Honda节能车整体优化设计 - 图文

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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

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Abstract

With the shortage of energy in recent years, global energy crisis, increasing global emphasis on energy use and development of new energy sources, green has penetrated people's lives, oil reserves have been more and more national attention.

In this thesis, the fifth Honda energy saving car competitive contest for the design of vehicle design and optimization. Around the \liters environmentally friendly one liters,\aimed at the development of all the innovation, innovation and practice combine through theoretical validation, seriously study the competition rules, under the conditions meet the contest rules, reduce the car the whole prepared quality and economic nature, the use of finite element software of ANSYS frame to frame the optimal design, use ADAMSE software to simulate the movement of the simulation vehicle steering mechanism design the best, CATIA surface modeling the establishment of the overall model of the body, in order to achieve the minimum drag coefficient, rational arrangement of the various components of the vehicle to reach the car to optimize the design, final design of the most fuel-efficient race car.

Keywords: energy;Curb Weight；Analysis of finite element software;Simulation; Surface Modeling

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目录

节能车整体优化设计 ..................................................... I 摘要 ................................................................... I Abstract .............................................................. II 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 1.4 Honda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 论文的主要内容及意义 .......................................... 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

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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

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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 3.4.3 ADAMS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

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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内的主要任务。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

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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内市场，包括汽车用油的市场。短期出现的柴油紧张有临时性因素。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

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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广东国际赛车场，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，湖北汽车工业学院“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。

1.4 Honda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Super cub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

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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 论文的主要内容及意义

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。

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（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。

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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。

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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。

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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

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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内穿过，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 总长 总宽 总高 轴距 前轮距 最小离地间隙 整备质量 参数 2200mm 610mm 600mm 1300mm 700mm 60mm 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 驾驶舱 发动机舱 传动舱

长mm 1035 300 570

宽mm 400 310 250

前高mm 230 370 350

后高mm 320 350 335

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

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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。其中单元的形状也影响到后期的有限元分析。

参照往届参赛车辆，初步制定的是车架的底面梁的横截面是30*50mm，厚2mm的回字形框架，竖起梁为25*25mm厚2mm的回字形框架。 设计结构工程图如图3.2所示

图3.2 利用CATIA制作的模型图

考虑到转向直销后倾为了保证轮子的自动回正能力，在设计安装前轮的两个直

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图3.18 建立好流畅域

在车身外部建立空心六面体包围结构，壁厚为0。Fluent软件能够自动识别外流场域，能够自动将车身与外流场域分离开来。 3.3.3 车身模型网格的划分

本文采用Ansys Workbench的AM模块划分网格，网格力求简单，便于求解，网格复杂时则可能导致求解不精确甚至不稳定。另外，由于空气沿汽车表面会产生壁面边界层，流动参数沿壁面法向梯度大，应划分较密网格，其它区域应根据需要安排网格稀密。

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图3.19 车身网格划分

网格的大小，决定了计算的精度，网格越小，越能贴合汽车表面，但是网格太小，又会造成网格数目巨大，计算费时，甚至由于计算机硬件的限制有可能无法生成网格。本文采取了在设备允许范围内网格划分尽量精细，经过了多遍尝试与计算验证，最终划分网格数量为169174，节点数为：33924。 3.3.4 边界条件

接下来要定义相应的边界条件，对车体和空气定义，首先定义车身正前方空气外表面为流场入口：inlet；然后定义车身正后方空气外表面为流场出口：outlet；接着定义车体正下方空气外表面为地面：ground；之后将空气其余三个外表面一起定义为表面：wall；最后选中车体定义为：body。边界条件包括定义边界条件的几何位置信息(如进出口、固壁表面、对称表面等)和确定各边界上的 各种参数信息(如速度、压力、总压、静压、温度等 )。

入口来流的速度分布没有受到模型的扰动，除运动方向外，另外两个方向的速度分量为零。流入速度取理论上的无穷远处的来流速度。入口处的k、?边界条件应由试验确定。本文参考了有关文献的取值，取k=0.024，?=0.01。入口速度取平均车速25KM/h。

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图3.20 入口边界条件定义

出口：选择出口（outlet）边界条件，相对压力为0个大气压；

图3.21 出口边界条件定义

地面：选择壁面（wall）边界条件，指定为无滑移（no slip）边界条件；

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车身：选择壁面边界条件，指定为无滑移边界条件；

顶部与侧面：选择壁面边界条件，指定为无滑移（no slip）边界条件； 3.3.5 结果分析阶段

进入下一步迭代计算阶段，设置迭代步数，迭代步数越多，计算总时间越长。模型网格数越多，每步计算时间越长，计算精度也越高，本计算过程设置500步迭代。

图3.22 迭代结果表

图3.23 残差图

从图计算结果的残差图可以看出，经过217步的迭代，计算结果已经趋于稳

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定。

图3.24 空气阻力系数变化图

图3.25 车身升力变化表

由计算结果得出Cd=0.12，Cl=-0.208

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臂时，将其与车架下面横梁法线方向倾斜，这样在安装车轮后确保了主销的后倾角，将安装转向把手的中间直臂向前倾斜，降低高度，从而达到降低车身高度，达到降低整车高度的设计要求。

3.1.3 基于ANSYS的车架材料选取及强度分析 1） 车架载荷工况的确定

由于节能车运行时的特殊性以及路面的平整性，在分析车架的受力时省去了动载工况，只对静载工况下进行一定的分析。

实车的静载质量有车架本身的重量、车手重量、发动机重量以及其他一些部件的重量组成。车架主要承受来自车手以及发动机这两部分的重量。 2） 基于ANSYS的车架强度分析

在确定车架的基本结构的基础上，以去年比赛为依托，最终选用铝合金材料对其进行强度、刚度分析。 （1）建立有限元模型

绘制梁单元线条模型，导入ANSYS11.0的DM模块，创建新的simulation。

图3.3 车架梁单元线条图

采用Beam188单元来离散整个结构。Beam188是2节点（Node）梁单元，每个节点有6个自由度，包括3个线性位移自由度X，Y，Z和3个沿X，Y，Z轴方向

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的转动自由度。该单元适宜于分析细长或中等厚度的梁结构，可获得较好的整体应力水平分布情况，且计算速度快，梁与梁的连接处进行节点耦合。由于车轮与车架直接刚性连接，所以无需用弹簧单元来模拟悬架。

表3.3 铝合金材料的基本特性 材料 铝合金 弹性模量（pa） 6.89e10 泊松比 0.33 密度(kg/m3) 2.8 铝合金截面尺寸：(30mm×50mm×2mm) （2）网格划分 利用梁单元，进行网格划分，并自动生成为三维模型。

图3.4 网格划分

（3）加载载荷

载荷主要包括：车手的体重(40kg)和发动机的质量（15kg）2项。将车手体重400N分为三部分，200N施加于车手背靠处横梁，其他200N均分两份，各施加于车手底部纵支架处，两部分皆为集中载荷。发动机质量150N加载于发动机支架所在两后梁，为集中载荷。其他质量较小的部件可以忽略。

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约束情况应按弯曲工况和弯扭工况分别处理。弯曲工况主要模拟计算车辆在良好路面上匀速直线行驶时的应力分布和变形情况，此时车轮处于同一平面，对两前轮UX，UY及UZ 3个方向的自由度及后轮UY方向的自由度进行约束即可。弯扭工况下车轮不在同一平面，右前轮悬空，此时约束后轮UX，UY及UZ 3个方向和左前轮UY和UZ方向的自由度，释放其余的自由度。

弯扭工况是弯曲和扭转的组合工况，包含了弯曲工况在内，最大应力及变形都发生在此工况下，简便起见，这里仅以弯扭工况下的计算结果为设计依据，没有再单独考虑纯弯曲工况。 加载情况如图3.4

图3.5 车架加载

（4）查看结果

利用ANSYS分析出车架等效位移图和等效应力图如下：

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图3.6 车架等效位移图

图3.7 铝合金车架等效应力图

由图3.6可以看到，用铝合金材料，车架的变形图非常小，为7.002mm。查阅相关铝合金材料，其最大应力为228Mp,根据节能车要求安全系数为n=1.5，则由公式计算出所需应力为：σ=σb/n=228Mp/1.5=152Mp，铝合金24.127MPa〈〈152MPa，车架的所受的最大应力远远小于材料的屈服极限，所以材料在强度上满足要求，并通过计算得出车架重量为：m=5.2Kg，相对去年参赛不锈钢材料车架m=8.6kg减轻

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了3.4kg。

3.1.4 车架横截面形状优化

建立截面尺寸R0=20mm，R1=18mm的铝合金梁单元，进行强度分析，得出以下求解结果如图(a)、(b)所示。

(a) 圆铝合金变形图

(b) 圆铝合金应力图

由求解结果方铝合金与圆铝合金的应力和变形图的比较可得，方铝合金的最大

应力与圆铝合金的最大应力分别为24.127MPa与18.252MPa,方铝合金的变形与圆铝合金的变形分别为7.0002mm和5.6122mm，圆铝合金在最大应力和变形上分别就方铝合金减少了24.4%和19.8%，并且在质量上，方铝合金的质量为5.2139kg，圆铝合

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终方案。

3.1.6 车架的模态分析

发动机主要出现在两个转速范围: 900 ～ 1 800 r /min 和 3 000 ～ 4 200 r /min对应的频率范围分别为15 ～ 30 Hz 和50 ～ 70 Hz． 在第1 个频率范围内，车身的主要振动形式为座位处的振动; 在第2 个频率范围内，车身的主要振动形式为把手处的振动。

在0~150HZ频率范围内对节能车车架进行十阶模态分析，分析结果图如下：

(a)1阶 (b)2阶

(c)3阶 (d)4阶

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(e)5阶 (f)6阶

(g)7阶 (h)8阶

(i)9阶 (j)10阶

图3.8 模态分析图

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表3.5 仿真分析与模态分析结果

项目

最大变形 7.7644mm 5.6122mm 4.1953mm 3.223mm 0.8977mm 最大应力

安全系数 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5

需用应力

质量

共振

R0=18mm,R1=16mm R0=20mm,R1=18mm R0=22mm,R1=20mm R0=24mm,R1=22mm R0=26mm,R1=24mm

16.304MPa 18.252MPa 10.585MPa 8.7919MPa 7.4188MPa 186.7MPa 186.7MPa 186.7MPa 186.7MPa 186.7MPa

3.6638 kg 4.0948kg 4.5258kg 4.9568kg 5.3879kg

是 是 微 否 否

在仿真分析中，已经得出这组数据都满足强度与刚度的要求，只是车架的质量在逐渐的增大，现在通过模态分析可以看出，在R0=22mm,R1=20mm之前尺寸的车架，都与发动机的振动频率接近，发生了共振。在此尺寸之后R0=22mm,R1=20mm的频率与发动机的振动频率有细微差距，发生微共振。从R0=24mm,R1=22mm尺寸之后，车架的固有频率不会再与发动机的振动频率重合，因此不会再发生共振。再结合车架的质量以及车架刚度，强度的要求，所以最终确立的方案为R0=24mm,R1=22mm的圆截面铝合金，其质量为4.9568kg,不与发动机振动频率发生共振，受到的最大变形为3.223mm，最大应力为8.7919MPa。 3.1.7 车架的焊接工艺

铝合金较不锈钢有较高的焊接要求，其焊接有几大难点：铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金焊接的最大阻碍；铝合金表面易产生难容的氧化膜，需要采用大功率密度的焊接工艺；铝合金焊接容易产生气孔；铝合金焊接易产生热裂纹，易变性。

因此铝合金焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法，主要方法：首先，确定焊接方法，一般采用惰性气体保护焊，如钨极氩弧焊（TIG)或熔化极氩弧焊（MIG）。其次确定焊接材料，焊丝一般采用与母材成分相同

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的焊丝。再次还要确定是否采用特殊方法处理。 3.1.8 本节总结

本节主要从车架的结构设计出发，参照大赛要求设计出了梯形结构的铝合金材料车架，并通过车架加载分析，得出设计的合理性，接下来对车架截面形状，截面尺寸进行了优化，最终对铝合金焊接工艺进行了描述。

3.2 节能车发动机的节能改进

3.2.1 大赛规则对发动机的要求

大赛提供的是本田125弯梁车四冲程柱塞式化油器发动机，除了汽缸盖、曲轴箱、曲轴必须在下发发动机基础上修改，其它的改造可以自行决定，但改造后排气量不得超过125CC，并且要求改造后的发动机不能有任何润滑油的泄漏。 3.2.2 发动机参数介绍

本次大赛提供的发动机型号：WH152FMI；发动机型式：风冷、单缸、四冲程；气缸工作容积124.8ml；压缩比9.0:1；标定功率及对应转速：5.9/7000KW/(r/min)；最大功率及对应转速6.6/7500KW/(r/min)；最大扭矩及对应转速

9.68/4000KW/(r/min)；最低燃油消耗367g/(kw.h)；起动方式：电动起、脚踏启动；点火方式：CDI电容二极管点火。 3.2.3 发动机节能的理论 1) 发动机节能的指标

发动机到底节不节能，最终看的是发动机的油耗，即燃油经济性，而衡量燃油经济性的依据就是单位油耗下车辆的行驶路程，因此，大赛的评定标准就是参赛车辆在规定时间内行驶一定预先设定好的路程，测量油耗，计算出单位油耗下的行驶距离，单位是KM/L，因此，这个数值越大，表明燃油经济性越好，成绩越好。 2) 节能技术的发展方向

由大赛官方给定的数据，节能车的最佳行驶平均速度在25KM/H左右，处于低负荷的工况，我们可从对发动机油耗有影响的部件开始改造，如轻量化，点火方式和点火质量，压缩比，进排气，输出效率等，以提高燃油经济性，即降低油耗。

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3.2.4 节能技术的开发 1) 轻量化

轻量化，即在不影响发动机性能的情况下对发动机质量的降低,轻量化实际上是对本体的“瘦身”，因此可对发动机缸头、缸体、变速箱、曲轴箱减重。

① 缸头 缸头上有一部分是护张紧链轮的，防止润滑油溅出，这一部分厚度大，占用不少质量，采用较薄较轻的铝片做一个防护罩，不仅能起到防止润滑油溅出的作用，还能减轻质量。

② 缸体 缸体是为活塞提供合适工作场所的部件，在不影响发动机工作性能的前提下，把缸体四周的散热片切除。

③ 变速箱 由于变速箱里的原装齿轮较重，而且较多，因此变速箱是摩托车发动机中最重的一部分。如果可以把它去掉或减轻，那对发动机整体轻量化的影响很大。且提高内燃机的机械效率方面主要靠合理选定各种热力和结构参数，靠结构、工艺上采取措施减少其摩擦损失及驱动水泵、油泵等附属机构所消耗功率以及改善发动机的润滑、冷却来实现。变速箱的作用是提供不同的传动比并兼有改变传动方向的作用。考虑到节能车的行驶只用一个档位就能实现（只要传动比合适），因此可以把它全部去掉。并采用一定厚度的铝板焊接在曲轴箱下部，一方面充当底座，另一方面还能作为油底壳，储存润滑油。

④ 右曲轴箱 普通摩托车采用磁电机发电提供其工作所需要的电能，节能车可以完全以蓄电池作为其电源。因此发动机里的励磁线圈可以拆除，这样不会影响发动机的点火、工作，还能降低整体质量，较好。

图3.9 改造前后的发动机对比图：

2) 充分燃烧

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降低油耗另一个重要途径就是尽量让吸入的燃油完全燃烧，可以从进气和燃烧两方面来实现。

① 进气部分 a 化油器 化油器是控制进油的部件，进油量、进油的浓稀都是由它来控制调节的。从化油器处改变进气主要是调节浮子室液面高度和主量孔的大小。因为节能竞技车辆的特殊性，赛道上的运行模式是工作一段时间然后滑行。所以对动力性的要求没有正规车辆高。发动机的有效功率Pe根据关系，受下式中因素的影响： Pe?0.785PmeVmZD? (4.1) pme??i?V?mHu?s (4.2) ?l0式中：Pme为平均有效压力（MP）；Vm为活塞平均速度（m/s）；Vh为单缸工作容积；Z为气缸数；D为气缸直径（mm）；τ为冲程数；?i为指示热效率；?v为充气效率；?m为机械效率；Hu为燃料低热值；?s为进口状态下空气密度；l0为理论空气量；α为过量空气系数。化油器可调节的因素就是过量空气系数α，由上式可知，增大过量空气系数α可降低发动机的有效功率，从而满足低负荷下的发动机运转的需求。 减小每循环燃油供给量gb，可以增大过量空气系数。主量孔是扩张管嘴的造型，减小入口断面，可以减小每循环通过主量孔的燃油量。 减小入口断面有两种方式：1、用细铜丝堵。2、用锡焊。铜丝快捷方便，但是不容易固定，且工作不可靠;锡焊固定牢固，不容易脱落，工作可靠。因此选用锡焊。查阅资料了解到，化油器浮子液面高度下调2mm的情况下，有效燃油消耗率be降低了约10 g/（KW*h）。 b 进气管参数设定 进气管道的改装可分成形状及材质两方面。改变进气道形状的目的在于进气蓄压（以供急加速时节气阀突然全开之需）及增加进气的流速。改变进气道材质乃是着眼于不吸热及重量轻，目前最常用的就是碳纤维的材质，其不吸热的特性，能让

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进气的温度完全不受发动机室的高温所影响，让进气的密度较高。 从进气管的形状上看，进气管可分为垂直进气道和回旋进气道。垂直进气道因为进气阻力小，利于在高转速时形成共振，提高进气效率，同时也便于布置喷油嘴，一般适用于强调高转速表现的发动机；而回旋进气道能有利于在进气时产生涡流，提高空气和汽油的混合度，利于在低转提高缸内燃烧效率，一般适用于强调低转表现的发动机。 资料显示：强调低转速时采用回旋进气道，且进气管长点较好，汽油和空气混合得较充分；强调高转速时采用垂直进气道，且进气道短而粗较好，进气阻力小，利于形成共振，提高进气效率。通常来说是采用较小弧度的回旋进气道，用来弥补低转速时的动力表现，由于弧度较小，在高转速下，阻力也较小，并且要适当增加进气管的长度，进气管太短，气缸的高温传到进气管会产生热阻，影响进气。 表3.6 不同长度直径下进气管长度对燃油消耗率的影响 350燃油消耗率(g/(kW.h))348346344342340338336340019(g/(kW.h))20(g/(kW.h))21(g/(kW.h))22(g/(kW.h))23(g/(kW.h))24(g/(kW.h))25(g/(kW.h))36003800400042004400460048005000转速(rpm) 0.860.8550.850.8450.840.8350.830.8253400充气效率(-)19(-)20(-)21(-)22(-)23(-)24(-)25(-)36003800400042004400460048005000转速(rpm)

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随着进气管直径的增加，燃油消耗率降低，在整个过程中，由于常用的转速为4500rpm以前，因此当进气管直径为25mm时燃油消耗率最低。 420410燃油消耗率(g/(kW.h))400390380370360350340330340030(g/(kW.h))35(g/(kW.h))40(g/(kW.h))45(g/(kW.h))50(g/(kW.h))55(g/(kW.h))60(g/(kW.h))36003800400042004400460048005000转速(rpm)1.31.251.2 充气效率(-)1.151.11.0510.950.90.850.83400360030(-)35(-)40(-)45(-)50(-)55(-)60(-)3800400042004400460048005000转速(rpm) 随着转速的增加，燃油消耗率整体趋于增加状态；在某一转速下，随着进气管长度的增加，燃油消耗率也有所增加；进气管长度在30mm~40mm时燃油消耗率随着进气管的长度增加而减少，而进气管长度在40mm~60mm时燃油消耗率随进气管长度的增加而增加，因而可以得出进气管长度为40mm时整个过程的燃油消耗率最低。

综上所述：在发动机转数为4000r左右时，进气管直径为25mm，长度为40mm能达到较好的燃油消耗率。

② 排气管

排气管的作用就是让废气顺利排出，但研究表明，适当增加排气阻力，可以对发动机的输出功率有一定提升。因此在排气管上加以稳压箱，这样就能适当减少进

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油量。 根据发动机缸体排气道出口直径为20mm，再根据安装的空间要求，分别选取排气管直径为17mm、18mm、19mm、20mm、21mm、22mm、23mm进行分析。 表3.7 排气管直径对燃油消耗量的影响 3423413403393383373363353400燃油消耗率(g/(kW.h))17(g/(kW.h))18(g/(kW.h))19(g/(kW.h))20(g/(kW.h))21(g/(kW.h))22(g/(kW.h))23(g/(kW.h))36003800400042004400460048005000 随着转速的增加，燃油消耗率先增加再减少再增加；整个过程中排气管直径为19mm时燃油消耗率较低。 表3.8 稳压箱体积对燃油消耗率的影响 转速(rpm)346燃油消耗率(g/(kW.h))34434234033833633433234000.05(g/(kW.h))0.1(g/(kW.h))0.15(g/(kW.h))0.2(g/(kW.h))0.25(g/(kW.h))0.3(g/(kW.h))0.35(g/(kW.h))36003800400042004400460048005000转速(rpm) 可以看出在发动机转数4000r左右范围内，稳压箱体积为0.05L的排气管燃油消耗率最小。 3.2.5进排气管catia建模 1）进气管catia建模 根据设计结果，进气管的长度为40mm，进气管的直径为25mm。用CATIA绘制出3D模型如下图4-1所示，图4-2所示为工程图。

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图3.10 进气管3D模型

图3.11 进气管工程图

2) 排气管catia建模

根据设计结果，排气管的长度为40mm，排气管的直径为19mm，回压箱的容积为0.05L。用CATIA绘制出3D模型如下图4-3所示，图4-4所示为工程图。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xonv.html