基于新能源汽車技能大賽探索輕量化賽車制作的關鍵技術

蘭州石化職業技術大學 王 雄，韓 振

1 研究背景

車輛“輕量化”最開始是在賽車運動中提出的，車輛質量輕了，可以獲得更好的操控性和加速性能。隨著“節能環保”意識的增強，“輕量化”技術被廣泛應用到普通汽車領域，在提高操控性的同時汽車還能有出色的節油表現。汽車輕量化是在保證汽車整車強度和安全性能的前提下，盡可能降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗并降低排放。因此，國家從2019年開始舉辦汽車輕量化大賽，為全國高校提供了學習交流平臺，充分體現了以賽促教、以賽促學、以賽促改，賽課融通、賽訓結合的理念，旨在通過大賽培養高素質綜合性技能人才，實施技能強國戰略。

2 輕量化賽車制作技術對比分析

新能源汽車技能大賽是推進實施制造強國戰略的重要舉措。該賽項特別要求的是原創性，鼓勵參賽選手自己設計、加工和裝調，制作出結構合理、性能優良、節能環保、安全可靠的比賽車輛。2020年我校首次參賽，通過對比各院校的參賽車輛，在45支參賽隊伍中，我校參賽車輛質量排名前五。筆者認為競賽車輛的質量關鍵取決于車輛的設計和材料的選擇。

（1）材料選擇。根據規則要求車架采用下鋁、上鋼、復合材料覆蓋的總體結構設計，鋁制地板框架；其他參賽隊采用了6063無縫鋁合金25 mm×25 mm×2 mm方管，而我校采用了6061無縫鋁合金25 mm×25 mm×2 mm方管，6061鋁管的焊接性能好，重量輕。車架材料要求必須用外徑至少25 mm、壁厚至少1.6 mm的管件制作，其他參賽隊則采用了25 mm×1.8 mm的鋼管，符合規則但是質量重；筆者通過受力分析測試外徑25 mm、厚1.6 mm的4130管件即可通過車檢也能滿足強度要求，所以我校采用了25 mm×1.6 mm的4130鋼管制作車架，質量輕、焊接性能好、強度高。

競賽規則要求車身面板的厚度不得小于1.0 mm，底板厚度不得小于2.0 mm；材料可以使用鋁合金板、鋼板、碳纖維板，80%的參賽隊使用了鋁合金板，鋁合金板價格低、制作方便、便于修改；而我校選用了碳纖維板覆蓋件，碳纖維板質量輕、柔韌性好、強度高，有較高的韌性。

（2）車架設計。競賽規則要求車架的防滾架最高點距離車輛座椅下方，底板上平面的垂直距離不得小于950 mm；我校車輛是以駕駛人的身高為準，高度為952 mm；而其他參賽隊做的余量較大，導致質量增加。駕駛人位置左右護欄中心線的最大寬度不得小于1 000 mm；我校車輛的實際尺寸為1 010 mm，由于其他車輛的駕駛人身材略胖所以要求增加尺寸，從而增加了車重；車輛橫向梁管件之間的垂直距離不得小于100 mm，由于我校駕駛人身材瘦小剛好滿足要求，其他參賽隊都遠遠大于此要求，又導致了賽車質量增加；車手以正常駕駛的姿勢坐在座艙內，車手的肩部、軀干、臀部、大腿、膝蓋、手臂、手肘與防滾架管件中心構成的內側平面之間的距離不能小于100 mm；所有安全尺寸都與駕駛人有關，我校以最小的安全尺寸設計了能通過車檢的競賽車輛，減輕了整車重量，實現了輕量化的目的，我校賽車外觀如圖1所示。

圖1 車架設計

（3）我校輕量化賽車設計亮點。賽車設計之初，筆者與同事進行了深入思考和討論，大量采用新型高強度輕型材料很容易實現賽車輕量化的目的，但是材料成本和特殊的加工工藝會使車輛從研發到生產的全過程中成本大幅度增加，綜合能耗也成倍增加。因此，車輛輕量化需要綜合考慮材料、加工工藝、安全、成本控制等各方面因素，做到合理輕量化。我校競賽車輛以中汽恒泰教育科技有限公司搭建的平臺為基礎，根據競賽規程及車手體格進行開發設計，運用三維軟件進行結構、工藝優化和仿真測試，測試結果完全滿足各項要求，保證整車安全使用。整車采用上鋼下鋁結構、高強度輕質合金材料、高強度復合材料和新型型材純手工打造而成，最大化地減輕了整車重量。整車車身采用薄壁高強度輕型合金鋼管加工而成，強度高重量輕，抗變形、抗沖擊能力強；底盤采用高強度鋁合金型材制作而成，抗腐蝕抗沖擊；車身覆蓋件采用碳纖維板裁剪制作，質量輕風阻小、免涂裝；座椅等附件采用工程塑料等輕質高強度部件。整車根據不同部件和受力情況合理布局用材，達到“材盡其用”的效果，滿足了整車材料、工藝、安全等各項要求，最終實現了最優性價比。

3 我校輕量化賽車加工工藝

（1）車身及底盤管材采用鎢極氬弧焊焊接工藝，在保證焊接強度的情況下盡量利用材料本身進行連接，減少焊材用量。

（2）合理減材。對輪轂、立柱、支架、吊耳、方向機、轉向節、座椅、支架等部件根據受力分析，采用車、銑、鉆、切、磨等工藝對部件冗余部分及邊角處進行加工，實現合理減小車身質量。

（3）傳動系統齒輪組優化加工。對車輛減速箱齒輪組通過車和鉆的加工工藝對齒輪進行了減重處理，車輛在每一次起步和加速的過程中，整個傳動系統的慣性阻力減少，提高了傳動系統的響應性，實現節能減排的目的。

（4）車輛組裝也是考驗整車各系統配合精度的重要環節。筆者嚴格按照仿真模擬操作步驟，使用專用工具規范有序操作。組裝順序為：鋁制底盤→車架→前后懸架→車輪→轉向系→減速箱→傳動軸→電機→電池→控制器→制動總泵→加速油門踏板→座椅→鼻翼及尾翼。

我校設計的賽車如圖2所示，整體結構合理，外形美觀大方；車身部分采用絎架結構、籠式結構、利用三角支撐的方式強化車身強度；前懸架采用雙橫臂獨立懸架結構，結構緊湊，滿足車輛操控性要求；后懸架由獨特的上叉臂和簡化的下擺臂構成，結構簡便，又能承受復雜的空間應力變化；車輛轉向盤采用快拆結構和獨特的可收縮方向管柱結構，能最大程度地保護駕駛人的人身安全；車輛采用前部扭力桿式防傾桿，可有效緩解車輛在高速轉向時的側傾現象，后部加裝瓦特連桿式防傾裝置，這種結構是為了使左右兩側車輪一直與地面保持最佳接觸，產生最大抓地力，大大提高了車身的穩定性和動力性，在提高賽車舒適性的同時加強車輛的循跡性；車輛避震采用FOX倒置式空氣彈簧避震器，其有效行程達到167 mm，車輛舒適性有很大提升，倒置式避震器有利于降低簧下質量，懸掛反應更靈敏，有利于車輛操控，而且倒置式避震器比傳統的正置式剛性更強，重量卻低于正置式，本車搭載的單個避震器質量為1 800 g。

圖2 賽車整體結構

4 結語

我校制作的新能源輕量化賽車通過輕量化技術方案設計與展示、車輛裝配與調試、車輛綜合性能測試三個項目的比拼，最終榮獲第二屆全國新能源汽車關鍵技術技能大賽汽車裝調工（新能源汽車輕量化技術）（教師組）一等獎，筆者被授予“全國技術能手”榮譽稱號。此次比賽真正體現了以賽促學、以賽促教的職教觀，實現了理論與實踐相結合的目的。