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Honda节能车整体优化设计
节能车整体优化设计
摘要
随着近年来能源的短缺，全球能源的危机，全球越来越重视对能源的利用和对新能源的开发，绿色环保已深入人们的生活之中，石油储备已越来越受到各国的重视。
本论文以Honda第五届节能车竞技大赛为设计背景，对整车进行设计和优化。
围绕“挑战一升，环保一升”的大赛主题，目的在于开发大家的创新能力，将创新与实践结合起来，通过理论验证，认真研究大赛规则，在满足大赛规则的条件下，降低赛车的整备质量，提高济性，利用ANSYS有限元软件分析车架的受力情况，达到车架最优化设计，运用ADAMSE软件来模拟仿真整车的运动情况，设计最理想的转向机构，采用CATIA曲面建模建立车身的整体模型，以达到最小的风阻系数，合理布置车辆的各个部件，达到赛车的最优化设计，确定最佳的传动比，选择合适的驾驶方案，最终设计出最节油的比赛用车。
关键词：
节能；整备质量；有限元软件分析；模拟仿真；曲面建模
Abstract
Withtheshortageofenergyinrecentyears,globalenergycrisis,increasingglobalemphasisonenergyuseanddevelopmentofnewenergysources,greenhaspenetratedpeople'slives,oilreserveshavebeenmoreandmorenationalattention.
Inthisthesis,thefifthHondaenergysavingcarcompetitivecontestforthedesignofvehicledesignandoptimization.Aroundthe"challengelitersenvironmentallyfriendlyoneliters,"thecontesttheme,aimedatthedevelopmentofalltheinnovation,innovationandpracticecombinethroughtheoreticalvalidation,seriouslystudythecompetitionrules,undertheconditionsmeetthecontestrules,reducethecarthewholepreparedqualityandeconomicnature,theuseoffiniteelementsoftwareofANSYSframetoframetheoptimaldesign,useADAMSEsoftwaretosimulatethemovementofthesimulationvehiclesteeringmechanismdesignthebest,CATIAsurfacemodelingtheestablishmentoftheoverallmodelofthebody,inordertoachievetheminimumdragcoefficient,rationalarrangementofthevariouscomponentsofthevehicletoreachthecartooptimizethedesign,finaldesignofthemostfuel-efficientracecar.
Keywords:
energy;CurbWeight；Analysisoffiniteelementsoftware;Simulation;SurfaceModeling
节能车整体优化设计I
摘要I
AbstractII
目录III
1绪论1
1.1引言1
1.2中国的能源状况1
1.2.1汽车节能的重要意义2
1.2.2汽车节能途径2
1.3选题的背景2
1.4Honda节能竞技大赛的宗旨3
1.4.1节能减排3
1.4.2挑战与创造3
1.4.3人人参与4
1.5论文的主要容及意义4
2节能车整体方案确定6
2.1车轮的配置6
2.2车架的材料及结构方案7
2.3驱动方案8
2.4轮胎的选取10
2.5转向机构方案11
2.6车身材料12
3节能车节能设计13
3.1节能车车架节能设计13
3.1.1车架设计条件13
3.1.2车架的概念设计14
3.1.3基于ANSYS的车架材料选取及强度分析16
3.1.4车架横截面形状优化20
3.1.5车架横截面尺寸优化21
3.1.6车架的模态分析26
3.1.7车架的焊接工艺28
3.1.8本节总结29
3.2节能车发动机的节能改进29
3.2.1大赛规则对发动机的要求29
3.2.2发动机参数介绍29
3.2.3发动机节能的理论29
3.2.4节能技术的开发30
3.2.5进排气管catia建模34
3.2.6燃烧36
3.2.7保温37
3.2.8新技术展望37
3.2.9本节总结38
3.3节能车车身的节能研究制作38
3.3.1车身外形设计38
3.3.2车身外部流场域的选取40
3.3.3车身模型网格的划分41
3.3.4边界条件42
3.3.5结果分析阶段44
3.3.6车身周围流场分析46
3.3.7车身表面压力分析47
3.3.8车身制作47
3.3.9本节小结48
3.4转向系统的设计及运动学仿真48
3.4.1节能竞技车转向机构的设计49
3.4.2节能竞技车转向结构参数的匹配49
3.4.3ADAMS软件介绍53
3.4.4转向机构建模及运动仿真53
3.5节能车动力传动系统的研究55
3.5.1离合器工作状态的确定55
3.5.2带传动传动比的确定56
3.5.3发动机档位选取及改造57
4节能车试制试验58
5结论59
5.1总结59
5.2展望工作59
参考文献61
1绪论
1.1引言
能源是人类活动的物质基础。
在某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。
在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。
能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。
自工业革命以来，能源安全问题就开始出现。
在全球经济高速发展的今天，国际能源安全已上升到了国家的高度，各国都制定了以能源供应安全为核心的能源政策。
在此后的二十多年里，在稳定能源供应的支持下，世界经济规模取得了较大增长。
但是，人类在享受能源带来的经济发展、科技进步等利益的同时，也遇到一系列无法避免的能源安全挑战，能源短缺、资源争夺以及过度使用能源造成的环境污染等问题威胁着人类的生存与发展。
1.2中国的能源状况
中国是当今世界上最大的发展中国家，发展经济，摆脱贫困，是中国政府和中国人民在相当长一段时期的主要任务。
20世纪70年代末以来，中国作为世界上发展最快的发展中国家，经济社会发展取得了举世瞩目的辉煌成就，成功地开辟了中国特色社会主义道路，为世界的发展和繁荣做出了重大贡献。
中国是目前世界上第二位能源生产国和消费国。
能源供应持续增长，为经济社会发展提供了重要的支撑。
能源消费的快速增长，为世界能源市场创造了广阔的发展空间。
中国已经成为世界能源市场不可或缺的重要组成部分，对维护全球能源安全，正在发挥着越来越重要的积极作用。
中国政府正在以科学发展观为指导，加快发展现代能源产业，坚持节约资源和保护环境的基本国策，把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，努力增强可持续发展能力，建设创新型国家，继续为世界经济发展和繁荣做出更大贡献。
1.2.1汽车节能的重要意义
二氧化碳排放量的25%来自于汽车排放，因此，汽车节能减排对整个社会的节能减排有重要的意义。
国资委所管的汽车企业和能源企业，在节能减排上承担了重要的企业责任和社会责任，包括我们对国际社会的承诺。
不仅仅是生产汽车，还包括怎么样长期满足社会对清洁汽油、柴油的供应，这是节能减排的重要任务。
今后20年到30年主要还是传统汽车，所以依靠技术进步把发动机水平提高上去意义非常重大。
另外一方面就是我们要提供更多的清洁能源。
我们不时会发现柴油加油排队现象。
应该说我们国家从设备能力上可以满足现在的国市场，包括汽车用油的市场。
短期出现的柴油紧有临时性因素。
应该说这方面是临时性的，另外一个问题是价格问题，要发挥市场机制的激励作用。
1.2.2汽车节能途径
1）轻量化
中国目前车型结构偏大、偏重的趋势十分明显，如果不加以控制，必然导致燃油消耗量的快速提高。
因此推动汽车小型化、轻量化对于实现节能减排的目标有重要的意义。
随着我国汽车工业的发展，车重的问题越来越凸显，轻量化的意义在全行业来讲是一个永恒的主题。
刚才也讲到，轻量化的问题很复杂，涉及到设计、材料、制造方方面面。
2）高效化
运用一些新的技术降低燃油消耗量，将能量最大化利用，例如：
废弃再循环、柴油机的高压共轨、增压中冷技术、微粒过滤器、采用代用燃料。
1.3选题的背景
Honda（本田）中国节能竞技大赛，一项能够让所有参赛者挑战并放飞梦想的舞台。
所有参赛的车辆在规定的时间、规定的路程下完成比赛，最终换算出一升油的距离。
挑战一升，环保一升，Honda在中国不遗余力地创造并服务低碳社会，保护有限的地球资源。
Honda节能竞技大赛，作为一个拥有广泛参与者的活动，进入中国已是第五个年头了，影响力与日俱增。
大赛号召大家使用Honda低油耗摩托车的4冲程发动机，动手设计制作节能赛车，在整个过程中表达各自的环保理念，我们也在此号召大家尽享创造与交流的乐趣，践行“低油耗，少排放”的环保行动，并呼吁更多的人参与到这项活动中来。
2011年11月13日，111辆代表着对绿色环保梦想不断追求的节能竞技车云集国际赛车场，共同参加“2011年第五届Honda中国节能竞技大赛”决赛，以实际行动向人们展示了Honda“挑战一升环保一生”的理念，最终同济大学的志远车队以每升油行驶1762.932公里的成绩再次刷新比赛的最高纪录，蝉联大学专科冠军，汽车工业学院“疾风”车队连续第二年参加，并取得了大学组骄人的成绩，该论文在此基础上对节能车的整体方案进行设计。
1.4Honda节能竞技大赛的宗旨
1.4.1节能减排
节能大赛是一项以注重能源，创造节约型社会为主体的活动，希望所有参赛者能够共享这种对地球环境保护的挑战精神。
现在的中国正面临着经济的快速发展，在工业化进程不断推进的同时，能源问题、环境问题变成我们迫切需要解决的课题。
自1958年起，拥有超前环保意识的Honda就开始思索起了环保课题，着手并开发了更节能更环保的发动机产品。
1981年，Honda在日本举行了首届节能竞技大赛，至今已有30届的历史。
在大赛中，选手们最大程度地有效利用能源，开拓思路，为创造全新的节能低碳生活，争相展示他们的智慧与信念。
1.4.2挑战与创造
超越家人、朋友、年龄、辈份和地域带来的各种限制，Honda希望有更多的人们来参加比赛，在竞技中互相交流，尽情享受创意与惊奇的乐趣。
面对环保的挑战，Honda不断自我超越，从50年前，Honda研发出轻便、节能的Supercub引擎开始，从不间歇、挑战极限，在上世纪八十年代，成功地将1升汽油的行驶距离从105公里提升至180公里。
而节能竞技大赛于2001年更是创造了3435公里/升的记录，这是用崭新的创意和新技术所积累的成果，是不断挑战的结果。
节能竞技大赛正是提供给大家一个共同来实现梦想和挑战的舞台。
1.4.3人人参与
简单的竞技规则，为每个人提供了一个参赛的机会。
通过体验比赛过程，培养人们丰富的创意和动手能力，体验学习和创造带来的乐趣。
如何保护我们赖以生存的地球，是目前急需解决的问题，需要社会每一成员贡献力量，而这恰好契合了节能竞技大赛创始人本田宗一郎先生的初衷，让每一个普通人都能参与到环保事业中。
在日本，超越职业、地域、年龄各种限制，每年都有来自学校、企业以及来自社会上共约500多支代表队参赛。
在提高节能环保意识的同时，更能培养动手能力与团队协作精神。
1.5论文的主要容及意义
1980年代的世界性课题之一就是“节能”，本田技研钻研此课题的成果之一，就是推出了油耗仅为160km/L的新经济性车型spuercub，并为纪念这一车型的推出而举办了这项大赛。
第1届大赛在铃鹿赛道上举行，比赛分为第Ⅰ组和第Ⅱ组两类。
第Ⅰ组的参赛车辆为搭载了本田50cc4冲程引擎的市售二轮车，参赛选手为16岁以上有驾驶执照者，是使用一定量的燃料比赛行驶多长距离的竞技。
另外，第Ⅱ组的参赛车辆为搭载1台50cc4冲程发动机的原创车型，参赛选手为18岁以上有驾驶执照者，是在规定的路程中以平均25km/h以上时速行驶后比较油耗的竞技。
随着大赛举办次数的增多，油耗竞技的运动性和靠自己的智慧、技术制作车辆并不断改良的魅力使之越推越广，凭参赛者自己的双手扩大了影响，使大赛不断成长至今。
“挑战一升，环保一生”是大赛永恒的主题，本论文以第五届Honda节能竞技大赛为背景，通过理论分析与试验数据结合的方法，对节能车整体进行优化设计。
为节能车以后的发展改进提供依据，主要工作如下：
（1）节能车整体方案的确定。
通过参赛经历以及同兄弟院校的交流，确定节能车车架、发动机、车身三大部分的方案。
（2）对节能车主要部件运用catia软件进行建模，设计合理的匹配参数。
（3）基于Ansys对车架进行有限元分析，确定车架的刚度、强度。
（4）对节能车转向系统进行设计，并运用ADAMS软件对转向系统进行运动仿真，确定合理性。
（5）按照确定方案对节能车进行实际制作。
（6）通过实际试车确定合理的传动比及驾驶方案。
2节能车整体方案确定
2.1车轮的配置
车轮的配置包括布置形式和轮数的选择，并且要能够满足加工操作的方便性以及车辆行驶的稳定性。
根据大赛规则的要求，参赛车辆必须为三轮以上（包括三轮），且能够自行站立，以此车轮可以分为多种布置形式。
1）前一轮后两轮布置
此种布置形式跟日常生活中的三轮车自行车相似，故加工时可以根据三轮车自行车的形式加工。
该种方式的优点是转向部分加工简单，但其行驶时的稳定性较差，特别是转向的稳定性，且后面传动要安装差数装置。
2）前一轮后轮两侧加以辅助轮
该方式与小孩骑得那种自行车类似，但行驶时容易出现辅助轮离地的情况，不符合大赛规则。
3）前两轮后两轮
这种布置形式与日常的轿车相似，其优点是有好的稳定性，但增加轮数则增加了与地面的接触面积，滚动阻力增加，且提高了加工的复杂度，在倡导节能环保的大赛背景下，俨然这种方式不符合要求。
4）前两轮后一轮
这种方式是大多数参赛队伍采用的布置方式，将前面的两个车轮用于转向则提高了转向的稳定性，从而保证了安全性，后轮单轮传动去除了差数装置，加工容易实现，故是一种比较好的方式。
图2.1车轮配置图
综合以上方案，前两轮后一轮的车轮配置方案确保了车辆高速运行时转向的稳定性，相比四轮有低的滚动阻力。
2012年我校“疾风”车队决定采用此种车轮配置。
2.2车架的材料及结构方案
节能车大赛的规则中对车架有明确的要求，参赛车辆必须为三轮以上（包括三轮），要求其结构无论在停止时还是在行驶时都为三轮以上（包括三轮）结构且能自行站立，车手的身体不能超出车架等等。
因此在车架的设计制造上的要求只涉及到安全方面，可以放手去做，在车架的制造阶段最终要的是结构力学，用最少的材料制造出符合要求的车架，长、宽、高必须在规定的尺寸尽量满足，还要对车手的安全性有保障。
为了满足车架轻量化的要求，首先是材料选择其次是结构设计。
为了降低重量同时保证车架刚度和强度，结构要尽量简化。
根据车轮的布置方式车架主要有以下几种结构。
1）不锈钢梯形车架
2）铝合金梯形车架
3）钢管梯形车架
4）铝制无骨架承载式车架
5）铝制承载式车架
6）高级材料车架
综合以上方案，最终采用铝合金梯形车架，其优点主要有以下几个方面：
1）铝合金质量较轻，采用铝合金车架可以减少整车的装备质量，从而达到节油的目的。
2）强度好，不易变形，加工方便，可以通过焊接或铆接来实现。
3）铝合金价格便宜，虽然在强度重量方面与碳纤维材料有一定的区别，节能车不只是达到最小的油耗，还要考虑制作的成本，在成本的控制下选择2mm厚的6061铝合金。
车架造型方案如图2.2所示。
图2.2catia车架图
2.3驱动方案
节能大赛使用的是五羊本田提供的125ml单缸四冲程汽油机。
该机最大功率6.6kw，最低燃油消耗率367g/千瓦时。
压缩比9.0：
1，采用电启动、化油器供油、两气门、链条正时，润滑方式为曲轴飞溅式。
传动方式主要有以下几种：
1）轴传动
轴传动是利用发动机输出轴直接连接后轮轴，该方式传动效率高，但使整车的重心偏离了车体中心线，降低了稳定性。
2）链传动
链传动与摩托车本身的传动方式相同，效率比较高，但节能大赛对发动机不要求输出那么大的扭矩，且为了减少发动机的重量对其进行了切除，改变了原有的机械式离合器，故启动时链传动冲击力比较大，对后轴传动部件有很大的冲击力。
防止脱链要保重很高的啮合度。
增加了加工难度。
3）同步带传动
相比而言，同步带可以缓和冲击，吸收震动，且传动效率也比较高。
图2.3传动方案图
综合以上传动方式:
同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。
同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮之间无相对滑动，能保证准确的传动比。
同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体，这种带薄而且轻，故可用于较高速度。
传动时的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98%。
传动噪声比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。
鉴于上述同步带优点，我校“疾风”车队决定采用同步带传动。
2.4轮胎的选取
车轮与轮胎是承受负荷的旋转组件，轮胎抓着力与滚动阻力是一对相矛盾的，轮胎抓着力好，滚动阻力则变大。
轮胎抓着力差，滚动阻力则小。
滚动阻力小，则油耗低。
在以滑行为主的节能竞技大赛中轮胎的选取尤为重要。
轮胎在行驶过程中与地面接触，在地面不变的条件下，轮胎的选取决定了摩擦系数和接触面的大小。
而滚动阻力对于节能车成绩的优劣有重大的影响。
1）滚动阻力的大小与轮胎选取的关系。
2）轮胎气压与滚动阻力的关系。
图2.4轮胎滚动阻力系数
图2.5胎压因素
由图2.4可以看出，新轮胎在相同的行驶速度下对路面的阻力系数最大，将花纹磨去的轮胎阻力系数最小，考虑以上影响轮胎滚动阻力的因素，在保证一定驱动力的前提下，后轮选取1.75的米其林光头宽胎，前轮选取1.25的窄胎。
2.5转向机构方案
参赛车辆构造比较简单，有以下两种转向形式可供选择。
1）中央支撑式
此种方式为最初的设计，结构简单，可以将转向把手做的相对低一点，但这种方式难以确保前面两个轮的平行，在小的的转弯半径下车轮要转取很大的角度，易于车架、车身发生干涉。
2）阿卡曼式梯形机构
此种结构相比较复杂，但转向轮利用一根横拉杆相连容易调节，在大幅度转弯的情况下，左右轮也不会发生大的前后移动。
图2.6梯形转向图2.7中央支撑式
考虑到转向的方便性以及驾驶员在小半径弯道下有足够的驾驶空间，2012我校疾风车队仍旧采用梯形转向方式。
2.6车身材料
纵观往届大赛，在倡导节能环保的大前提下，车身可谓形式各样，有竹子车身、布车身、纸质车身、玻璃钢材料车身、碳纤维车身、铝制车身等，如图2..8。
图2.8车身材料图
考虑到车身材料对于空气阻力的影响，碳纤维材料在强度制作工艺上相对于玻璃钢的优势，为了将风阻系数最低化，2012我校“疾风”车队经过探讨决定采用车轮全包的碳纤维车身结构。
3节能车节能设计
本章节主要从节能车车架节能设计、发动机的节能改进、车身的设计制作、转向系统的设计及运动学仿真、动力传动系统的研究以及节能车的试制与试验分析等方面来对节能车进行整体节能设计。
3.1节能车车架节能设计
首先从结构上讲，到三轮结构省却了后轮悬挂系统，节省了连杆，减震器，后车架等等的结构质量，减轻了车重，再者四轮结构外加车体为中置后驱，对于动力传输而言，省略了差速器，传动半轴等部件的质量和对动力的损耗，外加节能赛车对于动力，操控无太多要求，大都采用自行车的多速后拨式变速器，从而最大限度的降低传动系统对于动了的损耗。
当然，三个轮子的，在轮胎规格一致的情况下，滚动阻力一定比四轮的要小。
从空气动力学上看，四轮结构所造就的投影展舷比是典型的高阻力翼型，远不如三轮结构造就的水滴形来的合理。
3.1.1车架设计条件
1）大赛对车架设计规则
参赛车辆必须为3轮以上（包括3轮），要求其结构无论在停止还是行驶时都为3轮以上（包括3轮）结构且能自行站立。
a）全高………………………………………………1.8m以下
b）轴距………………………………………………1.0m以下
c）全长………………………………………………3.5m以下
d）轮距………………………………………………0.5m以下
e）全宽………………………………………………2.5m以下
f）排气管不能超出车身后面以及侧面10cm以上。
g）刹车装配线等结构需要从车穿过，以免与地面接触造成摩擦
2）关于安全性
为提高安全性，车架必须具有一定的强度，能够将车辆其他部件牢固的安装在合理的位置。
为了降低节能车的整备质量，车架在保证强度、刚度的前提下要尽量轻量化。
考虑到比赛路面平整度很好，运行速度平稳，从而省去了悬架部分。
根据各部分尺寸要求，得出节能车整车参数基本如表3.1。
表3.1节能车整车参数
项目
参数
总长
2200mm
总宽
610mm
总高
600mm
轴距
1300mm
前轮距
700mm
最小离地间隙
60mm
整备质量
35kg
根据参赛车辆布局，将车架分为三大主要部分：
驾驶舱、发动机舱、传动舱。
依据车手驾驶空间、改造后发动机基本尺寸、传动系尺寸得出车架的基本参数如表3.2所示。
表3.2车架三舱尺寸
项目
长mm
宽mm
前高mm
后高mm
驾驶舱
1035
400
230
320
发动机舱
300
310
370
350
传动舱
570
250
350
335
3.1.2车架的概念设计
在车架整体结构设计之初，首先要进行的是概念设计。
之前对车架已经有了一个空间的布局。
接下来就是一个整体的把握，特别是对整体的一个造型设计，此时可以是简单的手绘或者草图，勾勒出车架的概念图。
图3.1概念图
车架的单元，即车架的横截面形状，这个形状影响到车架的刚度，强度等要求，同时也对车架的总质量有着很大的影响，直接制约着车架的轻量化要求。
其中单元
升级会员 