本田节能大赛节能车设计.docx

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本田节能大赛节能车设计

常州机电职业技术学院

毕业设计（论文）

作者：

何光亮学号：

********

系部：

车辆工程系

专业：

汽车电子技术

题目：

本田节能竞技大赛节能车设计

校内指导教师：

郑利锋

企业指导教师

吴翔

评阅者：

2015年4月

毕业设计（论文）中文摘要

随着近年来社会环境越来越差，污染越来越严重。

能源节约，环境保护问题也就经渐渐受到人们越来越多的关注。

自然资源日渐减少尤其是石油资源这些都预示着当今的汽车发招必须以节能为主题。

根据Honda中国节能竞技大赛的大赛规则，我们在满足大赛技术要求的基础上要对发动机底盘进行优化设计，要对整车进行轻量化设计，同时减小车辆行驶的阻力。

这就需要对节能车的行驶系统、转向系统、动力系统等各系统以及车身、车架、驾驶员作合理的设计选择。

关键词：

节能、轻量化、底盘

第一章绪论

1.1选题的背景及意义

1.1.1选题背景

本田节能竞技大赛是将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,并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。

其中要求参加比赛的车辆均搭载由五羊本田提供的125CC化油器四冲程发动机。

Honda节能竞技大赛于1981年在日本创办,至今已有35年的历史。

比赛要求参赛车辆使用统一的Honda低油耗汽油发动机,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。

由于有着极高的乐趣性和广泛的参与性,在日本,每年都有来自初中、高中和大学等的学校代表队、企业代表队,以及来自社会上的共约500支车队,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33届比赛中创下的最高记录为3779.638km/L相当于北京到重庆的直线往返距离还要多。

同时,这项比赛也逐渐向海外扩展,泰国、巴基斯坦、俄罗斯、韩国等的参赛者相继参加了日本的比赛,上海同济大学也从2000年开始制作赛车去日本参赛。

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,2008年11月16日,第2届Honda中国节能竞技大赛在上海国际赛车场胜利举办。

常州机电职业技术学院2013年首次参加到这项赛事中来,在2013年第7届Honda中国节能竞技大赛中,常州机电职业技术学院锋帆号跑出了81.551km/L的成绩。

Honda节能竞技大赛的目的是通过比赛提高社会的节能和环保意识,参赛车队通过各项独创技术不断挖掘一升汽油的无限潜能,从中体会到节能的重要性。

同时,比赛也为参赛者提供体验亲手制作赛车的乐趣的机会,提高实践能力。

Honda创始人本田宗一郎曾说：

“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Honda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CO:

的排放。

此外,Honda还积极开展植树造林等社会活动。

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,Honda希望通过这项赛事,为社会节能、环保意识的提高做出贡献。

1.1.2选题的意义及目的

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13884万吨。

而在1990年一2003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。

2004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,2005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外形美观、轻重量和较低的空气阻力系数。

本田节能竞技大赛适时迎合了时代提高社会节能和环保意识的要求,激发各参赛车队通过各项独创技术不断挖掘一升汽油的无限潜能,使其从中体会到节能重要性的同时,提高参赛者的思考和实践能力,更为将来汽车节能方面的实际应用带来了无限新的可能。

本文选题的目的就是在本田节能竞技大赛的背景与第七届参赛节能竞技车的基础下,研发一款节能竞技车。

1.2论文的主要研究内容

1.确定所研发节能竞技车的总体设计方案；

2.节能竞技车转向机构的改进设计与制作；

3．按照设计方案进行了节能竞技车辆的实际制作；

4．通过实车试验确定合理的节能竞技车驾驶方案。

第二章节能竞技车总体设计方案确定

2.1总体布置形式的确定

在节能竞技车总体布置形式的确定中应该充分考虑到节能竞技车制作的简易性、行驶稳定性和行驶阻力的大小。

根据节能竞技大赛的比赛规则,参赛车辆的车轮必须为3轮以上（包括3轮）,并且要求其结构必须满足无论在竞技车辆停止时还是行驶时都能自行站立的条件,这样便有以下几种总体布置方案以供选择:

2.1.1前一轮后两轮

这种布置形式类似于在日常生活中见到的三轮车,在设计制作过程中,可以利用现成的自行车部件加以改装来实现,从而减低了制作难度,节省了制作时间,而且驾驶构造也比较简单。

但是这种方案的行驶稳定性较差,尤其是转向行驶稳定性不好,在车速较快时转向容易翻车,这将大大降低节能竞技车的行驶安全性。

考虑到节能竞技大赛必须由一名车手驾驶进行比赛,而且由于比赛规则中对行驶速度有一定明确要求（平均时速不得低于25km/h）,因此放弃该方案。

前一轮后两轮的具体布置形式如图2.1所示。

2.1.2前两轮后两轮

此种布置形式与生活中常见的四轮轿车相似,其优点为有较好的行驶稳定性,但是在以节能为主要目的的竞技大赛中,这种布置方案的缺点却很多。

首先,由于其四轮着地,相比三轮车来说接地面积大,这无疑就提高了车辆在行驶过程中的行驶阻力，前两轮后两轮具体布置形式如图2.2所示。

2.1.3前两轮后一轮

这种布置行驶在以往的节能竞技大赛中应用最为广泛，其优点为在保证较小的行驶阻力的前提条件下，能够很好的保证行驶的稳定性，从而提高了节能车的安全性。

综合上述几种结构的优缺点，在节能为主的前提条件下，又要同时保证良好的操稳性和行驶安全性，因此，确定节能竞技车的车轮布置形式为前两轮后一轮的布置形式。

2.2车架的材料及结构方案

节能车大赛的规则中对车架有明确的要求，参赛车辆必须为三轮以上（包括三轮），要求其结构无论在停止时还是在行驶时都为三轮以上（包括三轮）结构且能自行站立，车手的身体不能超出车架等等。

因此在车架的设计制造上的要求只涉及到安全方面，可以放手去做，在车架的制造阶段最终要的是结构力学，用最少的材料制造出符合要求的车架，长、宽、高必须在规定的尺寸内尽量满足，还要对车手的安全性有保障。

为了满足车架轻量化的要求，首先是材料选择其次是结构设计。

根据车轮的布置方式车架主要有以下几种结构。

1）钢管梯形车架。

2）铝制梯形车架。

3）高级材料无骨架结构车架，如图2.7

在制作过程中，综合考虑到材料的强度要求，制作方案的可操作性，制作成本以及制作周期等多方面因素，最终决定选取铝制梯形结构车架作为本次设计车辆的车架方案。

其优点主要为：

1）铝制材料这里主要选取铝合金，其质量较钢材较轻，而且在设计合理的前提条件下能让车架保持足够的强度。

2）铝制材料加工方便，材料的结合可以通过铝焊或者铆接等方法来实现。

3）铝制材料价格便宜，与碳纤维等一些高级材料相比虽然在强度和重量方面具有一定的差距，但在价格方面却无疑有着明显的优势，从而降低了车辆的制作成本。

2.3驱动方案

节能大赛使用的是五羊本田提供的125ml单缸四冲程汽油机。

该机最大功率6.6kw，最低燃油消耗率367g/千瓦时。

压缩比9.0：

1，采用电启动、化油器供油、两气门、链条正时，润滑方式为曲轴飞溅式。

传动方式主要有以下几种：

2.3.1轴传动如图

轴传动是利用发动机输出轴直接连接后轮轴，该方式传动效率高，但使整车的重心偏离了车体中心线，降低了稳定性。

2．3.2链传动

链传动与摩托车本身的传动方式相同，效率比较高，但节能大赛对发动机不要求输出那么大的扭矩，且为了减少发动机的重量对其进行了切除，改变了原有的机械式离合器，故启动时链传动冲击力比较大，对后轴传动部件有很大的冲击力。

防止脱链要保重很高的啮合度。

增加了加工难度。

2.3.3同步带传动

相比而言，同步带可以缓和冲击，吸收震动，且传动效率也比较高。

综合以上传动方式:

同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。

同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮之间无相对滑动，能保证准确的传动比。

同步带通常以钢丝绳或玻璃纤维绳为抗拉体，氯丁橡胶或聚氨酯为基体，这种带薄而且轻，故可用于较高速度。

传动时的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98%。

传动噪声比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。

鉴于上述同步带优点，我校“锋帆”车队决定采用同步带传动。

2.4轮胎

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12.07%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%〔1〕;另一方面,机动车排放污染己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。

在设计过程中，轮胎的选取也是十分重要的环节。

轮胎不但影响着车辆在行驶中的滚动阻力，还影响着车辆在行驶中稳定性，因此在选取过程中要注意行驶阻力和行驶稳定性的均衡。

以往比赛中，轮胎的种类基本分为一下几种。

（1）20英寸节能车专用轮，如图2.11。

（2）20英寸自行车专用胎，如图2.14，图中采用的轮胎尺寸为20×1.75英寸，在采用自行车轮胎是要注意的一点为自行车在行驶过程中车轮和车轴是不受侧向力作用的，但是在节能车的结构形式中，车轮和车轴是要受到侧向力作用的。

因此所选的车轮的车轴必须要有足够的强度。

（3）20寸电动自行车专用胎如图2.13

电动车专用胎在行驶过程中车轴能够受到的侧向力比较大，而且这种车轮比较利于布置刹车系统，但是电动车专用胎的花纹行驶阻力太大且车轮太重不适合比赛用，故我校赛车在制作过程中放弃了该方案。

（4）12英寸轮胎，如图2.14，选取直径较小的轮胎可以在一定程度上减小空气阻力。

图2.1412英寸轮胎

综合考虑以上几种轮胎形式，最终采用20英寸的自行车专用胎。

考虑到降低滚动阻力的同时保证足够的附着系数，前两轮采用20英寸轮胎尺寸为20×1.35英寸，后轮则采用20×1.85英寸尺寸的自行车胎。

三个轮胎均使用高气压轮胎，目的在于减小接地面积。

后轮采用较宽的车胎其主要原因为驱动方案定为后轮驱动，保证获取足够的驱动力。

2.5转向方案

考虑到车辆的结构形式，并结合所设计车辆为特定比赛车辆的特殊性，以及比场地的因素，常见的节能车转向方法如下：

（1）中央支撑式，如图2.15。

这种形式结构简单，车架也可以设置得较低。

但是，要使左右车轮完全平行进行的定位调整很难，在小转弯时车轴会发生很大的移动，必须保证有充足的空间不会碰到车身、车架。

还需要安装制动器，以防脱开把手发生过大的转向。

（2）阿卡曼式，即梯形结构，如图2.16。

这种结构的构造比较复杂，但与前轮定位的调整较轻松，即使大幅度转方向盘，车轮也不会大幅度前后移动。

图中为活塞杆转向结构，其中转向臂的角度应保证前轮胎中心与后轮胎中心连接成线，如图2.17。

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，2015我校锋帆车队仍旧采用梯形转向方式如图2.16所示。

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2.18。

考虑到车身材料对于空气阻力的影响，和经费的问题2015我校“锋帆”车队经过探讨决定采用车身全包的铝车身结构。

第三章节能车油耗分析研究

节能赛车的比赛除了要自主的设计及制作节能车以外，还需要考虑各种因素对比赛成绩——油耗的影响。

因为落实到根本上还是为了通过这个比赛展示各个学校学生的综合能力及学生的综合素质，但是从本质看、还得用实际结果证明一切，还需要用理论分析来考量节能赛车的各个影响因素。

从而有针对性地进行研究分析，得到更为合理的布局及整车的配置。

3.1传动效率为常数时的节能车油耗分析

车辆运行的能量来源是由消耗石油做功求得的，它是行驶阻力与驶过位移的乘积，并需要考虑到总的机械效率。

下面将要计算带有内燃机的汽车燃油消耗。

3.1

为了突出本质，我们做简化分析研究，假定在整个特性场内发动机和特性转换装置的效率是常数。

先考虑匀速行驶的情况，再考虑变速行驶的情况。

驱动轮上的功WR是由功率PR在时间间隔T内的积分求得

3.2

由于单轴驱动时候，如果假定r/R1，即忽略了驱动滑的情况，静止空气中的速度v，牵引力z，则有

3.3

如果低热值

的单位取为J/l，内燃机平均效率为

发动机飞轮到车轮的平均效率（即整个特性转换装置的效率）为

；则功WR（单位为J）和燃料消耗量B（单位为l）之间的关系式为

3.4

驱动的基本方程

其中FR滚动阻力，空气阻力FL，FSt上坡阻力，FB加速阻力把式（3.1）到（3.3）联立，并把燃料消耗量B被驶过的路程L除，则可求得燃料消耗（常用单位为l/100km）为

3.6

3.5

先考虑匀速行驶，有v=L/T=常数，v=0，FB=0加速阻力。

可得到一个简单关系式子

这就表明，只要发动机和特性转换装置的效率高，而同时滚动阻力，空气阻力和上坡阻力小，那么然后消耗是很低的，阻力低就意味着车重G，轮胎滚动阻力系数

，空气阻力系数

以及横截面积A都应该小。

只是最重要的一些要求。

3.7

在非匀速行驶时，由式3.5，考虑到加速和减速，平路行驶的关系式为

3.8

把积分式展开：

3.9

第一个积分等于平均行驶速

乘以时间T。

第二个积分，如果有v（t=0）=v（t=T），而且减速时能量能完全回储，那么应该为零。

第三个积分可以改写，取

3.10

假定

对

成对称分布，则有

，

，而有

式中为

标准差，

为方差，把它带入速度表达式。

这样由式（3.7）可得到

3.11

可见，尽管在制动时能量回储，但由于空气阻力和速度的关系是非线性的，但是速度的变化越大，燃料消耗增加就会越多。

因为比赛过程中的比的是节能，所以说设计上都是比较轻便的结构，加入回储备设备势必增加整车重量并且使赛车结构变得更为复杂。

为了简化分析，这里不考虑能量回储备对油耗的影响（即假定减速是能量完全回储）。

3.2影响燃油经济性的因素

从上面的分析结果可以看出来，主要有三组因素影响汽车燃油消耗：

发动机、传动系统和外部阻力因素。

其中，发动机是最大的影响要素，但赛车所用发动机由赛事主办方给定，因而本文主要讨论的是影响油耗的外部因素。

（1）发动机

发动机对燃油经济性的影响因素主要有压缩比、燃油供给、功率利用率等。

发动机中的热损失与机械损耗占燃油化学能中的65%左右，显然，发动机是对汽车燃油经济性最有影响的部。

（2）传动系

汽车传动系对燃油消耗的影响，取决于传动效率、变速器档数与传动比。

传动效率越高，则损失于传动系的能量愈少，因而燃油经济性也愈好，变速器的档位与传动比对燃油经济性也有影响。

随着变速器档位的增加，增加了选用合适档位使发动机处于经济工作状况的机会，从而保证汽车的经济性愈好。

（3）外部阻力因素

1）整车质量

汽车总质量为整备质量与装载质量之和，整备质量为汽车经整备后再完备状态下的自身质量，即指汽车在加满燃料、润滑油、工作油液（如制动液等）及发动机冷却液并装备（随车工具及备胎等）齐全后但未载人、载货时的总质量。

装载质量为最大货运质量与最大客运质量之和。

汽车总质量影响到汽车的滚动阻力、坡度阻力、惯性阻力和加速阻力，因此对汽车的燃油经济性影响最大。

因此，在汽车上广泛采用轻质材料，减轻汽车自重，是提高汽车燃油经济性的一个重要方向。

2）气阻力

汽车的外观主要有在高速行驶时的影响力上的燃油经济性，空气阻力，因此，流线型的车身，降低了空气阻力系数，可以提高燃油经济性。

为克服空气阻力而消耗的发动机功率与汽车行驶速度的立方成正比，汽车速度不高时，空气阻力对汽车的燃油消耗影响不大，因此在城区，由于行驶车速低，对油耗影响较小。

但是，当超过50公里每小时的速度，空气阻力对车辆的燃料经济性的影响逐渐减少，那么减少空气阻力主要是通过汽车的空气阻力系数来实现，汽车制造厂通过正常的风洞试验研究使汽车外形接近最优化。

3）动阻力

国外的实验研究表明：

当滚动阻力减小1N时，燃油消耗量减少0.01L/100km，或估算为f每减少10时，可节省燃油达0.6%～1.2%。

参照上述的分析资料。

在设计赛车的过程中：

由于发动机构特征对复杂，故使用拆除减重能减轻的重量有限；由于比赛中的发动机拆除了变速箱，采用直接传动，因此传动系统不做深刻讨论，那么节能赛车的节油性关键点就集中在了三个外部阻力因素上。

在节能车的设计中，如果不考虑发动机及车手的重量的话，影响质量最主要的因素便是车架了；对于滚动阻力，在车速不高的情况下，影响其最大的因素是其整车质量。

那么将三个外部因素集中起来考虑的话，节能车的节油特性研究的重点主要就放在了车架轻量化及降低空气阻力这两个方面的。

第四章节能车节能设计

4.1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。

4.1.1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。

图4.1示意图

●全高………………………………………………1.8m以下

●轴距………………………………………………1.0m以下

●全长………………………………………………3.5m以下

●轮距………………………………………………0.5m以下

●全宽………………………………………………2.5m以下

●管不能超出车身后面以及侧面10cm以上。

●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4.1。

表4.1节能车整车参数

项目

参数

总长

2345mm

总宽

700mm

总高

480mm

轴距

2530mm

前轮距

672mm

最小离地间隙

57.5mm

整备质量

55kg

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

长mm

宽mm

前高mm

后高mm

驾驶舱

1035

400

230

320

发动机舱

300

310

370

350

传动舱

570

250

350

335

4.1.2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，此时可以是简单的手绘或者草图，勾勒出车架的概念图。

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。

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4.2所示

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。

4.2关于车架材料的选择

4.2.1车架载荷工况的确定及受力分析

节能竞技车车架是主要的承载部件，在工作中不仅要支承节能竞技车上各部件如车身自重、蓄电瓶和驾驶员的重量等静态载荷，还要承受发动机工作时的动载荷以及地面通过减震装置传来的支反力、张紧缓冲力等的作用，在加速牵引和制动时，还要受到惯性力的作用，可见车架在保证节能竞技车整机使用可靠性方面起着十分重要的作用。

4.2.2车架载荷工况的确定

由于节能竞技车为竞技车辆的特殊性，路况单