节能赛车车架轻量化设计*

刘章棋，付龙虎，汪异



节能赛车车架轻量化设计*

刘章棋，付龙虎，汪异

（泸州职业技术学 院机械工程学院，四川 泸州 646000）

根据本田Honda中国节能竞技大赛规则，文章主要从材料、车轮布置型式、车架设计等方面，对赛车车架进行轻量化设计，以实现节能环保的目标。

车架；节能；环保

前言

大量的燃油汽车，带来了燃油紧缺和大气环境污染问题。加快培育和发展节能环保汽车，是我国汽车工业可持续发展的必然选择。Honda本田中国技研部于2006年开始每年在中国举办本田Honda节能竞技大赛。根据能源不同，大赛分为燃油组比赛和电动组（EV）比赛。燃油组比赛由Honda本田公司提供一台汽油摩托车发动机，各车队自行设计车架、车身、电器等。在规定时间内，赛车跑完比赛赛程，计算比较各参赛队燃油节能车消耗的燃油量。电动组比赛是由Honda本田公司提供电压12V容量为3A.h的两块新电池，各车队自行设计一辆电动节能车，平均速度必须在25Km/h以上，比较各车队电动节能车行驶的赛道里程。

1 车架设计要求

节能赛车与普通轿车的结构布局相似，由动力系统、底盘、车身、电器四大部分组成。为了实现省油或省电，节能赛车需减少整车重量、优化车身气动布局、选好车轮布置型式等。车架是节能赛车的骨架，大约为节能赛车重量的一半。优化车架设计，可以减少节能赛车整体重量。车架要承受整车和车手的重量，所以车架应有足够的强度和刚度，具备承受各种冲击载荷的能力。车架设计一要结构合理，强度刚度大，变形量小。车架如果变形严重，影响车轮的行驶轨迹，车轮之间会相互干扰，能量消耗相当大，整个节能赛车行驶稳定性差。二要质量尽量轻。质量越轻车轮变形量越小，滚动阻力小，节能车能耗就越小。三要满足赛事对车辆的被动安全性要求，具有一定的抗碰撞能力。

2 车架材料选择

节能车架材料选择应满足应用广泛，价格低、密度小、质量轻、强度高、焊接性等基本要求。铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。铝合金的焊接性能较碳钢差。45#中碳调质结构钢。具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。适合于二氧化碳保护焊和氩弧焊，不太适合于气焊。45#钢应用广泛，价格低，焊接性能好，机械加工性能优异。304不锈钢是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢 ，作为一种用途广泛的钢，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性；冲压、弯曲等热加工性/可焊性好，无热处理硬化现象。碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性。碳纤维作为汽车材料，最大的优点是质量轻、强度大，重量仅相当于钢材的20%到30%，硬度却是钢材的10倍以上。碳纤维不能焊接，车架成型难度大。

综合比较以上四种常用材料的密度、强度和刚度，以及焊接性、机械加工性能、成型难度等，节能赛车采用45#中碳调质结构钢。

3 车轮布置型式选择

为了减小车辆的车轮行驶阻力，节能车采用两个前轮一个后轮的布置型式。节能车驱动方式采用发动机中置，后轮驱动。即两个前轮为转向轮，一个后轮为驱动轮。两个前轮可提高节能车的转向时的行驶稳定性，一个后轮直接由发动机利用链条驱动，这样省略了差速器和驱动半轴，使结构显著简化，降低了车辆成本，减轻了车架重量。但是，与四轮车辆相比，三轮车辆的行驶稳定性较差，需降低车辆的整体重心，以及减小转弯角度，以避免三轮车辆的侧翻。

4 确定车架结构

为了提高节能赛车的滑行性能，需提高车轮定位的精度，减少车架重量。在满足驾驶员能够乘坐的情况下，轮距和轴距越小，车架变形量就越小，车轮定位变化越小，同时车架重量也越轻。因此，赛车车架设计为轮距45mm，轴距180mm（如图1）。整个车架为一个平面，相较空间车架，更能容易保证车轮定位精度，同时易于制作。参考货车边梁式车架，节能赛车车架设计为等腰梯形，更宽的前轴可以提高转弯特性，减小赛车转弯时的侧翻倾向，从而提高行驶稳定；将发动机后置，位于驾驶员的后背下，这样显著缩短了轴距，减少了纵向的弯曲变形；采用后轮驱动型式，发动机通过一条链条驱动后轮，可以获得更大的驱动力。

图1

5 受力分析

5.1 匀速行驶工况分析

赛车在匀速行驶中，车架承受来自自身质量、驾驶员质量、发动机质量等载荷。设车架及附件重量m1为20 kg，驾驶员重量m2为50 kg，发动机总成重量m3为15 kg，则：

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 为车架及附件引起的外部负载；F2 为驾驶员引起的外部载荷；F3 为发动机总成引起的外部载荷；g 为重力加速度。

以上各种力的和作为均布力施加在相应承受杆上，通过Standard Earth Gravity 施加，结合实际工况模拟施加位移约束，各点的应力和车架变形情况符合要求。

5.2 加速工况分析

赛车在加速行驶中，车架承受来自自身质量、驾驶员质量、发动机质量等产生的惯性力。设车架及附件重量m1为20 kg，驾驶员重量m2为50 kg，发动机总成重量m3为15 kg，并对上一代节能赛车进行测试，得出最大加速度为7 m/s2，通过计算得出自身质量、驾驶员质量及发动机质量产生的惯性力为：

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 为车架及附件重量引起的惯性力；F5为驾驶员引起的惯性力；F6为发动机总成重量引起的惯性力；a 为赛车的加速度。通过Standard Earth Gravity 施加，结合实际工况模拟施加位移约束，各点的应力和车架变形情况符合要求。

6 结论

根据本田Honda中国节能竞技大赛规则，节能赛车选用了经济性好，强度高的中碳钢作为车架材料，对赛车车架进行了轻量化设计，使其结构简单，强度高，并通过了实车路试检验，达到了节能环保的目标。

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

刘章棋（1982.11-），男，就职于泸州职业技术学院机械工程学院，主要研究方向：汽车设计与维修。

论文用于泸州职业技术学院院级课题，名称：节能车车架结构优化设计。课题编号：K-1815。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.048