Honda中國節(jié)能競(jìng)技賽車的整車優(yōu)化設(shè)計(jì)

呂曉 孫寧 張永輝 左付山

摘 要：Honda中國節(jié)能競(jìng)技大賽是一項(xiàng)以提高能源利用效率，創(chuàng)造節(jié)約型社會(huì)為主題的社會(huì)活動(dòng)。文章針對(duì)節(jié)能賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、行駛系、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系及制動(dòng)系進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。希望為初次參加比賽的參賽者提供思路，交流參賽經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：節(jié)能車；油耗量；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 概述

在汽車行業(yè)日益發(fā)展、競(jìng)爭愈發(fā)激烈，節(jié)油與環(huán)保已是關(guān)乎車企命運(yùn)的核心問題。Honda環(huán)保活動(dòng)是依據(jù)創(chuàng)始人本田宗一郎提出的“如何有效利用有限資源，不破壞公共環(huán)境，為子孫后代造福，所有行動(dòng)要以此為準(zhǔn)繩”的最初宗旨開展的。大賽競(jìng)技1升油能行駛多少公里，挑戰(zhàn)節(jié)油極限。大賽要求參賽車輛統(tǒng)一搭載Honda低油耗汽油4沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，行駛速度要求在25km/h以上，車輛其余部分完全由各參賽車隊(duì)發(fā)揮想象獨(dú)立創(chuàng)作。通過參加Honda節(jié)能競(jìng)技大賽，不僅可以提高社會(huì)的節(jié)能和環(huán)保意識(shí)，更為重要的是，參賽車隊(duì)通過各自獨(dú)創(chuàng)技術(shù)不斷深挖1升汽油的無限潛能，深刻體會(huì)創(chuàng)新技術(shù)在節(jié)能方面的重要意義。

2 節(jié)能車設(shè)計(jì)

在燃油組的比賽中，參賽車輛要想取得好成績必須在輕量化、空氣阻力和節(jié)油等環(huán)保技術(shù)上有所突破。本文結(jié)合實(shí)際參賽經(jīng)驗(yàn)和與其他車隊(duì)的交流所得，主要從發(fā)動(dòng)機(jī)、行駛系、傳動(dòng)系及制動(dòng)系等方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。圖1為節(jié)能車內(nèi)部構(gòu)造。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)改造

參賽使用的發(fā)動(dòng)機(jī)由Honda統(tǒng)一提供。它作為車輛的“心臟”，對(duì)提高車輛動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性起著至關(guān)重要的作用，也是我們實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破的一個(gè)核心環(huán)節(jié)。小組綜合考慮了減輕車重、減少摩擦阻力、啟動(dòng)便捷、充分進(jìn)氣以提高燃燒效率等因素，最終達(dá)到節(jié)油的目的。

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)類型選擇

雖然電噴系統(tǒng)可以根據(jù)車輛狀況，在不同的工況下自動(dòng)調(diào)節(jié)噴油量多少，但在實(shí)際比賽中車速一般在25～30km/h范圍內(nèi)，不能達(dá)到普通摩托車的經(jīng)濟(jì)車速，因此我們必須要對(duì)摩托車電噴系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其次，雖然電噴系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴油量，但是在車輛滑行過程中只要沒有關(guān)閉點(diǎn)火開關(guān)，噴油器始終在噴油。結(jié)合比賽場(chǎng)地特點(diǎn)，參賽車輛在比賽過程中有很長一段路程需要滑行，反而增加了油耗量。綜合上述問題及實(shí)踐中對(duì)2種類型發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的對(duì)比，在不能夠準(zhǔn)確調(diào)節(jié)控制參數(shù)的情況下，使用傳統(tǒng)化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)是更好的選擇。

2.1.2 進(jìn)氣系統(tǒng)優(yōu)化

進(jìn)氣系統(tǒng)主要為燃料的燃燒提供適量的空氣。在發(fā)動(dòng)機(jī)處于大功率運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，增大進(jìn)氣量使燃料充分燃燒；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)時(shí)，減少進(jìn)氣量提高燃油經(jīng)濟(jì)性。使用化油器式發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)可以通過調(diào)節(jié)化油器上的主量孔，使發(fā)動(dòng)機(jī)在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)獲得最佳空燃比。同時(shí)還可以在進(jìn)氣管前加裝一個(gè)空氣濾清器，濾除空氣中的灰塵或雜質(zhì)，使清潔、新鮮的空氣進(jìn)入氣缸，提高燃燒效率。

2.1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化

很多車隊(duì)為了減輕整車質(zhì)量，都對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了切割。拆掉了多余的檔位，只留下一個(gè)常用檔位，結(jié)合車輛的傳動(dòng)比通常是二檔或者三檔。同時(shí)還拆除了發(fā)動(dòng)機(jī)腳啟動(dòng)部件、離合器以及多余的機(jī)罩，減少機(jī)油用量以減輕重量。

2.2 底盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 行駛系統(tǒng)

（1）車架。車架用來支承全車重量，選用的材料不僅要滿足車輛行駛過程中對(duì)強(qiáng)度和剛度的要求，質(zhì)量輕，才能達(dá)到節(jié)油的目的。所以一般參賽車輛多選用碳纖維或者鈦合金材料做車架。采用邊梁式平行梯形車架結(jié)構(gòu)，由2根左右分開的縱梁和4根橫梁組成，車架材料為變形鋁合金管材，并對(duì)其CAE進(jìn)行了分析優(yōu)化[ 1 ]。另外設(shè)計(jì)車架時(shí)必須充分考慮到整個(gè)車輛的布置，如發(fā)動(dòng)機(jī)的位置及安置方向、輪距、軸距等。同時(shí)還要方便車輪的拆裝，以便輪胎發(fā)生故障時(shí)及時(shí)拆卸檢修。

（2）車輪。參賽車輛多為前兩輪后一輪，后輪為驅(qū)動(dòng)輪。這樣的設(shè)計(jì)使車輛構(gòu)造簡單，易于制作，行駛時(shí)穩(wěn)定性好且阻力小。要想在比賽中取得好成績，車手不可能一直加油門，而是需要將油門加到一定程度后熄火滑行并且滑行時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于加速時(shí)間，同時(shí)還要滿足平均車速不得低于25km/h的要求。這就需要車輛在無動(dòng)力時(shí)具有良好的滑行能力，對(duì)車輪的選擇提出了更高的要求。車輪一般采用山地自行車輪胎，輪轂通常由合金材料制成，多以鋁為基本材料，重量輕，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的變形小，慣性阻力小，散熱能力強(qiáng)，有利于提高汽車的直線行駛性能，減輕輪胎滾動(dòng)阻力。兩前輪均采用20英寸德國馬牌防刺光頭細(xì)外胎、后輪則采用20英寸德國馬牌防刺光頭寬外胎[ 2 ]。

2.2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)

常見傳動(dòng)方式有鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)以及軸傳動(dòng)3種形式。一方面，為了獲得較大的傳動(dòng)比，安裝在后輪上的輸出齒輪齒數(shù)較多。另一方面，軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要較大的安裝空間，所以為了盡可能減輕車重，參賽車輛多采用制作材料質(zhì)量輕的帶傳動(dòng)或鏈傳動(dòng)進(jìn)行動(dòng)力傳遞。文獻(xiàn)[3]就采用了傳動(dòng)效率較高、不易打滑、方便制作的鏈傳動(dòng)。

2.2.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對(duì)車輛的行駛安全至關(guān)重要。文獻(xiàn)[4]開發(fā)了基于MATLAB語言的節(jié)能競(jìng)技車雙梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析軟件，具有全局尋優(yōu)、簡明實(shí)用的特點(diǎn)。對(duì)于前兩輪后一輪的車輛，為了車輛輕量化的要求，我們選擇采用簡單的機(jī)械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以駕駛員體力作為轉(zhuǎn)向能源。而對(duì)于前一輪后兩輪的車輛來說，采用自行車前叉式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)即可滿足比賽要求。

2.2.4 制動(dòng)系統(tǒng)

傳統(tǒng)汽車上的行車制動(dòng)系統(tǒng)和駐車制動(dòng)系統(tǒng)雖然制動(dòng)效能較好，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大不便安裝，所以節(jié)能車的制動(dòng)系統(tǒng)大多仿照自行車剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)。自行車剎車系統(tǒng)常見的有懸臂剎、鉗剎、V剎和碟剎等。碟剎的剎車效果會(huì)強(qiáng)大很多，但其安裝裝配、維護(hù)保養(yǎng)時(shí)相對(duì)復(fù)雜、重量大[5]，V剎的剎車效果好于懸臂剎。所以綜合整車的輕便性、制動(dòng)系統(tǒng)安裝位置以及賽場(chǎng)路面情況等影響因素，我們選擇質(zhì)量較輕、結(jié)構(gòu)簡單、便于裝卸的V型剎車和鉗式剎車（后輪）。

2.3 車身造型設(shè)計(jì)

對(duì)于車身造型設(shè)計(jì)，主要考慮因素是減少空氣阻力以及減輕車輛重量兩個(gè)方面。流線型的車身設(shè)計(jì)可以在行駛過程中減少車身周圍空氣渦流的產(chǎn)生，降低氣流對(duì)車身的干擾，減少阻力系數(shù)。車輛前端稍微向下傾斜以減少迎面阻力，尾部設(shè)計(jì)成“鴨尾式”用來克服部分升力。同時(shí)，為了減輕重量降低油耗，車身材料的選擇也同樣重要，比如參賽車輛車身多采用碳纖維或者聚苯乙烯甚至是航空材料。大賽組委會(huì)在今年又新增設(shè)了最佳人氣獎(jiǎng)和最佳設(shè)計(jì)獎(jiǎng)兩項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)，以激勵(lì)參賽選手在車身設(shè)計(jì)方面有所突破。

3 結(jié)語

筆者對(duì)節(jié)能車的上述創(chuàng)新設(shè)計(jì)中還有很多可以改進(jìn)的地方，例如車架可以通過有限元分析進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)、通過更多試驗(yàn)選取最優(yōu)傳動(dòng)比等。希望可以對(duì)初次參加比賽的參賽者提供思路，與更多的人交流參賽經(jīng)驗(yàn)，也希望有越來越多的人參與到節(jié)能環(huán)保的事業(yè)中。

[參考文獻(xiàn)]

[1]楊沖，連晉毅，張強(qiáng)，等.節(jié)能賽車車架的設(shè)計(jì)及其CAE分析優(yōu)化[J].太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（3）：203-211.

[2]趙巖.節(jié)能經(jīng)濟(jì)車的研發(fā)與技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2009.

[3]楊沖.節(jié)能賽車的車架輕量化與車身動(dòng)力學(xué)[D].太原：太原科技大學(xué)，2011.

[4]梁棟，陳幸波.節(jié)能競(jìng)技車轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析軟件的開發(fā)[J].機(jī)械制造與設(shè)計(jì)，2014（6）：8-11.

[5]劉波.載重車輛橋總成制動(dòng)性能在線檢測(cè)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

Optimization Design of Sports Car for Honda China Econopower Race

Lv Xiao， Sun Ning*， Zhang Yonghui， Zuo Fushan

（College of Vehicle and Traffic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract： Honda China Econopower Race is a social activity in order to improve the efficiency of energy use and its theme is to create a conservation oriented society. This paper mainly aimed at the energy saving car engine， driving， transmission， steering and braking system to optimize the design. Hope to provide ideas for the first time to participate in the competition， and more people to participate in the exchange of experience.

Key words： fuel-efficient cars； fuel consumption； optimization design