节能车研发与制作资料.docx
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节能车研发与制作资料
节能车研发与制作
姓名:
胡军
班级:
T1123-5
学号:
20110230128
一节能车简介
节能车指以内燃机为主要动力系统，综合工况燃料消耗量优于下一阶段目标值的汽车。
全世界1/4的能源用于交通运输，包括每年生产的2/3石油在内。
交通运输领域的一些节能措施根本就不用花钱，比如说，保持轮胎适当充气就能提高能效6%。
此外，油电混合动力车等环保汽车在汽油消耗量相同的情况下，行驶里程可比传统汽车多出20%。
二节能车技术
汽车节能技术用于改进汽车能源消耗的技术。
汽车节能措施涉及方方面面，就中国的现状而言，有效措施包括以下几个方面：
公路与交通设施的合理配套，车型及油品按需生产配置，运营的合理等非技术问题。
技术方面，保证产品质量，按照规范使用和维护机器，改变汽油机燃烧方式以提高能量转换效率。
在现有的燃烧方式下，可以采取以下手段进行节能：
改进供油系统，汽油机改气缸燃油喷射，可提高汽油燃烧效率；改进点火系统，提高汽油机运转稳定性；减少发动机附件损失，合理使用配件，进行相应的改装。
节能汽车指的是低能耗、低污染、小排量、新能源、新动力汽车。
随着小排量汽车限制的取消，国家将加大节能环保型小排量汽车及其先进发动机技术研发和产业化的支持力度。
鼓励开发、生产柴油轿车和微型车，以及使用醇醚燃料、天然气、混合燃料、氢燃料等新型燃料的汽车。
节能环保型小排量汽车及其先进发动机的要求是，汽油机升功率大于50千瓦，柴油机升功率大于40千瓦。
对照目前国内排量1.0升汽车的有关指标，在升功率方面达到要求的车辆并不是很多。
根据有关参数统计，国内乘用车升功率总体均值大约为42.6千瓦/升。
其他具体指标要求还有：
发动机排量小于等于1.4L，车身外形尺寸总长小于等于4米，油耗指标、环保指标、安全指标均达到国家标准要求。
三总体设计方案
本田节能竞技大赛是让参赛团队设计制作的汽车在规定时间、规定路线下，行驶一定距离，由此换算出一升油能够行驶的公里数，耗油量少则胜出的一项赛事。
其中参加比赛的车辆均搭载由本田技研工业投资有限公司开发的Honda弯梁车的125cc化油器低油耗四冲程发动机。
Honda节能竞技大赛于1981年在日本创办，至今已有29年的历史。
比赛除要求参赛车辆使用统一的Honda低油耗汽油发动机，以外的车架和车身等完全由各车队独自创作，每支参赛队带来的都是世界上独一无二的赛车。
赛车在指定的赛道内跑完赛程，比赛谁消耗的燃油最少。
由于这项赛事有着极高的乐趣性和广泛的参与性，每年都有来自世界各地的初中、高中和大学等的学校代表队、企业代表队，创作出具有新颖构思和创意的赛车参加比赛。
在迄今为止的28届比赛中创下的最高记录为3435.325Km/L，相当于北京到重庆的直线往返距离。
同时，这项比赛也在逐渐壮大扩展，中国作为继日本泰国之后的第三个举办地，于2006年在上海举行了试行大赛，2007年11月11日，第1届Honda中国节能竞技大赛在上海国际赛车场圆满举行。
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”。
节能、环保是此项比赛一直致力解决的重要课题之一。
在产品领域，Honda通过燃料电池、混合动力、生物乙醇弹性燃料、清洁柴油等先进的节能、环保型产品时刻走在行业的前列。
在生产领域，Honda在全球推行“绿色工厂”体系，制定独自的企业目标，努力降低产品生产环节的能源消耗和污染物以及温室气体二氧化碳的排放。
汽车、化工等对化石燃料的依赖并由此排放的污染物已经给全球的能源和环境带来了危机，节能与环保的主题一直是人们不懈致力研究的领域，也是我们每个人需要关注的问题。
节能竞技大赛作为节能环保领域的社会活动之一今后将继续在中国举办。
1.总体布置形式
由于比赛规则规定参赛车辆必须是三轮及三轮以上，综合考虑了其耗油量，驾驶安全性，行驶稳定性以及大赛要求之后，我们选择比赛中最常见的前两轮后一轮的布置形式。
同时由于该方案采用的是后一轮驱动，因此就可以直接省去了差速器和驱动半轴等结构，大大降低了机构的复杂程度。
2车架的结构与材料
在车架的结构和材料的确定中应该同时考虑到小巧、轻便、结实、安全、价格等因素。
车架的质量在一定程度上直接影响到油耗。
而且所选材料以及结构的合理性对车辆的安全性也有着很大的影响。
综合考虑下，选择铝合金梯形结构车架还是比较合适的。
因为铝合金密度比钢材小得多，相同体积下质量比较小，铝合金材料的加工很方便同时铝合金的价格相对于镁合金，碳纤维增强复合塑料等一些高级材料来说也有着很大的优势。
3驱动方案确定
因为前面采取的是前两轮后一轮的布置形式，所以驱动方案选择后轮驱动，这样就简便了机构。
节能车需要尽量减少重量，发动机上多余的部件都可以除去，所以，应当把发动机上的一档、二档、三档都拆掉，只留下空挡和最高档以减轻重量。
4车轮的选择
节能车比的就是耗油量，所以对直接关系到滚动阻力和行驶平稳性的车轮也是很重要的一环。
因为国内还没有节能车专用车轮，我们选择20英寸的自行车专用轮。
需要注意的一点就是在节能车转弯时车轴和车轮还受到了侧向力的作用，因此车轮和车轴的接触点轮毂，为减少摩擦使车轮平稳旋转，不能使用自行车专用轴承，而要加装机械用的滚珠轴承来增大强度。
并且所选车轮的车轴也必须要有足够的强度。
为减少轮胎接地面积以减少滚动阻力，三个轮胎均使用高气压轮胎。
车轮安装定位，采用主销后倾角，相对于自行车主销后倾角的22度和汽车的2，3度，节能车既是前两轮，同时又比汽车窄的多，纵向力小得多，所以可以定为10度。
前轮外倾角基本可以设为0度，节能车既不前束也不后束。
5转向机构
转向机构的确定应该综合考虑车辆的结构形式，而且因为所设计车辆为专用比赛车辆，还应该考虑到场地因素。
为了保证足够的转向能力和转向安全性，选择了阿卡曼整体式梯形结构转向装置。
其原理是转向横拉杆的长度比前轴短，形成梯形结构，这样，在车辆转弯时，内侧车轮的转向角度就会略大于外侧轮的转向角度，且前轮的转角中心落在后轴轴线的延长线上。
具体结构尺寸还得到建模实验时具体讨论。
在确定转向机构的位置时首先得考虑驾驶员的驾驶姿势，然后确定转向手柄的形式和位置。
再者，节能车是轻型车，满载和空载时情况很不同，车架和转向系的变形也是无法预知的，于是需要梯形横拉杆和转向臂的相对位置是可以调节的。
6车身的设计
在汽车行驶过程中，总共有滚动阻力，空气阻力和加速阻力。
其中空气阻力占相当大的部分。
合理有效的车身设计可以有效地降低空气阻力，减少耗油量。
四重要结构——车身
1车身外形与空气动力学特性的关系
汽车空气动力学是研究汽车与空气运动之间相互作用规律以及气动力对汽车各种性能影响的一门学科。
汽车空气动力特性是汽车的重要特性之一，它直接影响汽车的动力性、燃油经济性、操纵稳定性、舒适性和安全性。
设计空气动力特性良好的汽车，是提高汽车动力性、经济性的重要途径，而高速汽车的空气动力稳定性是汽车高速、安全行驶的前提条件。
整体思路：
仿生学设计。
以海豚的生物体态，混合使用曲面和平面，设计出紧凑有序的车身部件，有力、光滑、紧凑的曲线表现出汽车健美的运动气质，赛车具备了优良流线形的条件，更有利于节能。
车辆整体应符合大众审美观，融入了海豚元素后让人激烈地联想到豚类游动时优雅的姿态，灵性十足的设计，亦同时充满了时尚感和科学感，具有平易近人、大气稳重的特点，是几何学和机械造型的绝佳结合，给人以速度和澎湃冲击感，在静止的时候也极富动感，达到人们心理上的美观要求。
配合人体工程学有关知识制定合理的长度、宽度、高度、驾驶座的空间大小等内容，并结合行驶实际环境，目的是配合车身主体和底面拥有更顺畅的气体流动环境。
右上图所示的就是根据海豚的仿生学原理，设计出的车身的原始形态。
这种设计类似于理想的流线型物体，我们将会在这个原始形态的基础上进行细部优化，使其转化成为竞技节能车的车身外形。
2详细设计思路：
前段外形：
对于节能车的构造而言，车头（车身前段）是与空气阻力接触最早的部位，也是影响车体气动性能的关键部位。
当车身前端形状发生突然变化时，气流将产生分离，阻力系数CD值增大,因此，在设计时应避免细小部位的突起，另外，由于前段外形的变化会使流向地板下方的气流发生变化，CD（气动升力）的前后轴分配也会发生变化。
车头的拐角部位由棱角改成有曲率的圆弧外形时CD将降低，当然其外形也应避免有尖角，但在一定曲率下其CD不再改变成为一个定值。
因此在设计中应采用二次曲率，即水平断面设置为小曲率，其后曲率逐渐增大。
该部位的分离流对车身侧面的流动有很大影响，是使CD增大的重要因素。
同时，前端的棱角容易使得流向顶盖的气流产生分离，对CD会产生很大的影响，因此，我们的车身前端将会尽可能压低，符合气流的运动流线，将车头部分的CD减少多一些。
车身侧面：
车身侧面的棱角对流向车身后方的气流有直接影响，大棱角会产生强涡的三维分离流，因此，单就车身侧面的气流分离情况，侧身采用直立型是有利的。
如右图所示，表明车身的俯视外廓线与CD与CDA的关系，它是以轴距为a与基于轴距的俯视外形中部鼓起的弦长ah之比的变化硬气的气动特性的变化来评价俯视外形弧度的影响。
侧面弧度外形在一定范围内会使CD降低，但由于侧面外形弯曲，会使正面投影面积增大，而A的增大大于CD的减小，故综合效果是使阻力增大。
以上分析表明，在保证总布置设计的要求下，应使侧面外形曲率达到最佳化，消除侧面部件的外凸和棱角，使其平滑以消除和控制气流分离，减小涡流区，降低CD值。
车身底部：
——离地间隙的影响
汽车在行驶时，由于空气的粘性作用，在汽车底面将产生边界层。
随着气流向车身候补的转移，边界层厚度逐渐增加。
当离地间隙不大时，边界层有可能延伸至地面，当汽车底面与地面之间的空气有可能被带动随汽车一起向前运动。
空气与地面之间产生相对速度，进而导致在地面上形成了次生边界层。
汽车的底面通常高低不平，使得底部的气流变得复杂，形成了强湍流区和各种复杂的涡流。
当离地间隙变小时，汽车底部与地面之间的气流可能受阻，使前方来气流转向流至车身上表面，这增大了汽车上表面的气流流速，使压力降低，导致汽车的阻力和升力增大。
但如果将汽车底部表面做成平滑的外形，就可以使车身下表面的摩擦损失降低，从而降低阻力。
当离地间隙增加时，车身下部与地面之间的气流可以无阻的流过，使阻力和升力都有所下降，但当离地间隙增加到一定值时，再增加离地间隙也不会使气动阻力产生太大的变化，经过我们查阅大量资料以及调试的结果，我们的车身离地间隙在车身负载下为26mm，这个数据既可以保证车身的平稳可靠，也可以降低风阻，减小升力。
整流罩：
车身的上部是挖空的，供驾驶者操作车辆，但车身的整体流线却被打破，成为空气阻力的重要部分。
因此，必须要在驾驶者头部上方加装整流罩，以引导空气的流动。
具有整流罩、调校完备的经济节能大赛车辆，不管正面投影面积有多大，阻力系数CD也会非常小，此时空气阻力降低为无整流罩时的45％，是滚动阻力值的一半。
下面的计算是就一个例子进行的，很明显不管有无整流罩，空气阻力都是很大的阻力。
但整流罩对空气阻力的消减确是很有效果的。
车尾：
车尾外形、尾部倾斜角θRW取决于后窗的转折点长度与总长度之比，即LBR/L,右图表明尾部倾斜角θRW对CD的影响，图中的ΔCD为以θRW=0时的CD降低率为分析基准的，当LBR/L值小时，后窗倾角对CD的影响不明显，当LBR/L为一定值时，显现了后窗倾角对CD的影响，后窗倾角θRW=10º-20º时，CD出现最小值，当θRW=30º时，CD出现了骤然增加的峰值，这是一个临界形状。
当后部出现平面锥度时，与θRW同样，尾锥角为θRC=10º~20º时，CD出现极小值，当θRC=30º时，CD出现了增大的趋势。
由上述分析可见，对于尾部形状，制约流动特微趋势的主要因素的尾部倾角，但是当采用尾锥度时，尾部倾角在30º时的临界角消失了。
研究表明：
在任何情况下，车身前端的倾斜角度都是CD的决定因素，当前车身小于20º时气流在车身前端的端面开始分离，在任何情况下，都是分离越大，CD值越大，当角度θRW为20º-30º时，气流虽然会在前端面分离，却在整流罩上再次附着，基本上在控制分离的同时，顶盖前沿的分离会减小。
以上分析表明，控制气流分离是与降低气动阻力密切相关的。
以上就是对车身设计的阐述，我们从前段，侧面、整流罩以及尾部几个方面系统的阐述了车身的细部优化，相信在以上理论的支撑下，我们的设计可以有较好的气动特性。
3材料对车身轻量化工程的影响
整体思路：
车身材料的选择一般要考虑材料的成本，成型难易及制造成本、生产效率等，对承载件要满足强度，刚度、韧性的要求，对外覆盖件要满足美观，耐腐蚀，易涂漆、抗冲压，已修复、低导电、隔热、等特点。
对于不同载荷类型，需要利用材料的不同力学特性，并综合考虑合理的结构设计，使材料发挥最大效益而不增加车身重量，从而实现轻量化的设计。
在对车身材料进行选择的同时，结合节能车所处于的行驶条件以及近几年参赛车辆所选取的材料来看，使用玻璃钢（FRP）这种复合材料的很多，以下对所使用材料进行相关资料整理。
如果将基于玻璃纤维的FRP与金属材料比对才会发现，FRP比铝轻一半，是铁的1/5，而刚性和强度比夹层板高10倍有余，因此更适合做车身的材料。
玻璃钢（FRP）
即纤维强化塑料，一般指用玻璃纤维增强不饱和聚脂、环氧树脂与酚醛树脂基体。
质轻而硬，不导电，机械强度高，耐腐蚀。
可以代替钢材制造机器零件和汽车、船舶外壳等。
玻璃钢学名玻璃纤维增强塑料。
它是以玻璃纤维及其制品（玻璃布、带、毡、纱等）作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料。
复合材料的概念是指一种材料不能满足使用要求，需要由两种或两种以上的材料复合在一起，组成另一种能满足人们要求的材料，即复合材料。
例如，单一种玻璃纤维，虽然强度很高，但纤维间是松散的，只能承受拉力，不能承受弯曲、剪切和压应力，还不易做成固定的几何形状，是松软体。
如果用合成树脂把它们粘合在一起，可以做成各种具有固定形状的坚硬制品，既能承受拉应力，又可承受弯曲、压缩和剪切应力。
这就组成了玻璃纤维增强的塑料基复合材料。
由于其强度相当于钢材，又含有玻璃组分，也具有玻璃那样的色泽、形体、耐腐蚀、电绝缘、隔热等性能。
由此可见，玻璃钢的含义就是指玻璃纤维作增强材料、合成树脂作粘结剂的增强塑料，国外称玻璃纤维增强塑料。
随着我国玻璃钢事业的发展，作为塑料基的增强材料，已由玻璃纤维扩大到碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、氧化铝纤维和碳化硅纤维等，无疑地，这些新型纤维制成的增强塑料，是一些高性能的纤维增强复合材料。
特性：
（1）轻质高强
相对密度在1.5~2.0之间，只有碳钢的1/4~1/5，可是拉伸强度却接近，甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。
因此，在航空、火箭、宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓越成效。
某些环氧FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能达到400Mpa以上。
（2）耐腐蚀性能好
FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种油类和溶剂都有较好的抵抗能力。
已应用到化工防腐的各个方面，正在取代碳钢、不锈钢、有色金属等。
（3）电性能好
是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。
高频下仍能保护良好介电性。
微波透过性良好，已广泛用于雷达天线罩。
（4）热性能良好
FRP热导率低，室温下为1.25~1.67kJ/（m·h·K），只有金属的1/100~1/1000，是优良的绝热材料。
在瞬时超高温情况下，是理想的热防护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000℃以上承受高速气流的冲刷。
（5）可设计性好
①可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可以使产品有很好的整体性。
②可以充分选择材料来满足产品的性能，如：
可以设计出耐腐的，耐瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的，等等。
（6）工艺性优良
①可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工艺。
②工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性。
碳纤维增强复合材料（CFRP）
碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。
另外，碳纤维是指含碳量高于90％的无机高分子纤维，其中含碳量高于99％的称石墨纤维。
性能特点：
碳纤维的比重小，抗拉强度高，轴向强度和模量高，无蠕变，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。
但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。
因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。
总之，碳纤维是一种力学性能优异的新材料。
目前应用较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。
碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、石墨化等4个过程。
其间伴随的化学变化包括脱氢、环化、氧化及脱氧等。
应用领域：
碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。
传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。
碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、汽车、体育器材、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
这种基于碳纤维的复合材料具有玻璃钢的一切特性，且质量更轻。
随着这几年产业化，价格也变得可以接受了。
值得注意的是，这种基于碳纤维的复合材料比传统的玻璃钢还要轻28%以上，因此，采用这种材料是理所应当的。
并且，采用碳纤维作为汽车车身已有接近40年的时间，相关技术早已完备，因此，选取这种基于碳纤维的复合材料是实现材料轻量化工程的关键所在。
五总结
在石油资源日益枯竭、全球石油储藏量急剧下降的背景下，我国汽车保有量却以平均每年12.08%的速度增加，我国对燃油的消费需求以惊人的快速度增长，有很大一部分依赖进口。
一方面，我国汽车节油技术的应用有限，燃油的使用效率普遍不高，汽车百公里耗油约比发达国家高20%；另一方面，机动车排放污染已经成为我国污染物的主要来源之一。
因此，汽车节油和环保问题日益突出，面对有限的石油资源和国家能源战略遇到的威胁与挑战，汽车节能与环保技术已成为汽车技术领域的研发热点。
随着近几年国家节能减排工作的不断深化，汽车节能减排已经成为社会各界的共识，也正在成为社会全体成员的共同目标。
自2004年起，中国超越了日本成为仅次于美国的世界第二大石油消耗国。
2006年，中国对进口石油的依赖增至年需求总量的47%，2006年中国的原油净进口量为13844万吨。
而在1990年—2003年的13年里，中国汽车保有量年均增长率达到12%，汽车燃油消耗在中国石油消耗中所占的比例日益增大。
2008年，中国每一辆汽车的年均耗油是2.1吨，中国进口的原油有30%被汽车消耗，而这一比例在今后将升至50%。
从尾气排放方面，汽车排出的废气已成为城市空气的首要污染源。
据国家环保总局测算，2009年中国汽车排放污染在城市大气污染中所占比例高达79%。
因此，汽车既是耗油大户，又是排放废气的大户，抓好了汽车的节能减排，就是抓住了重点。
汽车节能减排的重要性不言而喻，考虑到当前我国的汽车节能技术发展的实际情况，除了要积极推进以混合动力、燃料电池、先进柴油、醇类汽车等为代表的新能源汽车技术的发展外，另一个推进汽车节能减排工作的措施就是大力研究开发适合我国现阶段汽车行业技术现状，并适合大量在用汽车的高性能节能产品。
节能竞技赛车与普通汽车的结构布局相似，由发动机、底盘和车身三大部分组成。
发动机的改造无疑是各赛车队攻关的重点，也是节能减排技术发展的主导性方向；底盘的设计关键在于减小摩擦损失和提高机械传动的效率；车身设计的重点在于美观的外形、轻重量和较低的空气阻力系数。
通过对节能车的设计，研发出节能新技术新东西，以用于实际的汽车生产中，为能减排带来新的局面。
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