節能賽車車架輕量化設計*

劉章棋，付龍虎，汪異

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節能賽車車架輕量化設計*

劉章棋，付龍虎，汪異

（瀘州職業技術學 院機械工程學院，四川 瀘州 646000）

根據本田Honda中國節能競技大賽規則，文章主要從材料、車輪布置型式、車架設計等方面，對賽車車架進行輕量化設計，以實現節能環保的目標。

車架；節能；環保

前言

大量的燃油汽車，帶來了燃油緊缺和大氣環境污染問題。加快培育和發展節能環保汽車，是我國汽車工業可持續發展的必然選擇。Honda本田中國技研部于2006年開始每年在中國舉辦本田Honda節能競技大賽。根據能源不同，大賽分為燃油組比賽和電動組（EV）比賽。燃油組比賽由Honda本田公司提供一臺汽油摩托車發動機，各車隊自行設計車架、車身、電器等。在規定時間內，賽車跑完比賽賽程，計算比較各參賽隊燃油節能車消耗的燃油量。電動組比賽是由Honda本田公司提供電壓12V容量為3A.h的兩塊新電池，各車隊自行設計一輛電動節能車，平均速度必須在25Km/h以上，比較各車隊電動節能車行駛的賽道里程。

1 車架設計要求

節能賽車與普通轎車的結構布局相似，由動力系統、底盤、車身、電器四大部分組成。為了實現省油或省電，節能賽車需減少整車重量、優化車身氣動布局、選好車輪布置型式等。車架是節能賽車的骨架，大約為節能賽車重量的一半。優化車架設計，可以減少節能賽車整體重量。車架要承受整車和車手的重量，所以車架應有足夠的強度和剛度，具備承受各種沖擊載荷的能力。車架設計一要結構合理，強度剛度大，變形量小。車架如果變形嚴重，影響車輪的行駛軌跡，車輪之間會相互干擾，能量消耗相當大，整個節能賽車行駛穩定性差。二要質量盡量輕。質量越輕車輪變形量越小，滾動阻力小，節能車能耗就越小。三要滿足賽事對車輛的被動安全性要求，具有一定的抗碰撞能力。

2 車架材料選擇

節能車架材料選擇應滿足應用廣泛，價格低、密度小、質量輕、強度高、焊接性等基本要求。鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性。一些鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機械性能、物理性能和抗腐蝕性能。鋁合金的焊接性能較碳鋼差。45#中碳調質結構鋼。具有較高的強度和較好的切削加工性，經適當的熱處理以后可獲得一定的韌性、塑性和耐磨性，材料來源方便。適合于二氧化碳保護焊和氬弧焊，不太適合于氣焊。45#鋼應用廣泛，價格低，焊接性能好，機械加工性能優異。304不銹鋼是應用最為廣泛的一種鉻-鎳不銹鋼 ，作為一種用途廣泛的鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性，低溫強度和機械特性；沖壓、彎曲等熱加工性/可焊性好，無熱處理硬化現象。碳纖維（carbon fiber，簡稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。質量比金屬鋁輕，但強度卻高于鋼鐵，并且具有耐腐蝕、高模量的特性。碳纖維作為汽車材料，最大的優點是質量輕、強度大，重量僅相當于鋼材的20%到30%，硬度卻是鋼材的10倍以上。碳纖維不能焊接，車架成型難度大。

綜合比較以上四種常用材料的密度、強度和剛度，以及焊接性、機械加工性能、成型難度等，節能賽車采用45#中碳調質結構鋼。

3 車輪布置型式選擇

為了減小車輛的車輪行駛阻力，節能車采用兩個前輪一個后輪的布置型式。節能車驅動方式采用發動機中置，后輪驅動。即兩個前輪為轉向輪，一個后輪為驅動輪。兩個前輪可提高節能車的轉向時的行駛穩定性，一個后輪直接由發動機利用鏈條驅動，這樣省略了差速器和驅動半軸，使結構顯著簡化，降低了車輛成本，減輕了車架重量。但是，與四輪車輛相比，三輪車輛的行駛穩定性較差，需降低車輛的整體重心，以及減小轉彎角度，以避免三輪車輛的側翻。

4 確定車架結構

為了提高節能賽車的滑行性能，需提高車輪定位的精度，減少車架重量。在滿足駕駛員能夠乘坐的情況下，輪距和軸距越小，車架變形量就越小，車輪定位變化越小，同時車架重量也越輕。因此，賽車車架設計為輪距45mm，軸距180mm（如圖1）。整個車架為一個平面，相較空間車架，更能容易保證車輪定位精度，同時易于制作。參考貨車邊梁式車架，節能賽車車架設計為等腰梯形，更寬的前軸可以提高轉彎特性，減小賽車轉彎時的側翻傾向，從而提高行駛穩定；將發動機后置，位于駕駛員的后背下，這樣顯著縮短了軸距，減少了縱向的彎曲變形；采用后輪驅動型式，發動機通過一條鏈條驅動后輪，可以獲得更大的驅動力。

圖1

5 受力分析

5.1 勻速行駛工況分析

賽車在勻速行駛中，車架承受來自自身質量、駕駛員質量、發動機質量等載荷。設車架及附件重量m1為20 kg，駕駛員重量m2為50 kg，發動機總成重量m3為15 kg，則：

F1=m1×g = 20×9.8 = 196N （1）

F2 =m2×g =50×9.8 = 490 N （2）

F3 = m3×g = 15×9.8 = 147 N （3）

上面三式中：F1 為車架及附件引起的外部負載；F2 為駕駛員引起的外部載荷；F3 為發動機總成引起的外部載荷；g 為重力加速度。

以上各種力的和作為均布力施加在相應承受桿上，通過Standard Earth Gravity 施加，結合實際工況模擬施加位移約束，各點的應力和車架變形情況符合要求。

5.2 加速工況分析

賽車在加速行駛中，車架承受來自自身質量、駕駛員質量、發動機質量等產生的慣性力。設車架及附件重量m1為20 kg，駕駛員重量m2為50 kg，發動機總成重量m3為15 kg，并對上一代節能賽車進行測試，得出最大加速度為7 m/s2，通過計算得出自身質量、駕駛員質量及發動機質量產生的慣性力為：

F4 = m1×a =20×7 = 140 N （4）

F5 = m2×a =50×7 = 350 N （5）

F6 = m3×a = 15×7 = 105 N （6）

上面三式中：F4 為車架及附件重量引起的慣性力；F5為駕駛員引起的慣性力；F6為發動機總成重量引起的慣性力；a 為賽車的加速度。通過Standard Earth Gravity 施加，結合實際工況模擬施加位移約束，各點的應力和車架變形情況符合要求。

6 結論

根據本田Honda中國節能競技大賽規則，節能賽車選用了經濟性好，強度高的中碳鋼作為車架材料，對賽車車架進行了輕量化設計，使其結構簡單，強度高，并通過了實車路試檢驗，達到了節能環保的目標。

Lightweight Design of Energy-saving Racing Frame*

Liu Zhangqi, Fu Longhu, Wang Yi

( Luzhou Vocational and Technical College Mechanical Engineering College, Sichuan Quzhou 646000 )

According to the rules of Honda China Energy-saving Competition, the light weight design of racing frame is carried out from the aspects of material, wheel layout type and frame design, so as to realize the goal of energy saving and environmental protection.

Frame; Energy Conservation; Environmental Protection

U463.8

A

1671-7988(2019)08-156-02

U463.8

A

1671-7988(2019)08-156-02

劉章棋（1982.11-），男，就職于瀘州職業技術學院機械工程學院，主要研究方向：汽車設計與維修。

論文用于瀘州職業技術學院院級課題，名稱：節能車車架結構優化設計。課題編號：K-1815。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.048