Honda中国节能竞技赛车的整车优化设计

吕晓 孙宁 张永辉 左付山

摘 要：Honda中国节能竞技大赛是一项以提高能源利用效率，创造节约型社会为主题的社会活动。文章针对节能赛车的发动机、行驶系、传动系、转向系及制动系进行了优化设计。希望为初次参加比赛的参赛者提供思路，交流参赛经验。

关键词：节能车；油耗量；优化设计

1 概述

在汽车行业日益发展、竞争愈发激烈，节油与环保已是关乎车企命运的核心问题。Honda环保活动是依据创始人本田宗一郎提出的“如何有效利用有限资源，不破坏公共环境，为子孙后代造福，所有行动要以此为准绳”的最初宗旨开展的。大赛竞技1升油能行驶多少公里，挑战节油极限。大赛要求参赛车辆统一搭载Honda低油耗汽油4冲程发动机，行驶速度要求在25km/h以上，车辆其余部分完全由各参赛车队发挥想象独立创作。通过参加Honda节能竞技大赛，不仅可以提高社会的节能和环保意识，更为重要的是，参赛车队通过各自独创技术不断深挖1升汽油的无限潜能，深刻体会创新技术在节能方面的重要意义。

2 节能车设计

在燃油组的比赛中，参赛车辆要想取得好成绩必须在轻量化、空气阻力和节油等环保技术上有所突破。本文结合实际参赛经验和与其他车队的交流所得，主要从发动机、行驶系、传动系及制动系等方面进行创新设计。图1为节能车内部构造。

2.1 发动机改造

参赛使用的发动机由Honda统一提供。它作为车辆的“心脏”，对提高车辆动力性和燃油经济性起着至关重要的作用，也是我们实现技术突破的一个核心环节。小组综合考虑了减轻车重、减少摩擦阻力、启动便捷、充分进气以提高燃烧效率等因素，最终达到节油的目的。

2.1.1 发动机类型选择

虽然电喷系统可以根据车辆状况，在不同的工况下自动调节喷油量多少，但在实际比赛中车速一般在25～30km/h范围内，不能达到普通摩托车的经济车速，因此我们必须要对摩托车电喷系统的控制参数进行调节。其次，虽然电喷系统可以实时调节喷油量，但是在车辆滑行过程中只要没有关闭点火开关，喷油器始终在喷油。结合比赛场地特点，参赛车辆在比赛过程中有很长一段路程需要滑行，反而增加了油耗量。综合上述问题及实践中对2种类型发动机油耗的对比，在不能够准确调节控制参数的情况下，使用传统化油器式发动机是更好的选择。

2.1.2 进气系统优化

进气系统主要为燃料的燃烧提供适量的空气。在发动机处于大功率运转时，增大进气量使燃料充分燃烧；当发动机处于怠速状态时，减少进气量提高燃油经济性。使用化油器式发动机时可以通过调节化油器上的主量孔，使发动机在一定转速范围内获得最佳空燃比。同时还可以在进气管前加装一个空气滤清器，滤除空气中的灰尘或杂质，使清洁、新鲜的空气进入气缸，提高燃烧效率。

2.1.3 发动机轻量化

很多车队为了减轻整车质量，都对发动机进行了切割。拆掉了多余的档位，只留下一个常用档位，结合车辆的传动比通常是二档或者三档。同时还拆除了发动机脚启动部件、离合器以及多余的机罩，减少机油用量以减轻重量。

2.2 底盘系统设计

2.2.1 行驶系统

（1）车架。车架用来支承全车重量，选用的材料不仅要满足车辆行驶过程中对强度和刚度的要求，质量轻，才能达到节油的目的。所以一般参赛车辆多选用碳纤维或者钛合金材料做车架。采用边梁式平行梯形车架结构，由2根左右分开的纵梁和4根横梁组成，车架材料为变形铝合金管材，并对其CAE进行了分析优化[ 1 ]。另外设计车架时必须充分考虑到整个车辆的布置，如发动机的位置及安置方向、轮距、轴距等。同时还要方便车轮的拆装，以便轮胎发生故障时及时拆卸检修。

（2）车轮。参赛车辆多为前两轮后一轮，后轮为驱动轮。这样的设计使车辆构造简单，易于制作，行驶时稳定性好且阻力小。要想在比赛中取得好成绩，车手不可能一直加油门，而是需要将油门加到一定程度后熄火滑行并且滑行时间要远远大于加速时间，同时还要满足平均车速不得低于25km/h的要求。这就需要车辆在无动力时具有良好的滑行能力，对车轮的选择提出了更高的要求。车轮一般采用山地自行车轮胎，轮毂通常由合金材料制成，多以铝为基本材料，重量轻，在高速转动时的变形小，惯性阻力小，散热能力强，有利于提高汽车的直线行驶性能，减轻轮胎滚动阻力。两前轮均采用20英寸德国马牌防刺光头细外胎、后轮则采用20英寸德国马牌防刺光头宽外胎[ 2 ]。

2.2.2 传动系统

常见传动方式有链传动、带传动以及轴传动3种形式。一方面，为了获得较大的传动比，安装在后轮上的输出齿轮齿数较多。另一方面，轴传动结构复杂，需要较大的安装空间，所以为了尽可能减轻车重，参赛车辆多采用制作材料质量轻的带传动或链传动进行动力传递。文献[3]就采用了传动效率较高、不易打滑、方便制作的链传动。

2.2.3 转向系统

汽车转向系统对车辆的行驶安全至关重要。文献[4]开发了基于MATLAB语言的节能竞技车双梯形转向机构设计与分析软件，具有全局寻优、简明实用的特点。对于前两轮后一轮的车辆，为了车辆轻量化的要求，我们选择采用简单的机械式转向系统，以驾驶员体力作为转向能源。而对于前一轮后两轮的车辆来说，采用自行车前叉式转向机构即可满足比赛要求。

2.2.4 制动系统

传统汽车上的行车制动系统和驻车制动系统虽然制动效能较好，但是结构复杂，体积较大不便安装，所以节能车的制动系统大多仿照自行车刹车系统设计。自行车刹车系统常见的有悬臂刹、钳刹、V刹和碟刹等。碟刹的刹车效果会强大很多，但其安装装配、维护保养时相对复杂、重量大[5]，V刹的刹车效果好于悬臂刹。所以综合整车的轻便性、制动系统安装位置以及赛场路面情况等影响因素，我们选择质量较轻、结构简单、便于装卸的V型刹车和钳式刹车（后轮）。

2.3 车身造型设计

对于车身造型设计，主要考虑因素是减少空气阻力以及减轻车辆重量两个方面。流线型的车身设计可以在行驶过程中减少车身周围空气涡流的产生，降低气流对车身的干扰，减少阻力系数。车辆前端稍微向下倾斜以减少迎面阻力，尾部设计成“鸭尾式”用来克服部分升力。同时，为了减轻重量降低油耗，车身材料的选择也同样重要，比如参赛车辆车身多采用碳纤维或者聚苯乙烯甚至是航空材料。大赛组委会在今年又新增设了最佳人气奖和最佳设计奖两项奖项，以激励参赛选手在车身设计方面有所突破。

3 结语

笔者对节能车的上述创新设计中还有很多可以改进的地方，例如车架可以通过有限元分析进一步优化设计、通过更多试验选取最优传动比等。希望可以对初次参加比赛的参赛者提供思路，与更多的人交流参赛经验，也希望有越来越多的人参与到节能环保的事业中。

[参考文献]

[1]杨冲，连晋毅，张强，等.节能赛车车架的设计及其CAE分析优化[J].太原科技大学学报，2014（3）：203-211.

[2]赵岩.节能经济车的研发与技术研究[D].西安：长安大学，2009.

[3]杨冲.节能赛车的车架轻量化与车身动力学[D].太原：太原科技大学，2011.

[4]梁栋，陈幸波.节能竞技车转向梯形机构设计与分析软件的开发[J].机械制造与设计，2014（6）：8-11.

[5]刘波.载重车辆桥总成制动性能在线检测的研究[D].合肥：合肥工业大学，2007.

Optimization Design of Sports Car for Honda China Econopower Race

Lv Xiao， Sun Ning*， Zhang Yonghui， Zuo Fushan

（College of Vehicle and Traffic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract： Honda China Econopower Race is a social activity in order to improve the efficiency of energy use and its theme is to create a conservation oriented society. This paper mainly aimed at the energy saving car engine， driving， transmission， steering and braking system to optimize the design. Hope to provide ideas for the first time to participate in the competition， and more people to participate in the exchange of experience.

Key words： fuel-efficient cars； fuel consumption； optimization design