和CATIA三维建模软件对所设计的车身、车架及重要的零部件进行三维建模，通过Pro/E对所建的大学生节能车零部件模型进行大学生节能车整车的虚拟装配，然后通过Pro/E软件中的分析程序对装配后的整车进行简单的重心、惯性矩，使用CATIA分析程序中的曲率分析程序对节能车车身进行曲率分析，用专业的有限元分析软件ANSYS对节能车车架进行静力学分析及车架模态分析，依据有限元分析结果进行了较为深入的分析研究，并提出结构优化设计方案。关键字：大学生节能车；结构设计；三维建模；有限元分析；结构优化 ABSTRACTStudents efficient car is designed by students of a sports-type car. In the past games, there are many kinds of energy-saving cars appear. The design of the main vehicle is for saving for college students the choice of vehicle design, the design of the body and frame and frame strength check. With Pro/E and CATIA the three-dimensional modeling software, finite element analysis software ANSYS, part of the car-body and the car-frame modeling and analysis. ANSYS finite element analysis carried out. First, the use of Pro/E and CATIA three-dimensional modeling software designed body, frame and major components for three-dimensional modeling, through the Pro/E on the energy-saving cars built by students for students efficient car parts and components model of vehicle The virtual assembly, then Pro/E software analysis program for simple vehicle after assembly center of gravity, moment of inertia, the use of CATIA Analysis Program curvature analysis program for energy-saving vehicle body curvature analysis, finite element with a professional analysis software ANSYS, energy car chassis frame static analysis and modal analysis, finite element analysis is based on the results of a more in-depth analysis and study, and propose structural optimization design.Keywords：Students efficient car；Structure design; three-dimensional modeling; Structure optimization; element analysis目录摘要IABSTRACTII第1章绪论11.1 研究目的及意义11.2 国内外研究现状11.3 研究内容及研究方法21.3.1 研究内容21.3.2 研究方法3第2章节能车整车设计方案42.1节能车结构分析42.2 车轮配置42.2.1 前一后二42.2.2 前二后二42.2.3 前二后一52.3 车架结构52.3.1 边梁式车架62.3.2 中梁式车架62.3.3 综合式车架72.4 转向方案的确定72.4.1中央支撑式82.4.2阿卡曼式（梯形结构）82.5 发动机布置、动力驱动传动方案82.5.1发动机布置方案82.5.2驱动传动方案92.6 轮胎选择102.6.1 20英寸节能车专用轮102.6.2 20英寸自行车专用胎102.6.3 26英寸管式轮胎102.6.4 12英寸轮胎112.7 车身造型122.8 材料的选取122.8.1 车架材料的选取122.8.2 车身材料的选取122.9 本章小结12第3章节能车车架设计及校核133.1 设计参数及要求133.2 车架设计结构及其校核133.3 材料截面尺寸的确定153.4 车架外形结构设计153.5 车架总体结构布置153.6 转向机构的工作原理173.7 转向机构分析183.8 车身制作工艺分析183.9 车架制作工艺分析193.10 车身与车架连接方式193.11 本章小结20第4章节能车三维建模214.1 CATIA车身建模214.1.1 车身建模问题分析：214.2.2 车身建立过程如下：214.2 Pro/E车架建模294.2.1 车架建模问题分析294.2.2 车架建立过程如下294.3 节能车主要部件建模384.4 节能车车架装配384.5 节能车整车装配394.6 本章小结40第5章节能车性能分析425.1 Pro/E整车装配干涉检查425.2 Pro/E节能车整车质量、重心及惯性矩分析425.3 Pro/E与ANSYS的接口建立445.4 车架静力学分析465.4.1、将Pro/E的车架模型导入ANSYS中465.4.2 单元类型的设定465.4.3 车架静力学分析结果485.4.4 车架静力学分析结果分析505.5 车架极限转向分析505.5.1 极限转向分析假设条件505.5.2 将Pro/E的车架模型导入ANSYS中505.5.3 单元类型的设定505.5.4 车架极限转向分析结果525.5.5 车架极限转向状态结论分析545.6车架模态分析555.6.1 将Pro/E的车架模型导入ANSYS中555.6.2 单元类型的设定555.6.3 车架模态分析结果565.6.4 车架模态分析结果分析605.7 有限元结论分析605.8 车身曲率分析615.9 车身曲率结果分析635.10 结构优化措施645.11本章小结65结论66参考文献68致谢70附录A71附录B74第1章绪论1.1 研究目的及意义随着汽车的发展形式和设计思想的转变，节能汽车与新能源汽车的开发逐渐并已成为是全世界的课题。而目前在环保节能车方面，仍然处于探索阶段。环保节能车大致可分为：新能源汽车，混合动力车及利用新技术改善汽车的运行条件从而实现对汽车使用者对燃油经济性的要求。而每年又有大大小小的汽车节能比赛，使得节能车渐渐地深入人心。各大汽车厂商每在大型汽车展销会上均有节能概念车发布，也表明要建设节能社会低碳社会的决心。减小车重、降低风阻、改善发动机系统等技术，以改善汽车燃油经济性。但由于生产和维修等条件的不足；生产条件和整车材料的技术要求不成熟，使得很多节能概念车没有量产。由日本本田公司发起的“HONDY”杯大学生节能车大赛便是旨在通过比赛提高社会的节能和环保意识，以推动全球车辆节能技术的发展为目的的比赛。由大学生所设计的节能车，在于以最低的燃油消耗量行驶最长的里程，不仅标志着当代大学生对环境保护的意识在提升，更是对节能车开发形式的一种探索。随着汽车行业的蓬勃发展，也随之进入了一个以“节能、环保、安全”为主题的全新汽车发展时期。这不仅顺应了对生活环境条件改善的要求，也符合建设低碳社会、低碳生活的原则。地球是我们赖以生存的家园，保护地球是我们的责任。在资源紧张、温室效应加剧、极端天气频发的条件下。开发节能车已被各国重视，很多国家、科研所和大学投入专项资金用于研发节能车。1.2国内外研究现状我国是一个能源资源相对缺乏的国家，随着当前我国国民经济和汽车工业的快速发展, 以及由此带来的能源消耗和环境问题的日益突出, 交通节能减排工作的重要性不断增加,而汽车节能减排则又是其中的重要组成部分, 重要性不言而喻。国家“十一五”规划和“十七大”都对汽车的节能减排提出了要求，并将发展新能源汽车、节能汽车等政府策略逐渐上升为国家战略。考虑到我国当前汽车节能技术发展的实际情况, 除了推行节能惠民车型并已着手限制汽车的排量，并已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研发力度，为了响应国家的号召及适应全球对新能源汽车的需求，一汽集团、上汽集团、长安汽车以及清华大学、吉林大学、华南理工大学等企业和高校一直致力于汽车节能减排技术的研究。电控燃油喷射系统的普及，进、排气控制技术、柴油机电控技术的应用以及电动汽车、混合动力汽车等的开发，比亚迪汽车、哈飞汽车、长安汽车等在陆续研发出的电动（出租）汽车、混合动力车；辽宁曙光汽车也已研发出电动公交车，为我国新能源汽车行业的发展奠定了基础。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,以及适合大量在用汽车的高性能汽车节能产品。并通过各种场合及汽车大赛来宣传新能源车型和节能车的重要性，用以控制日益增长的碳排放量。众所周知，日本是一个自然资源极度缺乏的国家，因此在资源的利用以及新能源的研发方面都是极其重视并在一些节能技术方面处于世界领先地位，单是汽车产业，日本汽车就以其良好的经济性风靡全球。本田公司早在20世纪80年代便开始创办汽车节能大赛，已风靡各国；丰田公司又研发了世界上为数不多的量产混合动力车普锐斯。同样在汽车工业发达的欧美，汽车节能技术的研发始终被放在汽车发展问题的最前沿，如外界广泛所说的大众黄金组合“TSI+DSG”技术。每年在欧美车展上，由欧美各大汽车厂商研发的新型环保概念车都有亮相，有些车型也已经投产，其中大多数以电动汽车为主，如由美国通用汽车公司旗下雪佛兰品牌的科鲁兹系列车型已研发出科鲁兹电动车。欧美等发达国家已开始提倡使用电动汽车用以缓解日趋紧张的全球能源供应，不仅是新能源汽车，欧美也在大力发展传统汽车的节油技术，比如宝马的Valvetronic技术，与之相同的是日本本田的VTEC和丰田VVTi，但这些技术仍未实现全电子控制，而且通常仅对进气门的升程和开闭时刻进行控制，所以发动机的进、排气控制技术仍有较大的开发潜力。发动机缸内直喷技术等技术的研发，也为传统汽车的节油技术的发展提供了参考。1.3研究内容及研究方法1.3.1 研究内容本设计为全国大学生节能车比赛用车，要求车身长小于3m，自重小于60kg，乘载1人，驾驶员重量小于40kg，1公升汽油能行驶里程大于300公里，行驶速度大于50km/h，能够变速，要求零部件材质轻，车身外形设计要求风阻小，流线型好，即节油又美观。应在详细分析节能车结构形式及工作原理基础上，完成总体方案的设计；利用AutoCAD完成大学生节能车二维结构设计并进行校核计算，分析大学生节能车制作工艺；利用三维建模软件Pro/E和CAITA完成大学生节能车车架和车身的三维建模，并利用Pro/E进行节能车的虚拟装配；利用ANSYS软件进行有限元分析：主要包括对车架的静力分析和模态分析并依据分析结果进行结构优化设计。1.3.2 研究方法通过使用计算机辅助设计软件对车身进行曲率分析，车架进行静力学及模态分析，可以详细了解到车身设计是否符合要求，方便改进车身设计的不足。通过ANSYS有限元分析软件分析对车架进行静力学分析可以找出车架设计的缺陷，便于改进车架。使车身及车架整体性能得倒提升，达到设计方案的优化。从而分析出结构设计的缺陷，方便设计人员进行改进；同时对于一些不需要的部件则采取弃用的办法从而达到设计方案的优化。拟采用的技术流程如下图1.1所示。图1.1 技术流程第2章节能车整车设计方案2.1节能车结构分析大学生节能车是由大学生进行设计的一款节能竞技的整车。为了使节能车能够正常运行，要求在配置上要具有整车的动力传动系统，由车轮支撑车体在地面运行并由发动机通过传动系驱动车辆并且能够变速，车辆转向机构控制节能车转向。节能车同样需要车身保护驾驶员，降低节能车所受阻力。对于车身要求外形流线、美观。节能车在配置及操纵上。在材料的选取上要了考虑到车架及车身的选材的成本及其轻量化。2.2 车轮配置2.2.1 前一后二这种布置形式类似于日常生活中所见到的三轮车。在设计制作过程中容易利用自行车部件从而减低了制作难度，节省制作时间，而且驾驶构造比较简单。但行使稳定性较差，尤其是转向行驶稳定性，会降低节能车的行驶安全性。如图2.1所示。图2.1 车轮布置形式前一后二2.2.2 前二后二类似于常见的四轮轿车。优点为有较好的行驶稳定性，但在以节能为主要目的的竞技大赛中，这种布置方案的缺点更为突出。首先，由于接地面积较大，提高了车辆在行驶过程中的行驶阻力。其次，构造的复杂度会明显提高，同时也影响整车的质量。如图2.2所示。图2.2 车轮布置形式为前二后二2.2.3 前二后一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。如图2.3所示。图2.3 车轮布置形式为前二后一综合上述结构的优缺点，在节能为主的前提条件下，又要同时保证良好的操纵性和行驶安全性。因此确定节能竞技车的车轮布置形式为前二后一的布置形式。2.3 车架结构根据车轮的配置方案，选取适合的车架材料和结构。因为车架质量的大小在一定程度上影响油耗，而且所选材料以及结构的合理性对车辆的安全性有着很大的影响，在车架材料和结构方案的确定过程中应同时考虑到小巧、轻便、结实、安全等因素。车架设计要求：1）具有足够的强度，保证在比赛期间的任务工况下，车架的主要零部件不因为受力而破坏。2）具有足够的抗弯刚度、扭转刚度，以免车架上的总成因变形过大而早期损坏或失去正常能力。3）车架重量要轻，在保证强度、刚度的前提下，车架的自身质量，应尽可能小，以减小整车整备质量。车架结构形式基本上有三种：边梁式、中梁式（脊骨式）车架、综合式车架。2.3.1 边梁式车架由两根位于两边的纵梁及若干根横梁组成，用铆接法或焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。其特点：便于安装驾驶室、车厢及一些特种装备和布置其他总成，有利于改装变型车和发展多品种汽车上。如图2.4所示。图2.4 边梁式车架2.3.2 中梁式车架只有一根位于中央贯穿前后的纵梁，故称为脊骨式车架。这种结构的车架有较大的扭转刚度，使车轮有较大空间。其优点：车轮有加大的运动空间，便于采用独立悬架，可提高汽车的越野性与同吨位货车相比，其车架较轻，减少了整车质量；同时重心较低，因此行驶稳定性好；车架的强度和刚度较大；脊梁还能起封闭传动轴的防尘套作用。但这种车架的制作工艺复杂，精度要求高，给保养和修理带来诸多不便。如图2.5所示。图2.5 中梁式车架2.3.3 综合式车架又称复合式车架。他同时具有中梁式和边梁式车架的特点。车架的前后部均近似边梁式结构，而中部采用脊梁式结构。此结构使中部抗扭刚度大，地板高度低，但地板中间往往形成大鼓包，影响乘坐舒适性，加工工艺复杂，应用不广泛。由于节能车载荷小，行驶路面状况较好，因此车架选用边梁式整体结构。由于车架内部要有一定的容积，便要求车架本身结构不能太复杂，采用边梁式结构可以节约大量的空间。在承受扭矩时，纵梁和横梁同时产生弯曲和扭转，避免应力集中。如图2.6所示。图2.6 综合式车架2.4 转向方案的确定考虑到车辆的结构形式并结合所设计车辆的特殊性及比赛场地因素。常见节能车转向结构如下。2.4.1中央支撑式这种结构形式很简单，它是以整个车轴作为转向装置，车架也可以设置的较低。但要使左右车轮完全平行进行的定位调整很难，在转小弯时，车轴会发生很大的移动。虽然结构形式制作方面较为简单，但在实际驾驶操作方面明显存在弊端。如图2.7所示。图2.7 中央支撑式2.4.2阿卡曼式（梯形结构）这种结构比较复杂，但与前轮定位的调整较为轻松，即使大幅度转方向盘，车轮也不会大幅度前后移动。其中两转向臂的角度理想的情况应该保证两前轮中心易与后轮中心连接成线，为降低转向系统复杂程度，同时又能保证具有足够的转向能力。如图2.8所示。图2.8 梯形结构2.5 发动机布置、动力驱动传动方案2.5.1发动机布置方案发动机常用布置方式有三种：前置式发动机、后置式发动机、中置式发动机。在节能车上所采用的常为后置式发动机。前置式发动机对车身设计要求有所提高，将使驾驶员座位高度升高，不利于降低风阻系数及造型美观。也会使前轴载荷增大，不利于转向系统的布置，也会影响车辆行驶稳定性。中置式发动机亦然。由于后轮为驱动轮，在设计传动系时会影响整车车重。后置式发动机便于转向系统布置，使底盘降低，有利于减小迎风面积，有效降低风阻，且驾驶员视野开阔。便于后轮的动力输出。2.5.2驱动传动方案1、轴驱动，这种驱动形式的优点为传动效率较高，缺点为由于采用后一轮的车轮布置方式，因此会造成发动机质心偏离车辆的中心线。如图2.9所示图2.9 轴驱动2、链传动，链传动效率没有轴传动的传动效率高，由于摩托车本身采用链传动，因此在设计和制造过程中更加容易实现。如图2.10所示图2.10 链驱动驱动方法的确定由于在发动机方面没有进行较大的改造，因此采用了较为保守的链传动形式，基本借鉴与摩托车的传动形式。由于轮胎确定为前二后一的布置形式，如果采用前驱的方案将会使设计制造的复杂程度增加，所以决定采取后驱的驱动形式。一方面后一轮驱动不用涉及差速器等方面的考虑，另一方面也前两轮转向系统的结构形式也会简便许多，同时也达到了减小整车质量的目的。为了降低节能车车重，选择链传动。能够省去布置结构复杂的传动系（万向节类的）。变速机构拟采用摩托车式变速方法，即通过手柄的旋转控制界气门开度达到变速作用。节能车由发动机发出动力经由变速机构到达发动机外部的主动链轮，接着由传动链传动从动链轮，最后通过分离式离合器到达驱动车轮。2.6 轮胎选择在设计过程中，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行驶阻力和行驶稳定性的均衡。在过往的比赛中，轮胎的种类基本分为一下几类。2.6.1 20英寸节能车专用轮20英寸节能车专用轮是由德国大陆集团马牌轮胎提供的专业低滚动阻力轮胎，如图2.11所示。图2.11 20英寸节能车专用轮2.6.2 20英寸自行车专用胎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。如图2.12所示。图2.12 20英寸自行车专用胎2.6.3 26英寸管式轮胎车轮直径选取过大会造成侧向力作用在车轴上的力臂加大，所以在选取较大致敬的车胎时应注意保证车轴的强度。如图2.13所示。图2.13 26英寸管式轮胎2.6.4 12英寸轮胎选取直径较小的轮胎可以在一定程度上减小空气阻力。如图2.14所示；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，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。当车轮在地面上滚动时，地面的出现使流场发生变化，升力变成正值，并且由于尾涡相对较大，阻力也更大。从车轮完全暴露在气流中的一级方程式赛车上测出的气动阻力来看，其中车轮阻力越占高达45%的比重。由此可见，为了使车身制作简单，将两前轮暴露在外，但是做增大了空气阻力，故采用扰流板将车轮中辐条覆盖或在设计车身时将车轮与后轮一样完全包裹起来。修饰完成的轮胎如图2.15所示图2.15 修饰完成后的轮胎2.7 车身造型车身设计，应以流线型设计，降低风阻系数，以追求更低的空气阻力。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。由于车轮布置在车身外，也影响了节能车的空气阻力系数。为了追求更低的空气阻力系数，整个车身采用流线型设计，在尾部采用稍微上翘式结构。2.8 材料的选取2.8.1 车架材料的选取考虑到材料的选取要考虑到制作成本和安全性，所以可考虑得车架材料是钢材和铝材。如表2.1所示；表2.1 材料优点对比材料优点对比碳钢的优点铝材的优点（1）价格低廉（1）密度比钢小（2）材料加工方便（2）材料加工也较为方便综上所述，在成本一定的前提下。为降低制作成本，应选用碳钢。2.8.2 车身材料的选取车身的材料可用帆布、木板、玻璃钢等。其主要原因为成型相对简单容易实现，强度足够的条件下重量上也有一定的优势。玻璃钢的密度只有碳钢的1/41/5，但拉伸强度却接近，强度可以与高级合金钢相媲美。2.9 本章小结本章节叙述了对于节能车整车部分的选择方式。从综合设计角度上考虑，将轮胎设置为前一后二形式；选择车架时采用边梁式结构可以节约大量空间，并且可以降低车重，在车架选择方式上为边梁式车架最好选择；转向方式上为提高车辆转向时的稳定性要选择阿卡曼式；传动的方式选择为链传动，链传动的噪音也很小；车轮的选择为20英寸自行车专用胎即可满足设计要求。第3章节能车车架设计及校核3.1 设计参数及要求车身长小于3m，可以得出车架由于要求车身长度小于3m，节能车车架即是车身骨架，车架长度也应小于3m。该节能车车身结构紧凑。要求车架能够承受总质量小于100kg。并乘载1人，驾驶员重量小于50kg，在预留给发动机及其它部件的重量估算为50kg。如在设计中材料强度满足要求，则可以适当的添加元部件。3.2 车架设计结构及其校核对于车架的计算校核一般有三种计算方法可以遵循:（1）运用复杂的有限元法对车架进行计算；（2）依据材料力学、工程力学中的经验公式；（3）根据经验设计对车架进行设计。由于节能车为参加节能大赛而特别研制，车架本身就是车身骨架，要支撑赛车上的几乎所有部件：比如要容纳驾驶员，放置发动机和蓄电池及驾驶员座椅；要固定车身；车轮直接安放在车架上。这和轿车及货车车架有些不同。而表明了该节能车车架结构设计的特殊性。由于车架采用边梁式，所以车架设计较为简单。但需做一下假设，便可将车架视为简支梁。1）梁为支撑在前后轴上大的简支梁；2）整车的载质量均加在简支梁上；3）所有载荷均通过截面的型心。因此节能车车架可以简化为如图3-1所指示为简支梁简化模型图3.1 简支梁简化模型在计算车架时视其为简支梁。计算其弯曲强度即是材料的弯曲强度。C、F点为车轮安装位置，在这两点均有FC和FF车轮给车架的反力。令发动机质量为25Kg，驾驶员质量50Kg。由于车架可视为简支梁，因此可以视乘员和发动机的集中载荷转变为在梁上均布载荷，以方便计算校核。如图3.2所示。图3.2 车架载荷的分布乘员分布载荷q1=353.63N/M，发动机分布载荷q2=816.67N/M由图3.2可知AB=0.2m,BC=0.59m,CD=0.8m,DE=0.3m,EF=0.3m由材料力学可知：以F为支点有FCCD+DE+EF=12q1lBD2+12q2lDE2（3.1）以C为支点有FFCD+DE+EF=12q1lBC2+12q1lCD2+12q2lDE2（3.2）由（3.1）、（3.2）可解得：FC=207.27N,FF=151.04N。计算可得车架弯矩图，如图3.3。图3.3 车架弯矩由图3-3可知，梁上最大弯矩Mmax=211.46NM，考虑到节能车在行驶过程中受动载荷时的最大弯矩可在最大静弯矩前乘以动载荷系数k，由于节能车在比赛中行驶路况较好，故取k=1.5，此动载荷系数考虑了实际行驶过程中遇到的路障的载荷增值。因此动载荷下的最大弯矩Mmax=394.5NM。3.3 材料截面尺寸的确定由于纵梁在长度方向上截面尺寸无变化，所以在最大弯矩处其弯曲应力达到最大值max。在选材校核时，需校核其抗拉强度是否在许用范围内。设方管横截面积s，45钢b= 600MPab=Pbs=315Mpa，s=1.905mm2。则材料所选择的方钢其截面积大于1.905mm2的材料均符合强度要求。3.4 车架外形结构设计车架在做校核时是经过合理简化的，在设计上要对车架进行相应的细化。车架即为车身骨架，要支撑赛车上的几乎所有部件：比如要容纳驾驶员，放置发动机和蓄电池及驾驶员座椅；要固定车身；车轮通过转向机构布置在车架上。车架造型的简练可以使得整车结构紧凑，结构紧凑的形式会使整车质量降低，但也会产生造成质量集中使得整车应力集中。发动机的安装位置在车架的后部、同时还需安装车轮及传动机构。所以车架后部还需承载车轮，及安装动力传动部件、控制部件的质量。还要预留出一定的宽度空间，以方便安装。所以要考虑到安装的条件。车架上还要布有控制的线。稍复杂的还要安装有行车电脑等高级装备，所以材料型材的选择要考虑到布线的要求及条件。因此，车架外形轮廓如图3.4所示。图3.4 车架外形轮廓3.5 车架总体结构布置在确定使用边梁式车架后，首先将轴距进行了确定，并估算出发动机及驾驶员的布置位置以便求出它们对车架的均布载荷。在确定车架支撑符合条件后，对于车架内部所拥有的横梁及其它辅助安装设施便都基于车架。安装时要考虑对车内驾驶员的舒适度。为方便驾驶员乘坐，车架横向的设计也要考虑到驾驶员乘坐的舒适性，轮距的宽度为驾驶员提供了容身活动的空间。车架前端部分要求安装有车地板，为分散驾驶员质量避免造成集中受力，故在驾驶员乘坐区分别布置3个横梁。驾驶员在驾乘车辆的时候，要在驾驶员后面安装有驾驶员靠背，虽靠背材料好选择，但在节能车架上添加了驾驶员靠背安装斜梁。在设计时应考虑到方便支撑方式的设计，在车架上焊上一根横梁，这根横梁同时也会对车架的稳定性起到作用，同样在立面上加装一个梁，可以增强车架的强度及抗扭曲能力。发动机及必要的重要机械部件均安装于车架后段，在设计时考虑机械部件有故障率的存在，因此对于节能车车架后段的设计采用模块化的设计方式。模块化的设计是针对节能车车架本身相对而言的。在该模块框架上可以起到安装或对发动机起到辅助支撑作用，提供安装必要节能车机械部件提供一个平台。例如安放蓄电池、部分的传动机构。车架后部安装机械部件的方式可使车辆重心向后移动，尽量保证装配后节能车车辆的重心在轴距中心处为最佳，便可提高车辆的稳定性。为了方便车架后部辅助安装模块的拆卸，对于车架后部的设计也要考虑到对辅助模块的安装拆卸的影响，因此在车架后部设计时，应对车架辅助模块部分的安装进行设计考虑，在车架纵梁的后段上布置方钢横梁及角钢上横梁。位于车架主干纵梁末端的方钢，方便焊接后面的纵梁部分。角钢横梁，焊接在车架最后部分的横梁上，它不仅能提高整车后部分的抗弯曲能力，同时方便辅助安装模块的安装使用。综上所述，节能车车架整体设计方案为在车架采用边梁式结构，在车架边梁上布置有8根横梁，立梁的布置遵循使用处布置原则。车架设计总体方案即车架主视图如图3.5所示、车架内部设计图即车架俯视图如图3.6所示。图3.5 车架主视图图3.6 车架俯视图3.6 转向机构的工作原理转向机构采用的是阿卡曼式，又称梯形结构。它的工作原理是前两个车轮的连接线与后一车轮连接线在连接起来后可以看在车辆的转向梯形内，由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3.7所示。图3.7 转向机构示意图转向机构上用于固定转向拉杆的螺栓呈三角形布置。位于中间位置的螺栓固定在车架上，剩余上方两个螺栓分别用于固定转向拉杆。如图3.8所示。图3.8 转向螺栓布置形式3.7 转向机构分析节能车转向机构，操作转向手柄进行转向时，由于转向手柄与转向短杆的连接处位于转向手柄中心偏上处，如图3.9所示。图3.9 转向短杆与转向手柄连接方式转向手柄转向处位于转向手柄纵向截面的中心。因此转向手柄在转向时带动转向短杆运动，进而带动转向长拉杆运动，从而带动车轮进行旋转。利用CAD旋转功能，可知转向机构的转向最大角度为14，如图3.10所示。图3.10 转向最大角度3.8 车身制作工艺分析车身材料的选取在以往包括国外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。玻璃钢的生产制作方法基本上分两大类，即湿法接触型和干法加压成型。如按工艺特点来分，有手糊成型、层压成型、RTM法、挤拉法、模压成型、缠绕成型等。手糊成型又包括手糊法、袋压法、喷射法、湿糊低压法和无模手糊法。先制作出车身外形模版再利用手糊制作工艺方法，则多采用手糊成型法。手糊工艺属于开放式模塑的一种。其制程是在模具涂上脱模剂，接着喷上改善部件外观的胶衣。当胶衣发粘后，用手工把玻璃纤维贴到模内，再通过浇注、刷或喷射把内含有固化剂的树脂加入进去。树脂通过滚压或压挤排除空气进入纤维内，确保完全的浸润和浸透。由制作流程可以看出，为了使车身外表面尽量光滑平整在制作过程中进行了二次倒模。先利用石膏或油泥等材料按设计图纸1：1的比例制作阳模，然后利用玻璃钢制作阴模最后再次利用玻璃钢翻制成品，并进行表面处理和喷漆，最终制成车身成品。流程如图3.11所示。图3.11 车身制作流程图3.9 车架制作工艺分析由于车架结构简单，大部分联接形式为焊接形式。在节能车运行过程中所承受的弯矩和扭矩也不大。车架采用钢管，其制作成为车体方式很多。钢管选用焊接方钢，尺寸分别为20mm、30mm、40mm。角钢尺寸选择为30mm。车架各钢管之间连接方式均采用焊接方式。3.10 车身与车架连接方式这建造节能车时，由于采用车身与车架分开建立，所以车身需要与车架相联接使其成为一个整体。车身与车架的连接方式可以分为内部连接和外部连接。3.10.1 内部连接即车身安装在车架上后，通过车身内部建立制作出与车架相联接的部分。安装后，驾驶员由车身开口处进入节能车内部进行对节能车的操控。内部通过螺纹螺栓方式与车架进行联接，该连接方式能够使车身与车架很好的相联，但由于车身有供驾驶员出入节能车的开口。在连接处会有缝隙，将影响车身的流体性能。3.10.2 外部连接制作时将车身作为一个整体进行制作，在对节能车进行组装时，驾驶员预先进入节能车内部，然后由车身外队友协助驾驶员将车身与车架进行相联。此种方式为利用粘扣、卡扣和凸台等与车架相应部位连接而达到车身与车架相连接的目的。但是由于此种连接方式位于车架外部，且对车身车架的制作工艺要求较高。在制作工艺不好的情况下，可能会出现车身与车架的固定偏差，会影响到车身与车架的稳定性。3.11 本章小结本章叙述了节能车车架的相关问题，并对节能车二维结构进行设计及校核。在计算结果中得出结论当钢材的截面积大于1.905mm2时，车架所用材料可以满足对强度的基本需求。鉴于车架的设计要考虑车架上相关部件的安装，在对车架设计的过程中也要考虑到车架上相关部件与车架的安装、连接方式。在车架上，设计安装部件所需要的最少却最有效的辅助支撑梁，这也是降低车重的一个方法。第4章节能车三维建模CATIA是由法国Dassault公司开发并由IBM公司负责销CAD/CAM/CAE/PDM集成化应用系统，并在世界CAD/CAM/CAE软件中处于领先地位。CATIA起源于航空工业，现已被广泛应用于航空航天、汽车制造、造船等行业。Pro Engineer简称Pro/E，它是由美国PTC公司开发的一款计算机三维辅助设计软件，被广泛应用在机械设计与制造、模具、家电、工业造型等行业并为用户提供了一整套从设计到制造的完整的解决方案，在业界享有很高的声誉4.1 CATIA车身建模4.1.1 车身建模问题分析：建模思路：利用CATIA软件中创程式造型设计及汽车A级曲面造型技术综合设计。（1）在空间中建立创造标准面所需要的基准点（2）再各基准点由基准线做好联接（3）将基准线建立后，将出现由各基准线环绕组成的基准面（4）在建立基准面时，为突出曲面的流线。对于各点及车身曲率所经过必要的点也需要建立（5）建立基准面是围绕基准线出现的，所以应用的是CATIA中填充曲面的命令（6）在填充曲面的同时设定出所建立曲面时需要经过的点4.2.2 车身建立过程如下：（1）建立车身建模时所需必要的点，首先做出车身前半部分最关键的点，分别为车身前部的四个点，如图4.1所示；图4.1 车身前部关键点建立（2）用直线将关键点连接起来，如图4.2所示；图4.2 将关键点用直线相连（3）建造车身曲面线框，利用样条曲线命令，对曲面进行外形边框进行造型，如图4.3所示；图4.3 建造车身初始曲面线框（4）利用拉伸功能，拉伸出一个面，这样车身前端的曲面便生成了。如图4.4所示；图4.4 拉伸成车身前部分曲面（5）对于车身的建模，要考虑到与车架的连接。在设计时，车身与车架的连接方式是卡扣。这样方便车身与车架随时拆合，如图4.5所示；图4.5 建立车身与车架相连固定点（6）另外一点定义在曲线上，如图4.6所示；图4.6 建立车身与车架相连固定点（7）用直线将这两个线也连到一起，如图4.7所示图4.7 直线连接点图5-7（8）随即对这条线进行拉伸，在装配时，拉伸出的这个面与车架前面的上表面进行装配，如图4.8所示；图4.8 拉伸成安装面（9）同样要对车身其它的关键点进行建立，方便对车身建模的及曲面的细化，对于两端有相同的点，依然可以使用镜像功能，分别如图4.9所示；图4.9 建立车身前部其余关键点（10）分别用直线将部分关键点进行连接，连接后效果如图4.10所示；图4.10 用直线连接上部关键点（11）利用创程式造型设计中填充曲面，选择一个曲面边框对边框内进行曲面填充，如图4.11所示；图4.11 生成前部曲面（12）陆续对节能车上的关键点进行建立，如图4.12所示；图4.12 建立车身上部点（13）再将部分关键点用直线连接，围成一个封闭的空间，如图4.13所示；图4.13 直线连接点（14）利用创程式造型设计中填充曲面，选择一个曲面边框对边框内进行曲面填充，如图4.14所示；图4.14 生成车身顶面（15）连接另外两个关键点，如图4.15所示；图4.15 直线连接点（16）利用创程式造型设计中填充曲面，选择一个曲面边框对边框内进行曲面填充，如图4.16所示；图4.16 生成车身前部下面（17）与其相对称的面做法相同，在完成后，为了使车身外形更加美观，使用创程式外形设计中样式曲面，并对车身造型进行美化，生成车身上的圆角。如图4.17所示；图4.17 对车身连接处进行曲面造型（18）车身后半部分的建模方法与前面相同，同样需要建立一些主要的点，这些点组成了节能车后半部分底部的主要底部外围轮廓，如图4.18所示图4.18 车身后部主要点的建立（19）在建立车身后半部分的基础点后，用直线将这些点有序的进行连接，如图4.19所示；图4.19 直线将车身后部点连接（20）其中为了体现节能车车身的流线型，对于节能车后半部分的造型采用建立基准点，用样条曲线进行连接，在连接后，便会生成车身后半部分的车身曲线。如图4.20所示。图4.20 进行车尾顶部造型（21）在有所连接点形成的线将围成一个封闭的空间，同样利用创程式造型设计中填充曲面的功能，便会生成由这些线所围成的面，在这些面生成后，节能车的外形便也成形的，如图4.21所示；图4.21 生成车身后半部面（22）节能车车身曲面建模至此建模完毕，如图4.22所示；图4.22 车身造型三视图4.2 Pro/E车架建模车架是节能车的主要承载部件，在工作中它不仅要支撑整车重量，而且还要承受地面传来的支撑反力、张紧缓冲力和工作载荷等作用。车架在保证节能竞技车使用可靠性方面起着十分重要的作用，节能竞技车的操纵的平稳性、驾驶的安全性都和车架结构密不可分。在设计时除考虑车架强度外，最主要的就是追求车架的轻量化。同时考虑到车辆行驶时环境的特殊性。路况单一，而省去了悬架部分。4.2.1 车架建模问题分析（1）车架采用边梁式车架，又由于车架的主要结构材料是现成的钢材，所以所建立的草绘图应是符合标准的标准图；（2）笔直的梁可以通过Pro/E中的拉伸命令来实现；（3）对于中心对称的梁，可以将梁的草绘平面定义在中心，在通过向两个方向的拉伸也可实现；（4）对于出现角度的梁通过Pro/E中的扫掠伸出项或通过建立基准面定义基准面的内部草绘；（5）后梁在设计时要高出地面一定高度，做为联接前车架与后支撑梁的联接，可以通过建立基准面在面内进行扫掠伸出项来实现；（6）在建造对称的模型上，可以先将一面的部分进行建模；再将其进行对称。4.2.2 车架建立过程如下（1）使用拉伸命令在Front面定义草绘，绘制出两边梁，如图4.23所示；定义其拉伸长度为1720。图4.23 建立车身前底部纵梁（2）使用拉伸命令在Top面定义草绘，绘制出节能车最前端的两根梁，如图4.24所示；定义其拉伸长度为180。图4.24 建立车身前部竖梁（3）使用拉伸命令在Right面定义草绘，绘制出节能车最前端的上梁，此梁兼与车身进行固定，其固定方式为市面上普通的卡扣，定义其拉伸至所选择面，红色的面即是所选择的面，如图4.25所示。图4.25 建立车身前部横梁（4）使用拉伸命令，点击底面定义内部草绘，在车架的低梁上绘制出，支撑用于安装转向机构及布线用的竖梁，如图4.26。在草图绘制完成后，将其拉伸长度定义为224。图4.26 车架中间竖梁（5）用于安装转向机构及布线用的横梁，由于需要开槽，所以建立需要两步。首先在中间平面建立草绘，随后在选择拉伸方向时便要进行设置，如图4.27所示。对两个方向的拉伸长度进行设置，由于在中间对称面建模且总长度为786，故分别设置拉伸长度为393。图4.27建立支撑横梁（6）对车身上最高的梁进行建模。它的高度决定了整车的高度。在草图绘制完成后如图5-34，需对其进行定义拉伸长度，拉伸长度定为690。如图4.28所示。图4.28 车架最高竖梁（7）对最高的梁进行定义内部草绘，草绘时应注意将其绘制在梁的内部，如图4.29所示；这样的绘制会避免梁的内部结构发生变化，在绘制完成后，选择拉伸至所选平面。红色的面即是所选择要拉伸到的平面。如图4.30所示。图4.29 车身最高横梁草绘图4.30 生成车身最高横梁（8）根据车架后半部支撑的方式及位置，决定在定义内部草绘时，如图4.31所示，应以车架最外侧做为基准面，在草绘完成后，定义拉伸长度650。图4.31 车身后部发动机支撑梁（7）由于车架出发生变形，并且前后轴都有载荷施加。在设计时，发动机的固定位置也与车架有关。为减小车架变形，在车架中间加一根辅助的梁。定义草绘在车架最长竖梁下端，如图4.32所示。定义拉伸至指定曲面。如图4.33所示。图4.32 车架稳固梁图4.33 生成车架稳固梁（8）在绘制地板支撑梁的时候，由于这几根梁都安装在车架的底部，由底部焊接从而连接在车架上。又因为其长度的中点在建模的中心面上，故可以使用中间定义内部草绘，如图4.34所示；向两个方向进行拉伸。图4.34 车架支撑地板梁（9）为提高驾驶员的乘坐舒适性，故在节能车架上添加了驾驶员靠背安装斜梁。在设计时应考虑到方便支撑方式的设计，在车架上焊上一根横梁，这根横梁同时也会对车架的稳定性起到作用。定义草绘面在车架纵梁的内部面，如图4.35所示；之后定义拉伸长度至指定曲面，图中显示红色的面即是所选中要拉伸至的曲面，如图4.36所示。图4.35车架靠背支撑梁的安装梁草绘图4.36 生成车架靠背支撑梁的安装梁（10）定义草绘面在车架纵梁的内部面，如图4.37所示；之后定义拉伸长度至指定曲面，图中显示红色的面即是所选中要拉伸至的曲面，如图4.38所示。图4.37 车架稳定梁草绘图4.38 生成车架稳定梁（11）由于车架是边梁式的，为了方便安装及固定后车轮，后轮传动装置。则在车架建立的后段建立较高的纵梁，在建立后段上升的梁需要建立起后段的纵梁。为了方便建立后段的纵梁，依据二维图的尺寸，需要在后段纵梁的终点处建立一个基准面。以Front面为基准面，向车架方向偏移2250。如图4.39所示。图4.39 建立基准面（12）在新建的基准面上进行草绘，绘制后段纵梁的二维草图，如图4.40所示；往车身方向进行拉伸，定义拉伸长度为325；图4.40 建立车架后纵梁（13）为方便建立驾驶员靠背安装支撑臂，需要建立基准面，依据二维图示尺寸，便可以计算出需要偏移的尺寸。定义偏移尺寸是143.5 ，命名为DIM2。如图4.41所示；图4.41 生成靠背安装支撑臂的基准面（14）建立驾驶员靠背安装支撑臂，由于支撑臂与车架呈一定角度。便使用扫掠伸出项进行绘制。在菜单栏中选择插入/扫描/伸出项，定义在新建的DIM2基准面上进行对草绘轨迹的绘制，如图4.42所示。在属性里选择合并端，这样在结合处就会结合的十分完美，如图4.43所示。在截面中进行支撑臂的草图绘制，如图4.44；图4.42 轨迹草绘图4.43 选择属性图4.44 草绘扫描的面（15）对于另一侧的驾驶员靠背安装支撑臂，因为它是对称的，所以利用镜像即可。选择需要做镜像的梁，以中间Right平面做镜像面。然后进行镜像，变得出第二个驾驶员靠背安装支撑臂。如图4.45所示；图4.45 选择中间面进行镜像生成第二个靠背安装支撑臂（16）为了建立车架后半部主要结构后斜支撑梁，需要对Right面进行偏移，将偏移的面定义为DIM3，如图4.46所示；图4.46 建立车架后斜支撑梁的基准面（17）建立车架后半部主要结构后斜支撑梁，由车架后半部主要结构后斜支撑梁与车架呈一定角度。在菜单栏中选择插入/扫描/伸出项，定义在新建的DIM3基准面上进行对草绘轨迹的绘制，如图4.47所示。在属性里选择合并端，如图4.48所示。在截面中进行支撑臂的草图绘制，如图4.49所示；图4.47 轨迹草绘图4.48 选择属性图4.49 草绘扫描的面（18）对于另一侧的车架后半部主要结构后斜支撑梁，因为它是对称的，所以利用镜像即可。选择需要做镜像的梁，以中间Right平面做镜像面。然后进行镜像，便可生成第二个车架后半部主要结构后斜支撑梁。如图4.50所示；图4.50 镜像建立车架后斜支撑梁（19）车底板的安装需要固定，同时也需要在车架上钻出螺纹孔。如图4.51所示；图4.51 建立车底板的安装孔（20）在安装车转向机构时，车架也有安装孔。如图4.52所示；图4.52 建立转向机构安装孔（21）建立辅助安装模块的安装支撑梁，如图4.53所示。图4.53建立辅助安装模块安装支撑梁（22）安装辅助模块车底横梁固定孔，如图4.54所示。图4.54 建立安装辅助模块车底横梁固定孔（23）在建立驾驶员靠背安装孔前，要建立辅助基准面，再在基准面上进行绘制，再生成安装孔。如图4.55所示。图4.55 建立基准面（24）以上步骤便完成了对车架的建模。车架建模完成的形状，如图4.56所示。图4.56 车架图4.3 节能车主要部件建模节能车是由很多部件组成的。转向机构、发动机、车轮、车架底板、驾驶员靠背及用于固定作用的螺栓及螺母。如图4.57所示。（a）车轮 (b)车底板 (c)转向机构 (d)转向手柄(e)长转向臂 (f)M12六角螺栓 (g)M6六角螺栓 (h)M8六角螺栓（i）短转向臂（j）辅助安装模块 (k)十字槽盘头螺钉 (l)驾驶员靠背图4.57 主要零部件4.4 节能车车架装配节能车车架主要由发动机、车架、转向机构组成。为方便驾驶人员乘坐，要在车架上安装地板及驾驶员靠背。由于比赛并非长时间比赛，故没有设计扶手。发动机用M12的螺栓进行固定，因为发动机总成的质量较小，所以安装发动机的固定板直接焊接在车架上即可。在对节能车进行装配时，大都采用面与面的约束及中心轴与中心轴的对齐方式进行装配。车架的装配：（1）将车架导入Pro/E中，做为其它附属零件安装的基准；（2）节能车地板是支撑驾驶员，以便驾驶员乘坐，它的形状是依据节能车底部的形状进行设计。在装配时使用面与面的匹配，车架与车底板联接螺栓的中线进行轴对齐进行约束；（3）驾驶员靠背是提高驾乘人员舒适性的装备，驾驶员在驾驶时背部依靠的物件。它与车架的联接方式是螺栓联接。在车架靠背安装支撑臂上和靠背的背面均有螺纹螺栓安装孔。在进行装配的时候使用驾驶员靠背背面与车架靠背安装支撑臂的正面进行面与面的匹配，并对驾驶员靠背上螺纹中的中心线与车架靠背支撑臂上螺纹孔的中心线进行对齐约束；（4）发动机固定板（消音板）安装在发动机与驾驶员之间的竖梁上。在发动机运行的时候会发出很大噪声，由于该板件的存在可以使发动机发出的噪声对驾驶员的影响降到最低。对于发动机的安装也可以起到固定作用。节能车车架装配后如图4.58所示。图4.58 车架装配图4.5 节能车整车装配节能车车身导入方法：在机械行业内有种格式IGES，是一个通用的行业标准。利用CATIA建模的节能车车身便是利用IGES导入Pro/E内，再与车架总成进行装配。车身与车架总成的装配：（1）车身与车架形成一个完整的车体，所以在装配时要考虑到车身与车架的联接方式；（2）车身在用CATIA建模时，生成的是*.Catpart文件，这个文件不能直接被Pro/E识别，需要用IGES格式进行转化；（3）车身在与车架联接时，应对车身与车架联接的部位进行面与面的匹配。车身与车架装配完成后，如图4.59所示；图4.59 整车装配图（车身透明）为了看清内部构造，对装配后的整车进行渲染使得车身透明，也可将车身进行分解，生成爆炸示图，如图4.60所示；图4.60整车爆炸图由于车身和车架的长度都在2000mm以上，相对于2040mm的螺栓螺母无法显示出来。4.6 本章小结通过对车身、车架及其相关关键零部件的建模，提高了对软件建模的熟悉程度，对利用三维建模软件进行建模的方法有了更深刻的认知。通过对节能车车身、节能车车架及涉及整车装配的基本零部件的建模使得对节能车的了解更加深了印象。对于利用三维建模软件来实现三维实体的虚拟装配，更是熟悉了整车装配时应注意的问题。也大致了解了节能车在实际装配中可能遇到的问题。第5章节能车性能分析5.1 Pro/E整车装配干涉检查在Pro/E中装配完成后，需对装配件进行干涉检查，过程如图5.1所示，全局干涉选项卡，如图5.2所示。图5.1 进行干涉图5.2 干涉对话框，单击，分析结果如图5.3所示。图5.3 整车干涉结果分析结果若存在运动干涉，则会提示，若无运动干涉，则无显示。针对节能车的分析结果表示不存在运动干涉。5.2 Pro/E节能车整车质量、重心及惯性矩分析在菜单栏中选择分析/模型/质量属性，在弹出对话框中将所有部件的密度定义完成后，单击，分析结果如图6-4：整车质量686Kg,以整车前端为基准，其重心位置X=0.006136832mm、Y=316.34mm、Z=1.65m，可得出整车重心位于两轴距之间且重心较低。如图5.4所示图5.4 整车质量、惯性矩及质心分析结果5.3 Pro/E与ANSYS的接口建立设计应用的ANSYS为12.0版本。安装完成ANSYS后，确保ANSYS 软件可以运行时，进行接口的建立。1、如图5.5所示。图5.5 选择建立接口2、右击选择，便会弹出一个对话框，在该对话框中做出选择如图5.6所示。图5.6 接口建立对话框设置13、然后单击。便会弹出对话框，在对话框中做如图5.7设置。图5.7 接口建立对话框设置24、单击会进入下一个对话框。在这里我们使用第三个命令，如图5.8所示。图5.8 接口建立完成图此时接口建立完毕，单击，退出借口的建立程序。打开Pro/E软件，在菜单栏中可以看到ANSYS12.0的提示标，如图5.9所示。图5.9 接口建立成功图5.4 车架静力学分析5.4.1、将Pro/E的车架模型导入ANSYS中 5.4.2 单元类型的设定1、定义单元类型在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合单元类型进行分析，因为整车车架为实体，因此选择实体Solid。2、定义材料属性材料选择碳钢，弹性模量EX=200GPa，泊松比PRXY=0.25。3、网格划分网格划分精度设置为10，划分后生成92827个单元，184385个关键点。网格划分完毕后如图5.10所示。图5.10 网格划分4、施加约束及载荷对车架所做的约束分别在中间横梁两端及后部与车轮相连接的面进行约束，定义在对车架静态进行静力学分析时，车架与节能车转向连接处所施加的约束为全约束，后轴处施加Y方向即垂直于车架的约束，所施加约束如图5.11所示。图5.11 施加约束车架所受的力由驾驶员，发动机及车身其他附属零件所包含在车架上，其受力均匀分布在车架的支撑面上，驾驶员、发动机及车身及其他附属零件在计算时视为面载荷。所设置的面压力为车架前部分的梁加载面力为490N，后端梁加载面力为490N。车架受力设置如图5.12所示。图5.12 车架加载5.4.3 车架静力学分析结果1、查看车架变形结果，变形为0.033814mm，车架前段及车架中后段变形存在变形，车价变形最大程度位于车架中后段，如图5.13所示。图5.13 车架变形图2、X轴方向，车架横梁与车架纵梁连接处所受应力最大，车架在X方向上所受最大应力为25.4Mpa，小于车架材料45钢的许用应力值600MPa，如图5.14所示。图5.14 X方向应力图3、Y轴方向上，车架竖直方向上所受应力较其余部分应力较小，车价所受最大应力为31.4Mpa，小于车架所用材料45钢许用应力600MPa，如图5.15所示。图5.15 Y方向应力图4、Z方向最大应力23.8MPa，车架与转向机构连接处与车架后轮连接处受应力较其余部分所受应力较小，小于车架所用材料45钢许用应力600MPa，如图5.16所示。图5.16 Z方向应力图5、车架最大应力结果为60MPa，车架与转向机构连接处与车架后轮连接处受应力较其余部分所受应力较小，小于车架所用材料碳钢的许用应力600MPa，如图5.17所示。图5.17 车架最大应力图5.4.4 车架静力学分析结果分析节能车车架材料采用45钢，其许用应力为600MPa，车架部件所受应力均未超过车架材料的许用应力值。因此不影响节能车的正常运行，不会对车架的安全造成影响。车架变形量最大处在车架中后部，前部由于人下肢部分的重量而发生轻微变形。5.5 车架极限转向分析5.5.1 极限转向分析假设条件假设节能车到达一定的速度，在进行转弯时，一侧车轮无地面附着力完全脱离地面，另一侧车轮完全受车架重力，无法进行转向，并有车辆侧倾的危险。车辆后为驱动轮，并不起转向作用。5.5.2 将Pro/E的车架模型导入ANSYS中 5.5.3 单元类型的设定1、定义单元类型在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合单元类型进行分析，因为整车车架为实体，因此选择实体Solid。2、定义材料属性材料选择为碳钢，因此输入弹性模量EX=200GPa；泊松比PRXY=0.240.28。3、网格划分网格划分精度设置为10，划分后生成92827个单元，184385个关键点。网格划分完毕后如图5.18所示。图5.18 网格划分5、施加约束及载荷假定条件为极限转向条件，一侧车轮无地面附着力，故一侧全无约束；另一侧车轮完全丧失转向能力，故对转向车轮的另一侧进行Y方向的约束；后轮为驱动轮，其本身固定点看为全约束。所施加约束如图5.19所示。图5.19 施加约束对于所施加的载荷，同静力学分析相似。对车架前段施以驾驶员重量，对车架后段施以发动机及其他零部件重量。如图5.20所示。图5.20 施加载荷5.5.4 车架极限转向分析结果1、车架极限转向时，车架沿Z轴方向有翻转趋势，车架在极限转向状态时所发生的最大变形量为0.040699mm。如图5.21所示。图5.21 车架极限转向变形图2、车架极限转向状态时，车架沿X方向上，车架横梁承应力及变形量大，所受应力大。车架所受最大应力为21.5MPa，小于45钢的许用应力600MPa。如图5.22所示。图5.22 车架极限转向状态X方向所受应力3、车架极限转向状态时，车架沿Y方向上，车架竖梁与车架纵梁焊接处承应力大。所承受的最大应力为30.2MPa，小于45钢的许用应力600MPa。如图5.23所示。图5.23 车架极限转向状态Y方向所受应力4、车架极限转向状态时，车架沿Z方向上，车架竖梁与车架纵梁焊接处及车辆后轮支持部所受应力大。所承受的最大应力为41MPa，小于45钢的许用应力600MPa。如图5.24所示。图5.24 车架极限转向状态Z方向所受应力6、车架最大应力结果为61.7MPa，车架与转向机构连接处与车架后轮连接处受应力较其余部分所受应力较大，小于车架所用材料45钢的许用应力600MPa，如图5.25所示。图5.25 车架极限转向状态时最大应力图5.5.5 车架极限转向状态结论分析节能车在发生极限转向状态时，车架所受应力均满足材料45钢的强度要求。车架所受最大应力61.7MPa，均小于45钢600MPa。车架的弯曲程度加大，在对车架进行加工应对车架各梁之间连接处进行加强强度处理。5.6车架模态分析5.6.1 将Pro/E的车架模型导入ANSYS中 5.6.2 单元类型的设定1、定义单元类型在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构、分析类型和所分析的问题精度要求等，选定适合单元类型进行分析，因为整车车架为实体，因此选择实体Solid。2、定义材料属性材料选择为碳钢，因此输入弹性模量EX=200GPa；泊松比PRXY=0.240.28；密度DENS=7800。3、网格划分划分精度设置为10，划分后生成92827个单元，184385个关键点。网格划分完毕后如图5.26所示。图5.26 网格划分1、在模态分析时定义为做6阶模态分析，如图5.27所示；图5.27 模态分析设置2、模态分析分为全自由和带约束的模态分析。在实际情况中，都有约束的存在。故此次采用加载约束进行模态分析，约束分别在中间横梁两端及车架后端与车轮相连接的部分。在整车运行过程中，定义车架各处均受Y方向上的全约束，如图5.20所示。图5.20 施加约束5.6.3 车架模态分析结果1、计算结果所得相应频率，如图5.21所示，即知大学生节能车的车架振动频率。1阶振动频率0Hz；2阶振动频率0.9055610-6Hz；3阶振动频率0.6102910-5Hz；4阶振动频率0.020024Hz；5阶振动频率0.037479Hz；6阶振动频率0.039060Hz。图5.21 模态分析结果2、1阶模态振形如图5.22所示，车架振动沿X轴方向振幅最大。图5.22 1阶模态振形3、2阶模态振形如图5.23所示，车架前部及后部沿X方向振动形变大。图5.23 2阶模态振形4、3阶模态振形如图5.24所示，车架沿Y方向有位移产生，车架振动幅度依然较大。图5.24 3阶模态振形5、4 阶模态振形如图5.25所示，车架前部振动沿X轴方向有翻转倾向，车架前部分变形较大，后部无大的形变。图5.25 4阶模态振形6、5阶模态振形如图5.26所示车架后部沿X轴方向有翻转倾向，车架后部分变形较大，前部无太大的形变。图5.26 5阶模态振形7、6阶模态振形如图5.27所示，可观察车架整体振幅较小，车架立梁变形较大。图5.27 6阶模态振形5.6.4 车架模态分析结果分析车架由于振动所产生的变形较大，需对车架在焊接联接部位在加工时注意保证焊接质量以保证车架的整体强度。分析出车架的振动频率后在改装发动机，安装其它系统时要避免与车架振动频率相同而产生共振。也为进一步分析车架做准备。5.7 有限元结论分析结合车架静力学分析及模态分析结果可以得出以下结论：（1）车架所受力及车架变形均在合格条件范围内；（2）不论车架模态还是车架静力学分析，均可看出车架前段的弯曲变形程度较大，车架上部分横梁、驾驶员靠背支撑臂的弯曲程度相对车架前端变形较小，车架中的竖梁也有变形趋势；（3）由于车架受力的原因使得车架向车架中心发生小的扭曲，并使车架最高的梁有向后弯曲的趋势；（4）车身上所有焊接位置所承受的力是最大的；（5）车架后段支撑梁变形及其所受力在车架后部上升过渡区段受力为最大；（6）车架主要承受Y方向（竖直方向上的力），Y方向的受力为车架中后段受力最大，车架前段受力最小；（7）车架在横向受力（X方向上的受力）为驾驶员靠背支撑臂所受力为最大；（8）车架Z方向的力（前进方向上的力）为两段横梁受力连接处受力最大；（9）车架模态分析显示车架上所有的梁都要承受一定的弯曲强度，对材料的强度要求要大；（10）车架振动频率分布范围较大，在进行整车装置选取时，应考虑到所选物体频率是否接近车架振动频率；（11）车架变形量很小，但这使得部分连接处所受应力为最大。5.8 车身曲率分析1、先将车身文件打开，如图5.28所示，进行选择，图5.28 CATIA设置工作节面随即工作界面将变化到汽车A级曲面工作界面，在工作界面中寻找到如下图标，它的作用就是对曲面进行曲率分析。在完成对对话框的功能选择，随即点选需要分析的截面。根据色谱范围，便可知曲面曲率分析的分布情况2、对车身做最大值的曲率分析，如图5.29所示；图5.29 车身最大曲率分析设置及图谱得出车身曲率最大值0.0869mm，如图5.30所示；图5.30 车身最大曲率图3、对车身做最小值的曲率分析，设置如图5.31所示。图5.31 车身最小曲率分析设置及图谱得出车身曲率最小值10-12mm，如图5.32所示。图5.32 车身最小曲率图4、对车身做平均值的曲率分析，设置如图5.33所示。图5.33 车身平均曲率分析设置及图谱得出车身平均曲率最大值0.0588mm、车身平均曲率最小值11.01910-6mm，如图5.34所示。图5.34 车身平均曲率图5.9 车身曲率结果分析分析通过曲率分析可以得出：（1）车身上表面形状值最小，表示其半径越大。属于平整上升、流线型越好；（2）节能车车身的曲率显示车身两侧曲率逐渐增大后变小；（3）在车身中后部，曲率变化不大，相对车身前部两侧，这样的车身中后部，空气理论上在通过车身前部后，车身后段，无有效阻碍空气流动，缩小迎风面积；（4）车身尾部在设计时，采用了上长下短的设计，考虑到应尽量避免在车尾部产生阻碍空气流通的涡流；（5）车尾的平面近似于一平整的平面，且车身尾部长边长于下边，并且车尾的高度也有所降低。5.10 结构优化措施由车架的有限元分析结果可以得出：由于前轴支撑位置稍有靠后。导致前轴载荷较大，前轴支撑位置处要承受很大的弯矩及弯曲应力；发动机处于车架中后段，也导致车架中后段要承受很大的质量，尤其是后轴焊接处下断面及向上支撑臂所受弯曲及剪应力更大。由于节能车的特殊要求，虽质量不如正常车辆的10%，没有安装悬架，但考虑到乘员的安全性，仍要求能够承受弯曲应力和弯矩。将节能车布置为发动机后置、前二后一轮式并由后轮驱动，也间接导致前后两轴的载荷大。振动无法由悬架过滤，将直接传导至车架。车架振动由车架所做的模态分析便可得知，车架振动幅度很大。所以，要求所选择的钢材要有很大的抗弯曲强度。依据车架的静力学有限元分析，车架选用材料时，选用材料应有较好的抗弯曲强度，并能承受较大的剪应力。在运行过程中，车身会发生震动，震动将导致车身发生变化，出现很多种的振型，在观察振型后发现所选择的材料同样要有较好的抗扭及抗弯强度。在加工时，可以适当在车架中添加部分用于辅助支撑的梁。防止因为车架振动变形，导致车架纵梁出现裂痕。在对节能车车架进行焊接时，应对焊接处进行强化处理，在焊接时应尽量避免出现焊接气泡、焊接部位不完全等问题的发生，以增强焊接强度。针对于节能车所选用的材料，整车采用的材料为钢材，使得整车质量很大，将影响车辆的燃油经济性。在强度符合的条件下，可以适当减小选择钢材的厚度。如在经济条件允许的前提下，优先选用铝材。由于钢的密度比较大，且在抗弯强度相同的时候，钢材比铝材的总质量要大出很多。这会使得整车质量有所增加。在对节能车车架做的其质心分析中可以得出节能车车架质心距离地面比较高，这样不利于提高节能车行驶时的车辆稳定性，应对这样的情况，应尽可能使节能车整车质心降低。在设计装配时，应尽可能将发动机的装配位置设计的低一些，这样可以降低车辆质心的高度。为了使从而使节能车整车的质心处于节能车两轴之间的理想位置，尽量将节能车发动机布置的靠后一点，这样做虽然会增加节能车后轴的载荷，但质心的靠后及下降的高度可能会影响到整车运行的稳定性。理想的质心位置处于车身轴距中间并稍往前靠。这样在车身转弯时、车辆行驶时车辆的稳定性将有所增强。车身的设计在流线型的基础上，应考虑到降低它的迎风面积，减小其尾部产生的涡流。车在运动时，会带动其周围的空气进行运动，当气流在通过车身凹处会在车身的凹面形成涡流。在形成涡流的同时，会增加车体运动的阻力。在车尾也易形成涡流，在设计车尾部时，因考虑到减小空气涡流，因此可将设计为类似于鸭尾的形式，或延长车尾上部分，使其与下部分优化方式应避免涡流的产生。5.11本章小结借助软件对节能车部分性能的分析，使节能车在设计中更趋于合理。软件对装配后的节能车分别进行了全局干涉及质心等内容的检查。整车质心虽距离地面高度316.44mm，但在车辆转弯时，势必会对产生车架弯曲，车的质心将偏离中心，对车架支撑轴及转弯时的稳定性产生影响。车辆行驶速度更快时，也会影响整车的稳定性。对车架的静力学及动力学模态分析结论显示车架所选用的材料符合设计强度要求。但由于选材的影响，使得整车质量很大，对车辆的节油性会产生影响。结论大学生节能车是由大学生进行设计的一款节能竞技的整车。本文运用有在校期间所学知识并利用了相关软件针对大学生节能车进行优化设计。对节能车利用CAD软件分别对车架及车身的二维草图绘制，并利用CATIA对车身进行建模并对所建车架进行了曲面曲率分析；也利用了Pro/E三维建模软件对车架及关键零部件进行了建模，并利用了Pro/E软件中的装配功能对整车及车架进行装配，同时对装配后的整车进行质量及质心进行分析。应用有限元分析软件ANSYS对车架进行了静力学分析及模态分析并得出了相应的分析结果，并通过分析有限元分析结果，提出相应的优化措施，以实现对结构优化。通过本课题的研究，最终得出以下结论：1、针对大学生节能车的设计要求，需对节能车车架进行设计，并对车架进行强度校核，并对车身进行设计。利用CAD对节能车的车身及车架进行了二维草图。节能车车架的设计简化程度很大，制作工艺不复杂，能够减轻车架制作人员的劳动强度。节能车车身的设计采用了流线形设计，尽量避免产生对车身有阻碍的涡流。2、针对节能车车身利用了CATIA软件中的汽车A级曲面功能对进行车身进行了建模。在CATIA车身建模完成后，利用曲面曲率分析对车身进行了曲面曲率的分析。经过车身曲面曲率分析，得出所设计的大学生节能车车身曲率设计符合设计要求的流线形又美观。3、Pro/E软件对节能车车架进行三维建模，并利用Pro/E的装配功能对节能车整车进行了装配，对装配后的整车进行了整车总质量及质心的分析。节能车总质量达到600kg，由于整车总质量很大会对整车燃油经济性造成影响；节能车整车质心位置在两轴之间符合设计要求。4、有限元分析软件ANSYS对节能车车架进行了静力学分析，车架在受力变形时，车架纵梁骨架与车架立梁联接焊接处所受应力最大。车架前端变形量较车架后半部变形量大，导致车架纵梁要承受很大的弯矩。通过对车架所做的静力学分析可知车架所受的弯曲强度及应力均在车架材料的许用应力范围内。5、有限元分析软件对节能车车架进行了模态分析。在节能车运动中，车架会产生振动，通过模态分析所分析出的车架振动频率在设计时可以避免因为发动机，传动系的振动频率与车架振动频率近似或相同而使节能车产生共振现象。在设计选用材料及关键部件时，要尽可能避免其频率与车架频率相同，防止产生共振，威胁节能车运行安全。本设计中所设计的节能车满足大学生节能车的设计要求。参考文献1 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Ford Is Betting the Future On Small, Efficient CarsJ.New York Times,07/22/2008, p1.致谢为期四个月的毕业设计即将结束，回顾整个过程，我感受颇深。首先向我最尊敬的指导老师王强老师致以最诚挚的敬意及衷心的感谢。几个月以来，他不遗余力地对我的设计进行了指导。在我毕业设计这段时间，无论是在学习还是在生活上，恩师都给予了我无微不至的关怀。由于第一次接触节能车，对其结构及制造过程了解不多，实践知识更是不足，但王老师总是耐心地给我讲解有关方面的知识，及时了解我设计中遇到的难题，使我得以在短时间内完成设计工作，同时教导我不管是在以后的工作还是学习中，都要保持治学严谨的态度。王老师平易近人，学识渊博，治学严谨，处理问题认真求实的作风一直影响着我，他必是我一生的楷模，对我的帮助和教导我将谨记一生！一个月后我们就要离开这个学习并生活了四年的校园，同时也将告别学生时代。毕业设计可以说是我最后一次向老师们学习的机会了，也正是因为老师的教导，设计才得以完成。毕业设计虽已完成了，但由于知识水平的局限，实际经验缺乏，设计还存在许多不足，有很多地方需要改进。对于这些不足，我会在今后的工作、生活中努力去改正，并利用所学到的知识，为社会作更多的贡献，成为一个对社会有用的人。总之，这次设计，使我将四年中所学到的基础知识得到了一次综合应用，使学过的知识结构得到科学组合，同时也从理论到实践发生了一次质的飞跃，可以说这次设计是理论知识与实践运用之间互相过渡的桥梁。我认为我在这段时间内所有的收获，对我今后的学习和工作会是一笔难得的财富。此外还要感谢那些给予过我关心、帮助的老师和同学，正是有了大家的关怀、鼓力和我自己的努力。设计才得以顺利完成。最后预祝黑龙江工程学院发展越来越好，前程似锦！附录ABudding engineers compete to build more efficient, greener cars.University teams take varied technological approaches in vying for the Challenge X prize.The 17 Chevrolet Equinox sport utility vehicles that pulled up to the US Department of Energy headquarters on 21 May were identically equipped when they came off the assembly line in 2005. Four years later all resemblance ended at the exterior. In the intervening time, teams of students from 17 universities had torn the guts out of their donated crossover SUVsthose built on a car frameand installed radically new drive systems of their own design. The goal of the makeover contest, sponsored by DOE, General Motors Corp, and others, was to improve the fuel economy and reduce the tailpipe emissions of the SUVs without sacrificing vehicle safety or performance. For GM and other US automakers, the Challenge X: Crossover to Sustainable Mobility competition got a new generation of engineers and scientists to work on sustainable and innovative solutions to reducing the countrys dependence on oil, GM vice president for environment and energy Beth Lowery told the crowd at the ceremonial finish line. GM is beginning to move to electric-powered vehicles, she said, adding, There has never been a more exciting time to be involved in the auto industry. The winning team, from Mississippi State University, achieved a 38% gain in mileage over the stock vehicle with a through-the-road parallel hybrid system powered by a turbo-diesel engine running on 20% biodiesel fuel. Through-the-road parallel hybrids, the architecture selected by 13 teams, feature one set of wheels powered by the engine and the other set driven by electric motors. Ryan Williams, an MSU mechanical engineering undergraduate, said his team used computer-aided design software to help marry the drive train to the vehicle. Team members fabricated the one-of-a-kind brackets and other necessary structural components using computer numerical control tools available in the universitys machine shop. Like many other participants in the Challenge X, Williams said he hopes to go on to a career in the automotive industry.Bells and whistlesThe University of Wisconsin-Madison team won second place with a virtually identical drive architecture, adding a few bells and whistles that included an expensive stereo and an infrared camera that can spot a deer on the road ahead. Ben Fjellanger, a UW mechanical engineering student, said that several members of his team will be interning this summer at the GM assembly plant in Janesville, Wisconsin. In addition to supplying the vehicles, GM put up $10 000 in seed money and up to $25 000 worth of additional production parts, including the GM engine of its choice, to each team. Ten teams, including the top three scorers, opted for a 1.9-liter direct-injection turbodiesel, which ironically isnt available in the US market. Universities were required to match the seed funding, grant release time of one course per semester for a faculty adviser, and provide an auto shop and computer lab. Institutions also committed to granting course credits to at least a core subgroup of the team members. A Canadian entry, from the University of Waterloo, was the only vehicle with hydrogen fuel-cell propulsion. A major challenge was to get the cell, which was made for stationary applications, to fit under the cars hood, explained Charles Hua, a chemical engineering graduate student. Although It was the only zero-emissions vehicle in the com

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