HONDA 中国节能竞技大赛电动组别参赛赛车设计分析

周洋，伍莹召，王飞

（1.安阳工学院机械工程学院；2.安阳工学院玄鸟车队，河南 安阳 455000）

Honda 中国节能竞技大赛EV 组（电动组别）比赛是使用大赛指定电池的原创车辆参赛，通过动手制作车辆，挑战节能极限的竞技赛事。比赛给定的电池为12V2AH 的18650电池2 块。在时速不低于25km/h 的前提下，行驶距离最远者即为节能竞技比赛的最终获胜方。电动组别节能赛车设计于普通电动汽车有差别但是整体结构大体相同,赛车由外壳、车架、电动机三大部分组成。由于电池是赛事组委会统一提供，电机均为购买。因此，轻量化设计和低风阻外形成为各比赛车队关注的焦点，也是未来节能减排技术的发展方向。汽车节能减排的一个重要方向是降低汽车质量。外壳的重点在于造型美观、流线水滴型设计和合适的空气阻力系数。

本田节能竞技大赛迎合了目前世界节能减排的大环境，该项比赛的举办有利于提高人们的环保意识，同时无限激发了对汽车节能减排技术的探索。参加比赛的各个车队都是全国各大高校的佼佼者，也是着未来汽车行业最主要的人才，通过这项比赛，提高了参赛者的实践动手和理论与实际结合的能力，为未来汽车的发展带来了无限的遐想。

1 总体布置形式

在充分考虑了赛车制作的简易性、行驶稳定性、以及最大限度减低行驶阻力的基础上对节能竞技赛车的总体布置形式进行设计。本田节能竞技大赛的参赛规要求：参赛车辆必须为3 轮以上（包括3 轮），车辆能够自主站立。根据参赛规则再结合节能环保的主题，同时，还需要保证所设计的赛车既有良好的操纵稳定性又有绝对的驾驶安全性。所设计的赛车采用前两轮后一轮的总体布置方式。

2 转向系统设计

节能赛车转向系统采用的是阿卡曼式的转向系统，节能赛车的转向系统在很大方面影响着比赛结果，赛车在赛道上行驶时，若前轮转向的转向偏转角相等，则会导致后车轮与前车轮的瞬时转动中心不同，这种情况下车辆会出现侧滑现象，导致轮胎磨损严重，反作用与汽车致使行驶阻力过大，不利于节省动力以及电能。所以，需要计算选择出最优的梯形转向结构参数。达到最理想的内、外转向车轮转角关系。从而最大限度的减小阻力。

采用倒三角结构的节能赛车转向梯形臂长m 以及底角计算。根据设计的节能赛车的车架和传动系统，测得节能赛车的轴距为1660mm,两侧主销轴线与地面相交点之间的距离为520mm，阿卡曼式转向原理为：，如图1 所示。

图1

通过几何解法可以得到转向梯形角位移方程：

3 车架设计

在结构上采用倒三角的布置方式，节省了很多质量和复杂的结构设计。例如，后轮后悬挂系统、后轮减震器、后轮后车架等，最大程度减轻节能赛车的质量，为提高安全性，车架必须具有一定的强度，能够使其他部件可以牢固的安装。

出于节能的角度考虑，需要最大化地减小赛车的整备质量，要减少车架的质量，还要满足刚度、强度要求。由于比赛场地为已定（广东国际赛车场）该场地路面平整，比赛内容不涉及复杂路面，所以可以省去先后车轮悬架的设计，根据设计数据，节能赛车参数如表1。

表1 节能赛车整车参数

车架部分的设计重点减少车架的重量，同时要考虑满足基本的刚度强度要求。先用CATIA 对车架进行建模设计，然后进行有限元分析，如图2。

图2

根据节能车参赛条件的单一性和理想状况，切参赛时路面状况良好，在分析刚度时就省去了很多麻烦，可以忽略车辆动载工况，而仅需要对静载工况进行分析即可。赛车的静载有两部分组成：赛车自身重量以及驾驶员重量（图3）。

图3

为节省重量同时又保证车架的强度，选择制作车架的材料为铝合金，铝合金的密度小，仅为2.7(属轻金属)，约为钢的1/3。由于铝的表面易氧化形成致密而稳定的氧化膜，所以耐蚀性好。铝有较好的铸造性，由于铝的融化温度低，流动性好，易于制造各种复杂形状的零件。车架不同部分的连接采用的方式为焊接，焊接方法为氩弧焊。

4 节能赛车车身设计

为了最大限度地减小空气阻力，车身设计决定采用水滴型汽车造型设计。首先采用CATIA 的曲面造型对车身进行三维建模构建三维模型。如图4。

在三维建模完成后，需要运用CATIA 的光顺度处理功能对车身，使得车身满足光顺度要求，不存在不平滑的部位。

在设计完成后，还需要驾驶员的视野范围进行校核，Honda 节能竞技大赛规定所有车辆正前方的视野左右宽度至少90°，由设计数据可知，驾驶人的左右视野设计范围为110°，满足设计要求。

在完成视野校核后，还需要进行车身和车架总成的总装配，在CATIA 中完成模拟装配，已检查车壳和车身是否存在运动干涉，检验车身外壳设计是否满足需求，还需要模拟在转向时车身外壳是否会干涉车轮需要的运动空间。第一次模拟时出现了干涉的情况，在对车身外壳进行调整后再次进行模拟分析，分析结果表明不存在干涉，设计达到了要求，如图5。

图4

图5

车身外壳采用材料为碳纤维，碳纤维是一种新型材料，其含碳量高达95%以上，具有高强度、高模量的优点。碳纤维还具有外柔内刚的特性，其质量远远小于金属铝但强度可以高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性。由于碳纤维增强聚合物基复合材料有足够的强度和刚度，是制造汽车车身和底盘等主要结构件的最轻材料。预计碳纤维复合材料的应用可使汽车车身和底盘减轻质量40%～60%，制作外壳先用白泡沫做一个模型然后用固化剂固定模型，然后铺设碳纤维，碳纤维采用树脂进行固定的粘合，黏合好以后再进行打磨喷漆，最终成型。

5 结语

设计的第一考虑要素就是设计的可加工性，在设计的过程中，三维软件的应用始终贯穿始终，从最开始的设计到最后的仿真模。拟每一步都离不开CATIA 的帮助，有了三维软件可以让很多问题在未制作实物之前在三维软件上就得到了解决。当今社会，节能环保已经成为社会发展的主题，新能源汽车和汽车轻量化发展已成为必然趋势。节能竞技大赛的宗旨在于“节能竞技大赛的宗旨在于，让肩负着人类未来的年轻人通过思考和实践来体会如何更有效地利用资源,如何把我们生存的这个星球更完好地传递给下一代”。