Honda中國節能競技賽車的整車優化設計

呂曉 孫寧 張永輝 左付山

摘 要：Honda中國節能競技大賽是一項以提高能源利用效率，創造節約型社會為主題的社會活動。文章針對節能賽車的發動機、行駛系、傳動系、轉向系及制動系進行了優化設計。希望為初次參加比賽的參賽者提供思路，交流參賽經驗。

關鍵詞：節能車；油耗量；優化設計

1 概述

在汽車行業日益發展、競爭愈發激烈，節油與環保已是關乎車企命運的核心問題。Honda環保活動是依據創始人本田宗一郎提出的“如何有效利用有限資源，不破壞公共環境，為子孫后代造福，所有行動要以此為準繩”的最初宗旨開展的。大賽競技1升油能行駛多少公里，挑戰節油極限。大賽要求參賽車輛統一搭載Honda低油耗汽油4沖程發動機，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發揮想象獨立創作。通過參加Honda節能競技大賽，不僅可以提高社會的節能和環保意識，更為重要的是，參賽車隊通過各自獨創技術不斷深挖1升汽油的無限潛能，深刻體會創新技術在節能方面的重要意義。

2 節能車設計

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、空氣阻力和節油等環保技術上有所突破。本文結合實際參賽經驗和與其他車隊的交流所得，主要從發動機、行駛系、傳動系及制動系等方面進行創新設計。圖1為節能車內部構造。

2.1 發動機改造

參賽使用的發動機由Honda統一提供。它作為車輛的“心臟”，對提高車輛動力性和燃油經濟性起著至關重要的作用，也是我們實現技術突破的一個核心環節。小組綜合考慮了減輕車重、減少摩擦阻力、啟動便捷、充分進氣以提高燃燒效率等因素，最終達到節油的目的。

2.1.1 發動機類型選擇

雖然電噴系統可以根據車輛狀況，在不同的工況下自動調節噴油量多少，但在實際比賽中車速一般在25～30km/h范圍內，不能達到普通摩托車的經濟車速，因此我們必須要對摩托車電噴系統的控制參數進行調節。其次，雖然電噴系統可以實時調節噴油量，但是在車輛滑行過程中只要沒有關閉點火開關，噴油器始終在噴油。結合比賽場地特點，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。綜合上述問題及實踐中對2種類型發動機油耗的對比，在不能夠準確調節控制參數的情況下，使用傳統化油器式發動機是更好的選擇。

2.1.2 進氣系統優化

進氣系統主要為燃料的燃燒提供適量的空氣。在發動機處于大功率運轉時，增大進氣量使燃料充分燃燒；當發動機處于怠速狀態時，減少進氣量提高燃油經濟性。使用化油器式發動機時可以通過調節化油器上的主量孔，使發動機在一定轉速范圍內獲得最佳空燃比。同時還可以在進氣管前加裝一個空氣濾清器，濾除空氣中的灰塵或雜質，使清潔、新鮮的空氣進入氣缸，提高燃燒效率。

2.1.3 發動機輕量化

很多車隊為了減輕整車質量，都對發動機進行了切割。拆掉了多余的檔位，只留下一個常用檔位，結合車輛的傳動比通常是二檔或者三檔。同時還拆除了發動機腳啟動部件、離合器以及多余的機罩，減少機油用量以減輕重量。

2.2 底盤系統設計

2.2.1 行駛系統

（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強度和剛度的要求，質量輕，才能達到節油的目的。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構，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，并對其CAE進行了分析優化[ 1 ]。另外設計車架時必須充分考慮到整個車輛的布置，如發動機的位置及安置方向、輪距、軸距等。同時還要方便車輪的拆裝，以便輪胎發生故障時及時拆卸檢修。

（2）車輪。參賽車輛多為前兩輪后一輪，后輪為驅動輪。這樣的設計使車輛構造簡單，易于制作，行駛時穩定性好且阻力小。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間要遠遠大于加速時間，同時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力時具有良好的滑行能力，對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，在高速轉動時的變形小，慣性阻力小，散熱能力強，有利于提高汽車的直線行駛性能，減輕輪胎滾動阻力。兩前輪均采用20英寸德國馬牌防刺光頭細外胎、后輪則采用20英寸德國馬牌防刺光頭寬外胎[ 2 ]。

2.2.2 傳動系統

常見傳動方式有鏈傳動、帶傳動以及軸傳動3種形式。一方面，為了獲得較大的傳動比，安裝在后輪上的輸出齒輪齒數較多。另一方面，軸傳動結構復雜，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量輕的帶傳動或鏈傳動進行動力傳遞。文獻[3]就采用了傳動效率較高、不易打滑、方便制作的鏈傳動。

2.2.3 轉向系統

汽車轉向系統對車輛的行駛安全至關重要。文獻[4]開發了基于MATLAB語言的節能競技車雙梯形轉向機構設計與分析軟件，具有全局尋優、簡明實用的特點。對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械式轉向系統，以駕駛員體力作為轉向能源。而對于前一輪后兩輪的車輛來說，采用自行車前叉式轉向機構即可滿足比賽要求。

2.2.4 制動系統

傳統汽車上的行車制動系統和駐車制動系統雖然制動效能較好，但是結構復雜，體積較大不便安裝，所以節能車的制動系統大多仿照自行車剎車系統設計。自行車剎車系統常見的有懸臂剎、鉗剎、V剎和碟剎等。碟剎的剎車效果會強大很多，但其安裝裝配、維護保養時相對復雜、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、制動系統安裝位置以及賽場路面情況等影響因素，我們選擇質量較輕、結構簡單、便于裝卸的V型剎車和鉗式剎車（后輪）。

2.3 車身造型設計

對于車身造型設計，主要考慮因素是減少空氣阻力以及減輕車輛重量兩個方面。流線型的車身設計可以在行駛過程中減少車身周圍空氣渦流的產生，降低氣流對車身的干擾，減少阻力系數。車輛前端稍微向下傾斜以減少迎面阻力，尾部設計成“鴨尾式”用來克服部分升力。同時，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。大賽組委會在今年又新增設了最佳人氣獎和最佳設計獎兩項獎項，以激勵參賽選手在車身設計方面有所突破。

3 結語

筆者對節能車的上述創新設計中還有很多可以改進的地方，例如車架可以通過有限元分析進一步優化設計、通過更多試驗選取最優傳動比等。希望可以對初次參加比賽的參賽者提供思路，與更多的人交流參賽經驗，也希望有越來越多的人參與到節能環保的事業中。

[參考文獻]

[1]楊沖，連晉毅，張強，等.節能賽車車架的設計及其CAE分析優化[J].太原科技大學學報，2014（3）：203-211.

[2]趙巖.節能經濟車的研發與技術研究[D].西安：長安大學，2009.

[3]楊沖.節能賽車的車架輕量化與車身動力學[D].太原：太原科技大學，2011.

[4]梁棟，陳幸波.節能競技車轉向梯形機構設計與分析軟件的開發[J].機械制造與設計，2014（6）：8-11.

[5]劉波.載重車輛橋總成制動性能在線檢測的研究[D].合肥：合肥工業大學，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