HONDA 中國節能競技大賽電動組別參賽賽車設計分析

周洋，伍瑩召，王飛

（1.安陽工學院機械工程學院；2.安陽工學院玄鳥車隊，河南 安陽 455000）

Honda 中國節能競技大賽EV 組（電動組別）比賽是使用大賽指定電池的原創車輛參賽，通過動手制作車輛，挑戰節能極限的競技賽事。比賽給定的電池為12V2AH 的18650電池2 塊。在時速不低于25km/h 的前提下，行駛距離最遠者即為節能競技比賽的最終獲勝方。電動組別節能賽車設計于普通電動汽車有差別但是整體結構大體相同,賽車由外殼、車架、電動機三大部分組成。由于電池是賽事組委會統一提供，電機均為購買。因此，輕量化設計和低風阻外形成為各比賽車隊關注的焦點，也是未來節能減排技術的發展方向。汽車節能減排的一個重要方向是降低汽車質量。外殼的重點在于造型美觀、流線水滴型設計和合適的空氣阻力系數。

本田節能競技大賽迎合了目前世界節能減排的大環境，該項比賽的舉辦有利于提高人們的環保意識，同時無限激發了對汽車節能減排技術的探索。參加比賽的各個車隊都是全國各大高校的佼佼者，也是著未來汽車行業最主要的人才，通過這項比賽，提高了參賽者的實踐動手和理論與實際結合的能力，為未來汽車的發展帶來了無限的遐想。

1 總體布置形式

在充分考慮了賽車制作的簡易性、行駛穩定性、以及最大限度減低行駛阻力的基礎上對節能競技賽車的總體布置形式進行設計。本田節能競技大賽的參賽規要求：參賽車輛必須為3 輪以上（包括3 輪），車輛能夠自主站立。根據參賽規則再結合節能環保的主題，同時，還需要保證所設計的賽車既有良好的操縱穩定性又有絕對的駕駛安全性。所設計的賽車采用前兩輪后一輪的總體布置方式。

2 轉向系統設計

節能賽車轉向系統采用的是阿卡曼式的轉向系統，節能賽車的轉向系統在很大方面影響著比賽結果，賽車在賽道上行駛時，若前輪轉向的轉向偏轉角相等，則會導致后車輪與前車輪的瞬時轉動中心不同，這種情況下車輛會出現側滑現象，導致輪胎磨損嚴重，反作用與汽車致使行駛阻力過大，不利于節省動力以及電能。所以，需要計算選擇出最優的梯形轉向結構參數。達到最理想的內、外轉向車輪轉角關系。從而最大限度的減小阻力。

采用倒三角結構的節能賽車轉向梯形臂長m 以及底角計算。根據設計的節能賽車的車架和傳動系統，測得節能賽車的軸距為1660mm,兩側主銷軸線與地面相交點之間的距離為520mm，阿卡曼式轉向原理為：，如圖1 所示。

圖1

通過幾何解法可以得到轉向梯形角位移方程：

3 車架設計

在結構上采用倒三角的布置方式，節省了很多質量和復雜的結構設計。例如，后輪后懸掛系統、后輪減震器、后輪后車架等，最大程度減輕節能賽車的質量，為提高安全性，車架必須具有一定的強度，能夠使其他部件可以牢固的安裝。

出于節能的角度考慮，需要最大化地減小賽車的整備質量，要減少車架的質量，還要滿足剛度、強度要求。由于比賽場地為已定（廣東國際賽車場）該場地路面平整，比賽內容不涉及復雜路面，所以可以省去先后車輪懸架的設計，根據設計數據，節能賽車參數如表1。

表1 節能賽車整車參數

車架部分的設計重點減少車架的重量，同時要考慮滿足基本的剛度強度要求。先用CATIA 對車架進行建模設計，然后進行有限元分析，如圖2。

圖2

根據節能車參賽條件的單一性和理想狀況，切參賽時路面狀況良好，在分析剛度時就省去了很多麻煩，可以忽略車輛動載工況，而僅需要對靜載工況進行分析即可。賽車的靜載有兩部分組成：賽車自身重量以及駕駛員重量（圖3）。

圖3

為節省重量同時又保證車架的強度，選擇制作車架的材料為鋁合金，鋁合金的密度小，僅為2.7(屬輕金屬)，約為鋼的1/3。由于鋁的表面易氧化形成致密而穩定的氧化膜，所以耐蝕性好。鋁有較好的鑄造性，由于鋁的融化溫度低，流動性好，易于制造各種復雜形狀的零件。車架不同部分的連接采用的方式為焊接，焊接方法為氬弧焊。

4 節能賽車車身設計

為了最大限度地減小空氣阻力，車身設計決定采用水滴型汽車造型設計。首先采用CATIA 的曲面造型對車身進行三維建模構建三維模型。如圖4。

在三維建模完成后，需要運用CATIA 的光順度處理功能對車身，使得車身滿足光順度要求，不存在不平滑的部位。

在設計完成后，還需要駕駛員的視野范圍進行校核，Honda 節能競技大賽規定所有車輛正前方的視野左右寬度至少90°，由設計數據可知，駕駛人的左右視野設計范圍為110°，滿足設計要求。

在完成視野校核后，還需要進行車身和車架總成的總裝配，在CATIA 中完成模擬裝配，已檢查車殼和車身是否存在運動干涉，檢驗車身外殼設計是否滿足需求，還需要模擬在轉向時車身外殼是否會干涉車輪需要的運動空間。第一次模擬時出現了干涉的情況，在對車身外殼進行調整后再次進行模擬分析，分析結果表明不存在干涉，設計達到了要求，如圖5。

圖4

圖5

車身外殼采用材料為碳纖維，碳纖維是一種新型材料，其含碳量高達95%以上，具有高強度、高模量的優點。碳纖維還具有外柔內剛的特性，其質量遠遠小于金屬鋁但強度可以高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性。由于碳纖維增強聚合物基復合材料有足夠的強度和剛度，是制造汽車車身和底盤等主要結構件的最輕材料。預計碳纖維復合材料的應用可使汽車車身和底盤減輕質量40%～60%，制作外殼先用白泡沫做一個模型然后用固化劑固定模型，然后鋪設碳纖維，碳纖維采用樹脂進行固定的粘合，黏合好以后再進行打磨噴漆，最終成型。

5 結語

設計的第一考慮要素就是設計的可加工性，在設計的過程中，三維軟件的應用始終貫穿始終，從最開始的設計到最后的仿真模。擬每一步都離不開CATIA 的幫助，有了三維軟件可以讓很多問題在未制作實物之前在三維軟件上就得到了解決。當今社會，節能環保已經成為社會發展的主題，新能源汽車和汽車輕量化發展已成為必然趨勢。節能競技大賽的宗旨在于“節能競技大賽的宗旨在于，讓肩負著人類未來的年輕人通過思考和實踐來體會如何更有效地利用資源,如何把我們生存的這個星球更完好地傳遞給下一代”。