Honda中國節(jié)能競技大賽賽車車身總成設(shè)計(jì)

韓杰堯，孫偉偉

（1.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064；2.交通運(yùn)輸部管理干部學(xué)院，河北 三河 101601）

前言

Honda（本田）節(jié)能競技大賽只提供 125cc的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，車架和車身等部件完全由車隊(duì)獨(dú)自創(chuàng)作，賽車在指定的賽道內(nèi)跑完賽程，比賽消耗燃油最少[1]。由于能源緊缺和激烈的市場競爭，又迫使汽車實(shí)現(xiàn)輕量化并節(jié)約資源。

大賽目的是提高社會(huì)節(jié)能意識，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)總成改造、車架和機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、車身空氣動(dòng)力學(xué)等相關(guān)知識，參賽車隊(duì)通過各項(xiàng)技術(shù)挖掘一升汽油的無限潛能。同時(shí)也為參與者提供親手設(shè)計(jì)和制作賽車的機(jī)會(huì)，提高實(shí)踐能力。

1 車身總布置設(shè)計(jì)

1.1 汽車車身形式汽車的總布置形式

采用前兩輪后一輪的布置形式。其優(yōu)點(diǎn)是在較小的行駛阻力條件下，能夠保證行駛穩(wěn)定性，從而提高節(jié)能車的安全性。

1.2 汽車車身形式

承載式車身沒有車架，車身由覆蓋件和結(jié)構(gòu)件兩部分組成。車身作為發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤各總成的安裝基體并承受全部載荷。減輕汽車質(zhì)量以保證燃油經(jīng)濟(jì)性，決定采用承載式車身結(jié)構(gòu)形式。為保證汽車車身的剛度從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮增大車身的剛度。

1.3 汽車室內(nèi)布置形式

GB10000-1988標(biāo)準(zhǔn)定義了我國成年人人體尺寸數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)中，由于賽車的特殊性，將采用身高在170-175cm的人體基本尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用固定座椅并使用繩布結(jié)合方式制作座椅。將人體以近似平躺的姿勢布置在車內(nèi)。

眼橢圓創(chuàng)建時(shí)利用UG中車輛設(shè)計(jì)自動(dòng)化模塊中的眼橢圓。利用UG中的分析模塊對其進(jìn)行角度校核，測量結(jié)果為正前方的視野左右寬度為120度左右，因?yàn)檐嚧霸陧敳渴峭ㄍ傅模砸矟M足后一項(xiàng)要求[2]。

眼橢圓的定位和尺寸（按照固定座椅A類車眼橢圓計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算）計(jì)算得到的結(jié)果為β=32.66，Xr=248，24mm，Yrl=-32.5mm，Yrr=32.5mm，Zr=538.81mm。

頭廓包絡(luò)的創(chuàng)建在UG中是和眼橢圓一起創(chuàng)建的。此處進(jìn)行的是頭廓包絡(luò)面的定位和相關(guān)尺寸的計(jì)算。

①：頭廓包絡(luò)面中心位置

計(jì)算結(jié)果XC=430.78mm，YC=0，Zc=580.81mm，δ=32.66°。

1.4 車身前端布置

1.4.1 轉(zhuǎn)向盤布置

方向盤軸線與地面成25.4度，位于節(jié)能車對稱中心平面。

1.5 車身后部布置

節(jié)能車采用前二后一的支撐形式，考慮往復(fù)活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)反復(fù)做上下運(yùn)動(dòng)的活塞和燃燒過程產(chǎn)生得附加力和扭矩，決定在發(fā)動(dòng)機(jī)支撐的地方添加一定的阻尼材料來衰減由發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。可將燃油箱布置在節(jié)能車車架后部，采用鋼絲將其固定在中間骨架上。

2 節(jié)能車車身骨架設(shè)計(jì)

2.1 車身骨架的結(jié)構(gòu)形式、材料及車身骨架的制作

針對前二后一的車身總布置形式，考慮發(fā)動(dòng)機(jī)支撐和座椅支撐，車身骨架的結(jié)構(gòu)形式為整體式空間網(wǎng)狀骨架形式。決定采用Q235鋼管材，管壁厚度1mm[3]，車身骨架的連接方式為焊接，采用焊接方法為脈沖氬弧焊[4]。為了保證焊接精度，可制作一副木制整體式夾具，此夾具成本低且可保證一定的焊接精度。

3 節(jié)能車車身外表面設(shè)計(jì)

3.1 車身外形的設(shè)計(jì)及三維實(shí)體建模

德國工程師P．Jaray發(fā)現(xiàn)前圓后尖的物體阻力最小，為了最大限度減小空阻以滿足經(jīng)濟(jì)性，決定采用水滴型的汽車造型[5]。

在用 UG中曲面造型模塊進(jìn)行三維建模并進(jìn)行光順處理，基本的建模思路是先進(jìn)行曲線構(gòu)建→進(jìn)行曲線光順處理→運(yùn)用通過曲線網(wǎng)格命令構(gòu)建曲面→修減曲面→對修減后曲面進(jìn)行橋接→縫合片體。

3.2 節(jié)能車車窗設(shè)計(jì)

節(jié)能車車窗的設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 節(jié)能車車窗設(shè)計(jì)

3.3 車身外表面質(zhì)量分析

在構(gòu)建后車身外表面的三維實(shí)體模型后進(jìn)行了車身外表面質(zhì)量分析，主要運(yùn)用UG中反射和曲面率兩個(gè)命令對構(gòu)建的車身外表面質(zhì)量進(jìn)行分析，即曲面質(zhì)量評價(jià)方法中的斑馬線法和曲率顏色圖法，斑馬線分布均勻且無任何斷開說明曲面具有較好的質(zhì)量，基本上達(dá)到 G2連續(xù)（即曲率連續(xù)）；圖2曲率顏色圖中無顏色圖變，表明構(gòu)建的車身外表面模型很好的滿足了曲率連續(xù)的要求，這樣構(gòu)建的車身外表面車身空氣阻力系數(shù)最小[6]。

圖2 曲率圖

3.4 駕駛員視野的校核

由上可知駕駛?cè)嗽O(shè)計(jì)的視野范圍為120度左右，而車窗左右立柱造成的視野盲區(qū)不足30度，滿足賽事規(guī)定的左右寬度90度的要求。

3.5 轉(zhuǎn)向干涉檢查分析

在進(jìn)行完車身總布置和車身外表面的構(gòu)建后需要進(jìn)行轉(zhuǎn)向干涉檢查驗(yàn)證以此來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的車身外表面是否合理，是否滿足轉(zhuǎn)向時(shí)車輪所需要的運(yùn)動(dòng)空間。在UG裝配模塊中即可實(shí)現(xiàn)該檢驗(yàn)。

起初出現(xiàn)高亮顯示碰撞情況，在對轉(zhuǎn)向輪布置進(jìn)行微調(diào)和車身外表面進(jìn)行修改過后再次進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明并未出現(xiàn)干涉，故修改后的車身外表面和車身布置滿足轉(zhuǎn)向輪所需在空間上的要求。

3.6 節(jié)能車車身的制作

節(jié)能車車身采用的材料為輕量化的碳纖維材料。

3.7 節(jié)能車車窗的制作和連接方式

節(jié)能車車窗選用的材料為有機(jī)玻璃，和車身的連接方式采用鉸鏈接，且采用暗鉸鏈，此處車窗打開方式與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)引擎蓋一樣，皆是向上打開，且發(fā)動(dòng)機(jī)引擎蓋與車身外表面覆蓋件的分界處也是不規(guī)則的曲線。

與普通轎車不同，節(jié)能車由于車窗是開在車頂，所以無需考慮開車門時(shí)車門下緣的刮地問題，也就無需設(shè)置車門鉸鏈軸線的內(nèi)傾或者外傾。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)要考慮到它的可加工性，標(biāo)準(zhǔn)件的使用是設(shè)計(jì)中的首選，這樣可以最大限度的減小成本同時(shí)設(shè)計(jì)出的汽車維修性也十分好。軟件的使用貫穿始終，從最開始的總布置到最后的出圖，每一步都離不開UG三維軟件，它可以生動(dòng)的表達(dá)出你的設(shè)計(jì)同時(shí)檢驗(yàn)?zāi)愕脑O(shè)計(jì)是否合理。未來汽車更加注重汽車造型美學(xué)與空氣動(dòng)力學(xué)的結(jié)合，汽車車身結(jié)構(gòu)更加安全、輕量化，汽車企業(yè)勢必將在這些方面加大研究投入。