新能源輕量化賽車的研究與設計

金峰 金文忻 湯彬 趙延科 黃成磊

摘? 要：為設計符合新能源汽車關鍵技術技能大賽輕量化賽項技術規程要求的賽車，結合競賽方案提供的技術標準和賽車手的身材尺寸，對新能源賽車進行整體布局設計。運用中望3D軟件進行車架、底盤、連接件的三維設計，通過ANSYS軟件對各零部件進行有限元分析，根據分析數據對零部件進行輕量化設計。在滿足材料機械性能、安全，兼顧成本的前提下，選擇高強鋼、鋁合金、碳纖維等輕質材料作為車輛制作材料。根據設計圖紙完成賽車的加工制作與裝調，并完成道路試驗。

關鍵詞：新能源賽車;輕量化;有限元分析;裝調

中圖分類號：U469.696? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）18-0171-05

Abstract： In order to design a racing car that meets the requirements of the technical regulations for lightweight events of the new energy vehicle key technical skills competition， the overall layout design of the new energy racing car is carried out in combination with the technical standards provided by the competition scheme and the body size of the racing driver. The three-dimensional design of the frame， chassis and connecting parts is carried out by using Zhongwang 3D software， the finite element analysis of each part is carried out by ANSYS software， and the lightweight design of parts is carried out according to the analysis data. On the premise of meeting the mechanical properties， safety of materials and considering the cost， light materials such as high-strength steel， aluminum alloy and carbon fiber are selected as vehicle manufacturing materials. Complete the processing， manufacturing， assembly and adjustment of the racing car according to the design drawings， and complete the road test.

Keywords： new energy racing car; lightweight; finite element analysis; assembly

0? 引? 言

新能源汽車關鍵技術技能大賽輕量化賽項以《中國制造2025》規劃為背景，緊跟國家《汽車產業中長期發展規劃》新能源汽車發展戰略的需要，服務新能源汽車產業領域人才培養的需求，提升新能源汽車企業生產、服務能力，引領職業院校相關專業人才培養和課程建設，實現以賽促教、以賽促改，推動產教融合、校企合作，對接崗位核心技能培養雙師團隊，提高職業院校人才培養質量，促進新能源汽車產業發展。

競賽規程要求：參賽隊自選符合競賽技術要求的驅動電機、動力電池、整車控制系統，制作具有輕量化意義的車架、座椅、轉向、制動、行駛、傳動、電池防撞箱等部件，通過輕量化結構設計和加工，基于車架設計連接和固定件，以安裝各個總成或裝置，最終制造出可以運行的場地汽車。

本車隊由兩名老師和兩名學生組成，其中本人（作者）擔任該賽項負責人，下文將從車輛設計、材料選擇、車輛制作、車輛裝調四個方面介紹本車隊制作的輕量化賽車。

1? 車輛布局設計

基于大賽指定技術平臺中三電系統、懸架系統、轉向系統、輪胎的尺寸參數、競賽規程參數要求以及駕駛員的身材尺寸為基準，對車輛進行布局設計。

以下是具體的設計步驟：

（1）根據競賽規程輪距、轉向半徑要求，通過計算，確定前輪距、后輪距、軸距的設計尺寸，最終確定四個車輪的位置。

（2）為了確保車輛能夠充分適應比賽的道路要求，本次設計的離地間隙為200 mm，軸荷分配為45：55，進而確定懸架系統上下擺臂減震器的安裝位置。基于轉向機總成、車輪、轉向節確定轉向拉桿的加工尺寸、連接方式。再確定轉向機在底盤的安裝位置。

（3）基于車輪、半軸、減速器確定減速器及電機的安裝位置，隨后確定電池箱和小蓄電池的安裝位置，確保電池、電機安裝空間充足，便于拆卸和檢修。

（4）根據電池箱安裝位置確定防火墻和座椅的位置。

（5）根據駕駛員的身材尺寸和最舒服的坐姿確定制動踏板、加速踏板和方向盤的安裝位置。

（6）三電安全設計，在設計時需在四周與防滾架及覆蓋物之間留出大于100 mm的空間，相互之間進行有效絕緣。在車輛不同位置設置三個急停開關和高低壓開關，緊急情況下可以及時有效地斷開高壓回路，保證駕駛員安全。

2? 車架和底盤的輕量化設計

2.1? 車架底盤初步設計

各部件的安裝位置大致確定后，根據競賽規程要求和駕駛員身材尺寸進行車架和底盤的設計。

本次設計選用中望3D軟件，經一系列建模、修改后，初步建立車架、底盤模型。底盤框架選用25×25×2 mm鋁合金方管作為制作管件，對受力加大、密集處進行局部加強。車架采用桁架式結構，管件主要承受拉力或壓力，可充分發揮材料的作用，節約材料，減輕重量。為保證車架有足夠的強度和剛度，初步統一選用SAE 4130，φ25×1.6 mm鋼管作為制作管件，防滾架和車架兩個支撐點之間直管或彎管的長度小于等于65 cm。

2.2? 車架底盤仿真分析與優化

車架和底盤的仿真分析，將車架整體模型導入ANSYS軟件，建立車架有限元模型，并設置各項分析參數，賦予材料屬性，進行抗扭轉性能仿真測試，在駕駛艙的右前、左后角承受合適的向下的預緊力，給車輛底板的右后角位置施加250 kg（2 500 N）的向上的壓力，分析車架的強度和剛度。經過有限元分析，得到車架在該工況下的如圖1所示的應力云圖和如圖2所示的位移云圖。

由分析可知，車架結構在各方面的分析結果均符合強度和剛度的設計要求，并存在較大的盈余量，這也說明了車架結構還可以做進一步的優化改進。對功能要求較低的桿件改用規格較小的桿件，規格由φ25×1.6 mm縮小為φ20×1.2 mm，如圖3所示，進行輕量化設計。

經二次設計和分析后，將優化后的應力數據乘以安全系數，仍符合材料的強度和剛度要求。最終確定了車架的具體設計結構。其中φ25×1.6 mm的鋼管用了24.94 m，φ20×1.2 mm的鋼管用了8.92 m。

3? 車輛連接件的設計

完成了車架底盤的設計，下一步就是連接件的設計。連接件的輕量化設計，主要對其進行拓撲優化，通過ANSYS分析，給定負載情況、約束條件和性能指標，在保證剛度強度的前提下，去除不必要的材料，在結構設計上進行減重;如輪轂、減震器連接件、鼻翼支架、固定電機的連接件等。車輛的連接件較多，現以固定電機連接件為例進行設計明。

具體設計流程：

第一步：根據電機與車架的相對安裝位置，運用中望3D軟件初步設計出連接件的三維圖形。如圖4所示。

第二步：將三維圖形導入ansys，賦予材料屬性，加載極限載荷，進行應力分析。如圖5所示。

第三步：拓撲優化，生成拓撲密度圖，得到最佳材料分布結構。如圖6所示。

第四步：根據材料分布結構圖，運用中望3D進行二次設計。如圖7所示。

第五步：對重新設計的結構進行應力分析，若不滿足材料強度剛度要求須重新設計，直到滿足要求為止。最終完成設計。如圖8所示。

4? 車輛材料選擇

完成了車輛的結構設計，下面介紹車輛的材料選擇。在輕量化材料方面，選用的輕量化材料主要有高強鋼、鋁合金和碳纖維。選擇的依據是在滿足材料機械性能、安全節能的前提下，盡可能選擇輕質材料，同時也要兼顧成本。本車隊經過查閱資料確定了以下材料選擇方案：

（1）高強鋼。車架、防滾架、懸架橫臂等選用高強鋼，主要考慮到車架、防滾架和懸架橫臂所需要的材料數量較大，選擇太昂貴的材料會大大增加成本，高強鋼不僅價格便宜而且具備較高的強度和剛度，在碰撞性能、制造成本方面對比其他材料也有著明顯優勢。所以在車架、防滾架、懸架橫臂處選用高強度鋼作為制作材料。

（2）鋁合金。底盤框架、輪轂、輪輞、轉向系統部件選擇的材料為鋁合金，鋁合金與傳統鋼材相比，能減重30%～50%，制作工藝也相對成熟，易成形，價格相比于碳纖維也更加適中，在質量減輕的同時又兼顧了成本的控制。并且，鋁合金比強度高、耐腐蝕等優勢也更加適合輪轂、轉向系統的工作環境。

（3）碳纖維。覆蓋件、尾翼、鼻翼等選擇碳纖維進行制作，碳纖維有著密度低、強度高、耐腐蝕等優秀特性，其含碳量超過95%，質量只有鋼的1/4，抗拉強度一般都在3 500 Mpa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為230～430 Gpa，也比鋼強。覆蓋件、尾翼、鼻翼表面積較大，選用碳纖維材料制作，在保證強度和剛度的前提下，能非常有效地減輕重量。

在車架、防滾架、懸架橫臂等處使用4130高強鋼;在上下擺臂吊耳、固定電機吊耳、減震器固定支架處采用510高強鋼;底盤框架、防火墻、輪轂等處使用鋁合金;覆蓋件、尾翼、鼻翼、減震推桿、方向盤等處使用碳纖維。

5? 車輛輕量化的加工制作工藝

完成車輛設計后，下一步就要對車輛進行加工制作。自行加工的部件有：底盤、車架、懸架橫臂、轉向節、固定支座等。

5.1? 底盤的制作

根據設計圖紙的尺寸要求，進行鋁合金方管的切割，對鋁合金進行切割時應將切割機的切割片換成鋁合金專用切割片，在焊接平臺上用氬弧焊機調至交流檔進行焊接，先進行點焊確定管件連接位置，點焊完成后進行滿焊，進而完成制作。

5.2? 車架的制作

根據設計圖紙，運用數控彎管機、坡口機、角磨機，對4130鋼管進行加工。先將與底盤連接的管件固定于底盤，作為焊接基準，根據設計圖紙尺寸要求用二保焊先進行點焊拼接。拼接完成后就要對點焊位置進行滿焊，進而完成車架的焊接。將焊接好的車架進行打磨處理，去除焊接廢渣，打磨鋒利邊緣;為防止車架生銹，對車架進行噴漆處理。

5.3? 其他部件的制作

懸架橫臂的制作材料是4130高強鋼，將切割好的管材，用坡口機進行連接處坡口，為保證角度尺寸，在自制簡易夾具上用二保焊進行焊接。轉向節的制作材料是510高強鋼，根據設計圖紙，先加工出各零件，再用焊接的工藝將各零件進行組裝連接。

5.4? 輕量化的加工制作工藝

關于輕量化的加工制作工藝主要有兩部分，分別是輕量化連接工藝和輕量化制造工藝。本車輛采用的輕量化連接工藝主要有：焊接、膠粘、鉚接;輕量化制造工藝主要有：激光切割，旋壓鑄造（輪輞）、3D打印（方向盤）。經過后期車輛的反復測試，驗證了我們采用的加工工藝制作出的相關零部件不僅滿足整車性能要求，也合理有效地降低了整車質量。

6? 車輛的裝調

在正式進行車輛組裝前，首先完成車輛的三維裝配，根據三維裝配圖初步確定各零部件的具體安裝位置和裝配順序，經討論并結合實際制定裝配工藝規程。裝配工藝規程對裝配工序、裝配方法、工具使用、注意事項都做了詳細的說明，是裝配的指導書，對合理有序的裝配、正確使用工具、規范操作都起到了指導性作用，提高了、的裝配效率和保證了裝配質量。按照裝配工藝規程完成三電系統的安裝、懸架系統的安裝、轉向系統安裝、制動系統的安裝、行駛系統的安裝。裝配完成的輕量化賽車如圖9所示。

車輛裝配完成后，需要進行檢查和調試，將車輛性能調整至最佳狀態。車輛結構檢查主要包括：檢查車輛尺寸參數、檢查螺栓緊固情況、檢查焊縫的密實度。

轉向、懸架系統調試主要包括：方向機的調整、前輪前束的調整、減震器的調整、左右車輪配重調整。行駛、制動系統調試主要包括：胎壓的檢查、制動的排氣、制動空載測試。整車線束的檢查調試主要包括：高壓絕緣檢查、燈光的檢查、急停開關檢查。

7? 道路測試

道路測試主要包括：逃生測試、轉向測試、制動測試、加速測試、動力性和經濟型測試。

在進行逃生測試時，賽車手身穿賽車服、系好安全帶、手臂約束帶、戴上頭盔，雙手緊握方向盤，能在10 s內成功逃離車輛。用錐桶擺出半徑3 m的S彎道，寬3 m直線賽道，并將賽道隔離，賽車手穿上賽車服、系好安全帶、手臂約束帶、戴上頭盔后進行轉向制動測試，測試過程中，車輛能夠順利通過彎道，不觸碰錐桶，直線加速至38 km/h后緊急制動，制動距離2 m。

在進行動力性和經濟性測試時，測試路程為25 km。車輛能夠以較少的時間和較低的耗電量安全穩定的跑完賽程。

8? 結? 論

根據新能源汽車關鍵技術技能大賽輕量化賽項規則，本車隊自選符合競賽技術要求的驅動電機、動力電池、整車控制系統，制作具有輕量化意義的車架、底盤、轉向節等其他零部件部件，通過輕量化結構設計和加工，基于車架設計連接和固定件，安裝各個總成，經過反復驗證，調試最終制造出可以運行的場地賽車。

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作者簡介：金峰（1990.12—），男，漢族，江蘇溧陽人，講師，碩士研究生，研究方向：機械工程、車輛工程;通訊作者：金文忻（1989.8—），女，漢族，江蘇蘇州人，講師，碩士研究生，研究方向：農業機械化、農業裝備智能化控制。