本田節能競技電動賽車車架設計及優化

王波隆 張浩浩 王飛

摘 ?要：車架作為汽車的安裝基體，既要承受著自身重力的作用，還要承受來自路面的沖擊力。由于車架受力情況復雜多變，因此需要有較高的強度和剛度來應對不同情況，本文以本田節能競技電動組別賽車為例，介紹了車架輕量化設計及利用ANSYS對節能車車架進行多種工況的分析，并跟據分析結果對設計進行合理的優化。

關鍵詞：輕量化;車架強度;剛度 ;優化

中圖分類號：U462 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1005-2550（2021）03-0143-05

Frame Design and Optimization of Honda Energy Saving Competitive Electric Racing Car

WANG Bo-long1，2， ZHANG Hao-hao 1，2， WANG Fei1

（ 1.School of mechanical engineering， Anyang Institute of Technology;

2.Xuanniao motorcade of Anyang Institute of Technology， Anyang 45500， China ）

Abstract： As the installation base of the car， the frame should bear not only its own gravity， but also the impact from the road. Therefore， the stress situation is complex and changeable， because the frame needs to have higher strength and stiffness to deal with different situations， this paper takes the Honda energy-saving competitive electric racing car as an example， introduces the lightweight design of the frame and uses ANSYS to analyze various working conditions of the energy-saving car frame， and according to the analysis results， carries on the reasonable optimization of the design.

Key Words： Lightweight; Frame Strength; Rigidity; Optimization

王波隆

現就讀于安陽工學院機械工程學院，研究方向為汽車輕量化。

引 ? ?言

隨著汽車產業的快速發展，汽車擁有量在不斷增加，但是傳統燃油汽車在帶給人們方便的同時也不可避免帶來環境污染和巨大能源消耗，因此大力發展新能源汽車，提高汽車的環保性能成為主流，提高汽車環保性能其中一個有效的途徑就是實現汽車的輕量化[1]。在實現輕量化的過程中利用ANSYS對所設計結構進行分析及優化，是現代汽車設計的重要方法，它不僅降低研發成本、縮短周期，而且對實際生產過程具有指導意義。

本田中國節能競技大賽旨在用最少的能源讓汽車行駛最遠的距離，在比賽過程中動力能源由賽事組委會統一提供，底盤、車身和電控系統由車隊自行準備。因此車輛的輕量化和低風阻外形設計一直是各車隊關注的重點。我們在研究輕量化的過程中，以2018年我校參賽車為原型，改進設計流程，優化車架結構。流程改進如下：首先確定設計要求和車架材料，在CATIA中設計出第一代結構，然后根據賽道有1.5km直線賽道和半徑為10m的連續轉彎賽道，確定車輛需要分析的工況，導入ANSYS中進行工況的模擬分析，得出位移、應力值、安全系數，與設計要求對比，優化不足部分，設計出第二代結構，重復分析過程直至滿足設計要求。

1 ? ?車架設計要求

1.1 ? 安全系數

σs是材料的屈服極限，σmax是不同工況下，車架承受載荷之后的最大抗彎結構應力值。當n≥3時說明車架強度符合要求，否則，車架強度不符合要求，會因強度不足而遭到破壞。

1.2 ? 位移

F為載荷，L為車架長度，I為集合慣性，E彈性系數，為保持車輛的操縱穩定性，車架的最大位移需小于1.2mm，即車架具有一定剛度。

1.3 ? 要求經過有限元分析和優化之后車架減重20%。

2 ? ?車架材料

該節能賽車為單人駕駛，具有一定的競技性，要求車架應具有較高強度和剛度。因此本設計選用6061鋁合金方管，該種牌號鋁合金具有容易焊接、不易變形、強度高等優點[2]。車架材料參數如表1：

3 ? ?車架結構

3.1 ? 整體結構

在設計過程中遵循人機工程學[3]，由于水滴型低風阻外殼的要求，需盡量降低外殼高度，減小迎風面積，外殼影響車架設計，因此車架結構需滿足車手平躺式駕駛，車架長度根據車手身高1600mm來確定。

3.2 ? 底盤系統設計

（1）行駛系統：由于外殼采用水滴型設計，車輪布置形式為前二后一，為減小行駛阻力車輪采用14inch光頭輻條式輪胎。

（2）轉向系統：采用下沉式橫拉桿轉向，該種方式轉向優點為，轉向結構簡單易于布置，符合人機工程學且節省駕駛空間。

（3）制動系統：前后碟剎，由于該車在比賽過程中速度較低，采用普通山地自行車手動剎車片可滿足要求。

（4）傳動系統：該車為后輪電機驅動，電機位置與驅動輪在行使過程中會發生左右偏擺，電機輸出扭矩較小，因此采用鏈條式傳動。該傳動方式有可靠性好、運行阻力小、安裝方便等優點。

綜合以上情況，賽車裝配圖和車架結構圖如圖1、圖2所示：

車架長1700mm，寬290mm，高260mm，各部分梁規格如表2：

4 ? ?有限元分析

4.1 ? 分析內容

根據賽道安排需對車輛有三種工況分析[4]：彎曲工況、轉彎工況、制動工況，得出的分析結果為車架各梁的位移及應力值。賽場道路為比賽級，路面情況較好，車輛在行駛過程中產生的路面激勵可以忽略。

4.2 ? 彎曲工況分析

（1）將設計完成的模型導入軟件中，進行網格劃分，網格劃分單位為5mm，劃分結果如圖3所示：

（2）根據裝配位置和約束關系，載荷施加分為均布載荷和集中載荷[5]。車手質量、車殼質量和車架自重、電機電池均以布載荷形式施加，后輪質量和前輪質量以集中載荷形式施加，根據各安裝位置施加于合適節點處。

表3為車輛各零部件質量，圖4為軟件模擬施加載荷情況：

根據模型簡化法則，將前后車輪都看作是與車架梁的剛性約束，約束Z方向上的旋轉自由度，進行車架分析，分析結果如圖5、圖6所示：

梁1、2車手座椅處有較大位移，為3.739mm，位于梁16、21與梁1、2焊接處有最大應力為67.6MPa。

4.3 ? 轉彎工況分析

（1）根據賽規可知賽車平均速度必須達到25km/h以上，賽道轉彎半徑為10m，行駛過程中會受到較大側向載荷。該種工況下的載荷計算公式如式3、4：

（2）在轉彎的過程中梁7、8還會受到通過轉向系統施加的橫向力，通過實驗測得在轉彎時需要對這兩個梁分別施加至少60N的力。綜上所述，以右轉為例，正確施加載荷 ，施加完畢后，分析結果如圖7、圖8所示，車架最大位移為4.266mm，最大應力值為75.3MPa。由分析結果可知在轉彎工況中由于側向載荷的影響車架位移出現較大變化，最大應力值位置與彎曲工況相同。

4.4 ? 制動工況分析

車輛在制動過程中梁，會承受較大的橫向載荷，因此需要分析梁5、7、19、21的橫向穩定性，該賽車采用的是前后碟剎，由實驗測得通過剎車裝置釋放的橫向載荷至少135N，才能將車輛停止。綜上所述，正確施加載荷，施加完載荷后對車架進行分析，結果如圖9、圖10所示，得到最大位移為3.966mm，最大應力值為70.1MPa。

4.5 ? 分析對比

根據不同工況的對比來看，在轉彎工況中車架的位移和應力值相較于其他兩工況會有顯著的增加，出現較大位移的原因由公式三可知，位移與車架長度的三次方成正比，車架采用1700mm 鋁合金管會對造成較大影響，因此下一步的優化方向為縮短梁1、2的長度。從這兩根梁的整體受力情況來看，前端位移和應力值較小，又考慮到實際駕駛過程中車殼可代替前端車架，放置車手的腿部，只需留下轉向桿安裝的長度;另外車手背部電機的安裝空間可以縮小，以縮短地面縱梁的長度。

最大應力位于在后輪安裝梁與車架地面縱梁焊接處，由于單獨為后輪安裝設計六根梁，這六根梁采用焊接豎管的方式與地面縱梁連接，在連接處易出現應力集中現象。因此優化方向為替換豎管，改用直管和斜管進行焊接，一方面可以縮短地面縱梁，另一方面可以避免應力集中。

從三種工況車架整體受力情況來看，前輪安裝梁位移和應力值較小，可將穩定橫梁6，改為三角支撐小管穩定。

綜上所述，車架可以從以下四個方面優化：①縮小電機的安裝空間;②是縮短地面縱梁前端長度，車手腿部支撐由車殼代替;③取消后輪安裝梁，改用焊接直管和斜管;④取消前輪轉向橫梁，改用小管穩定。

5 ? ?車架優化方案

對優化后車架進行三種工況分析，載荷施加方式不變，優化后只展示出變形量最大的工況，優化后的車架轉彎工況分析結果如圖12、圖13：

將優化前后的車架分析數據做成圖表，從表5、圖14、圖15中看出優化后的車架性能的提升，1代表彎曲工況，2代表制動工況，3代表轉彎工況。

由圖表可知，優化結構后的車架最大位移顯著減小，幅度將近70%，并且隨著工況的不同，受力的增加，車架最大位移的變化幅度降低，伴隨著位移的變化最大應力值也在相應的減小。優化后的車架在重量方面減少1.16kg，減重23.2%，車架強度和剛度有顯著的增加。

6 ? ?結語

本文以節能賽車為例，研究車輛的輕量化，在研究過程中采用有限元分析，正確施加載荷和合理的工況分析，還需考慮到實地行駛過程所遇到的問題，根據分析結果設計出車架優化方案，經過優化車架最大位移由4.2mm減小為1.06mm，車架質量由5kg減小為3.85kg，減重23.2%，達到了輕量化的設計要求，為節能車的實際制作提供了指導，對汽車以及一些機械結構的輕量化設計有一定參考意義。

參考文獻：

[1]韓維建.汽車材料及輕量化趨勢.機械工業出版社[M].2017.

[2]趙巖.節能競技車的研發與技術研究[D].西安.長安大學.2009.

[3]黃建兵.人機工程學在工程機械駕駛室布置設計的應用研究[D].長春.吉林大學.2004.

[4]杜燦誼，秦太興，梁宇文等.節能賽車的車架設計與分析[D].廣州技術師范學院.2017.

[5]葉先磊，史亞杰.ANSYS工程分析軟件應用實例[M].清華大學出版社.2003.