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黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 概述 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2研究的目的和意義 1
1.1.3課題和現(xiàn)狀 2
第2章 節(jié)能競(jìng)技車總體設(shè)計(jì)方案確定 5
2.1整車設(shè)計(jì)目標(biāo) 5
2.2駕駛室形式的選擇 6
2.3車架材料的選定 7
2.4車架形式的選定 8
2.5驅(qū)動(dòng)形式的選擇 8
2.6轉(zhuǎn)向形式的選擇 9
2.7 制動(dòng)系統(tǒng)的選擇 11
2.8車輪型號(hào)與輪胎的選擇 11
2.9本章小結(jié) 12
第3章 參數(shù)的收集和計(jì)算 13
3.1 參數(shù)的影響 13
3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的要求和目標(biāo) 13
3.3 參數(shù)的計(jì)算及思路 14
3.3.1人機(jī)工程參數(shù)的計(jì)算 14
3.3.2轉(zhuǎn)彎特性相關(guān)參數(shù)計(jì)算 17
3.3.3質(zhì)心幾何坐標(biāo)的測(cè)量 19
3.3.4抗側(cè)翻性的計(jì)算 21
3.4各總成的相關(guān)計(jì)算 22
3.4.1制動(dòng)總成的相關(guān)計(jì)算 22
3.4.2發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率及其轉(zhuǎn)速 23
3.4.3發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩 23
3.4.4變速器檔位數(shù)傳動(dòng)比的選擇 23
3.5整車滾動(dòng)阻力和空氣阻力對(duì)節(jié)油能力的影響 24
3.6本章小結(jié) 26
第4章 基于UG的H3號(hào)車總體設(shè)計(jì) 28
4.1 UG軟件的產(chǎn)品介紹 28
4.2 UG設(shè)計(jì)界面 28
4.2.1設(shè)計(jì)流程 29
4.2.2 參數(shù)的選擇 29
4.3 基于UG的各部件的設(shè)計(jì) 31
4.3.1 主體尺寸的確定 32
4.3.2 轉(zhuǎn)向總成的設(shè)計(jì) 34
4.3.3制動(dòng)總成的設(shè)計(jì) 36
4.3.4驅(qū)動(dòng)部分的建模 37
4.3.4車身部分的建模 40
4.4 H3號(hào)車的總體裝配 41
4.5 H3號(hào)車的人機(jī)效應(yīng) 41
4.6本章小結(jié) 45
第5章 基于ADAMS的運(yùn)動(dòng)校核 46
5.1 ADAMS簡介 46
5.2運(yùn)動(dòng)校核的目標(biāo) 46
5.3運(yùn)動(dòng)校核的流程 47
5.4校核完成后對(duì)轉(zhuǎn)向的改良 51
5.5本章小結(jié) 52
結(jié) 論 53
參考文獻(xiàn) 54
致謝 56
附錄 57
第1章 緒 論
1.1 概述
由于世界范圍內(nèi)石油資源的短缺,節(jié)約使用石油產(chǎn)品,已成為人們的共識(shí)。目前,節(jié)油技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)、制造以及使用方面已得到了廣泛的應(yīng)用,并朝著多元化的趨勢(shì)發(fā)展。讓人記憶猶新的1973年石油危機(jī),曾觸發(fā)石油價(jià)格上升4倍以上,從此汽車業(yè)開始了降低燃油消耗量的長期努力。到目前為止,節(jié)油技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)、制造以及使用方面已得到了廣泛的應(yīng)用,并朝著多元化的趨勢(shì)發(fā)展
1.1.1 研究背景
本田節(jié)能競(jìng)技大賽是將參賽團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作的汽車在規(guī)定時(shí)間、規(guī)定路線下，行駛一定距離，并由此換算出一升油能夠行駛的公里數(shù)，耗油量少則勝出的一項(xiàng)賽事。其中參加比賽的車輛均搭載由本田技研工業(yè)投資有限公司開發(fā)的Honda彎梁車的125cc化油器低油耗四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。
Honda節(jié)能競(jìng)技大賽于1981年在日本創(chuàng)辦，至今已有30年的歷史。比賽要求參賽車輛使用統(tǒng)一的Honda低油耗汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)以外的車架和車身等完全由各車隊(duì)獨(dú)自創(chuàng)作，每支參賽隊(duì)帶來的都是世界上獨(dú)一無二的賽車。賽車在指定的賽道內(nèi)跑完賽程，比賽誰消耗的燃油最少。由于有著極高的樂趣性和廣泛的參與性，中國作為繼日本泰國之后的第三個(gè)舉辦地，于2006年在上海舉行了試行大賽，2007年11月11日，第1屆Honda中國節(jié)能競(jìng)技大賽在上海國際賽車場(chǎng)圓滿舉行，2008年11月16日，第2屆Honda中國節(jié)能競(jìng)技大賽在上海國際賽車場(chǎng)勝利舉辦。Honda節(jié)能競(jìng)技大賽的目的是通過比賽提高社會(huì)的節(jié)能和環(huán)保意識(shí)，參賽車隊(duì)通過各項(xiàng)獨(dú)創(chuàng)技術(shù)不斷挖掘一升汽油的無限潛能，從中體會(huì)到節(jié)能的重要性。同時(shí)，比賽也為參賽者提供體驗(yàn)親手制作賽車的樂趣的機(jī)會(huì)，提高實(shí)踐能力。Honda創(chuàng)始人本田宗一郎曾說，節(jié)能競(jìng)技大賽的宗旨在于“讓肩負(fù)著人類未來的年輕人通過思考和實(shí)踐來體會(huì)
1.1.2研究的目的和意義
20世紀(jì)80年代以來對(duì)汽車安全性、行駛平順性、操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性的要求越來越高， 然而，汽車本身是一個(gè)復(fù)雜的多體系統(tǒng)集合，外界載荷的作用更加復(fù)雜、多變，人、車、環(huán)境三位一體的相互作用，致使汽車動(dòng)力學(xué)模型的建立、分析、求解始終是一個(gè)難題)基于以往的解決方法，需經(jīng)過多輪樣車試制，反復(fù)的道路模擬試驗(yàn)和整車性能試驗(yàn)，不僅花費(fèi)大量的人力、物力，延長設(shè)計(jì)周期，而且有些試驗(yàn)因其危險(xiǎn)性而難以進(jìn)行) 因此對(duì)車輛的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真顯得十分必要)。本設(shè)計(jì)是以參賽車輛為項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，以節(jié)油和完成比賽為目標(biāo)來進(jìn)行汽車的總體布置已達(dá)到學(xué)習(xí)和制造驗(yàn)證相結(jié)合的效果。
1.1.3課題和現(xiàn)狀
汽車總布置設(shè)計(jì)是通過對(duì)整車設(shè)計(jì)的總體規(guī)劃來確立車身、底盤、動(dòng)力總成等系統(tǒng)之間的配置關(guān)系、重量、法規(guī)和整車的性能指標(biāo)?？偛贾迷O(shè)計(jì)首先是確定設(shè)計(jì)硬點(diǎn)（Hardpoint）。設(shè)計(jì)硬點(diǎn)是將底盤、車身以及其它零部件之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，通過基本的線、面和基準(zhǔn)點(diǎn)，以及控制結(jié)構(gòu)和參數(shù)來表達(dá)。在主要設(shè)計(jì)硬點(diǎn)確立以后，造型、車身、底盤等設(shè)計(jì)就有了共同參照的依據(jù)和遵循的規(guī)范，各個(gè)子項(xiàng)目分頭展開。還需要兼顧到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和非運(yùn)動(dòng)部件的關(guān)系有機(jī)的協(xié)調(diào)，避免零部件之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)干涉、人機(jī)工程學(xué)和舒適性設(shè)計(jì)等等。
總體設(shè)計(jì)包含多個(gè)學(xué)科需要在各種條件要求下做出平衡和取舍，這就產(chǎn)生了很多總體設(shè)計(jì)的方法。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)是以已有產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，運(yùn)用一些帶有經(jīng)驗(yàn)常數(shù)或安全系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的一種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)由于缺乏精確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和科學(xué)的計(jì)算方法，使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不是過于笨重就是可靠性差。一種新車型的開發(fā)，往往要經(jīng)過設(shè)計(jì)—試制—試驗(yàn)—改進(jìn)設(shè)計(jì)—試制—試驗(yàn)等二次或多次循環(huán)。反復(fù)修改圖紙，完善設(shè)計(jì)后才能定型，設(shè)計(jì)周期長，質(zhì)量差，消耗大。隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展與完善，在汽車設(shè)計(jì)過程中引進(jìn)新的測(cè)試技術(shù)，和各種專用的試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，從各方面對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能和零部件的強(qiáng)度、壽命進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)廣泛采用近代數(shù)學(xué)物理分析方法，對(duì)產(chǎn)品及其總成、零部件進(jìn)行全面的技術(shù)分析、研究，這樣就使汽車設(shè)計(jì)發(fā)展到以科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)分析為基礎(chǔ)的階段。電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和在工程設(shè)計(jì)中的推廣應(yīng)用，使汽車設(shè)計(jì)技術(shù)飛躍發(fā)展，設(shè)計(jì)過程完全改觀。汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能參數(shù)等的優(yōu)化選擇與匹配，零部件的強(qiáng)度核算與壽命預(yù)測(cè)，產(chǎn)品有關(guān)方面的模擬計(jì)算或仿真分析，都在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。這種利用計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法，統(tǒng)稱為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)。隨著計(jì)算機(jī)在汽車設(shè)計(jì)中的推廣應(yīng)用，一些近代的數(shù)學(xué)物理方法和基礎(chǔ)理論方面的新成就，在汽車設(shè)計(jì)中也日益得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)，除傳統(tǒng)的方法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法外，還引進(jìn)了最優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、有限元分析、計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算或仿真分析、模態(tài)分析等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與分析手段，甚至還引進(jìn)了雷達(dá)防撞、衛(wèi)星導(dǎo)航、智能化電子儀表及顯示系統(tǒng)等商新技術(shù)。
數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)可使企業(yè)各部門同時(shí)在同一個(gè)產(chǎn)品模型上工作、因而可以減少大量不必要的等待時(shí)間。減少或避免與傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)過程業(yè)務(wù)（例如反復(fù)制作模型，并對(duì)原型進(jìn)行手工實(shí)驗(yàn)分析）上所投入的時(shí)間和費(fèi)用。同時(shí)還能在設(shè)計(jì)過程中及早地發(fā)現(xiàn)和解決問題。例如美國克萊斯勒汽車公司采用“克萊斯勒數(shù)據(jù)可視化”軟件在新產(chǎn)品98型汽車上發(fā)現(xiàn)1500多處零件干涉，并在制作的第一個(gè)實(shí)物模型之前進(jìn)行了修改和調(diào)整，結(jié)果避免了大量時(shí)間浪費(fèi)和失誤。
在人機(jī)工程中CAD技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。其中如UG/CATIA等建模軟件都制作了基于汽車的人機(jī)工程學(xué)模塊，西化大學(xué)的吳超碩士曾經(jīng)提出通過UGS 對(duì)主圖板上的H 點(diǎn)位置進(jìn)行驗(yàn)算確定后，由于二維人體模型不能滿足“人－車－環(huán)境”中三維位置驗(yàn)證的需要，而三維人體模型在駕駛員座椅位置布置時(shí)的作用是無可替代的。CATIA V5 的人體模型是基于最佳人體模型系統(tǒng)建立起來的，具有直觀、數(shù)字化和交互式的特點(diǎn)，能夠被用于非常精確地人體仿真、虛擬人體與工作環(huán)境之間的關(guān)系的驗(yàn)證。
上海大眾的王海波吳鳳艷李炭認(rèn)為想要設(shè)計(jì)好一款車的總布置人機(jī)工程尤為重要，而要想做好人機(jī)工程需從兩個(gè)方面加以注意a．掌握人體尺寸的測(cè)量數(shù)據(jù)，其中不但包括靜態(tài)尺寸，還需包括動(dòng)態(tài)尺寸；不但要?jiǎng)澐帜挲g及高矮，還需區(qū)分人體特征，如胖瘦、腿長短等；以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立標(biāo)準(zhǔn)的中國人體模型數(shù)據(jù)庫。對(duì)中國人的活動(dòng)能力大小進(jìn)行研究，其中最關(guān)鍵的是手操縱力、腳操縱力等。
在確定汽車軸距輪距的過程中應(yīng)該著力解決轉(zhuǎn)彎內(nèi)偏角、側(cè)傾、側(cè)翻、輪胎側(cè)滑、操縱平穩(wěn)性等行駛安全參數(shù)之間的平衡。其中在國家質(zhì)檢總局的關(guān)于汽車側(cè)翻的報(bào)告上提出如下結(jié)論（1）通過建模仿真的分析方法，可以有效輔助汽車缺陷等引起的風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估研究。（2）通過仿真試驗(yàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)模式分析可知，只要不駛離道路，正常情況下單向急轉(zhuǎn)不易引起側(cè)翻。（3）一旦車輛轉(zhuǎn)向側(cè)滑撞上路肩或駛?cè)肼吠飧吒街禂?shù)區(qū)域，絆倒側(cè)翻容易發(fā)生。
長安大學(xué)的趙巖認(rèn)為節(jié)能車在轉(zhuǎn)向盤保持一固定轉(zhuǎn)角正。緩慢加速或以不同車速等速行駛時(shí)，隨著車速的增加，不足轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑R增大；中性轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑R維持不變：而過多轉(zhuǎn)向汽車的轉(zhuǎn)向半徑R則越來越小。操縱穩(wěn)定性良好的汽車應(yīng)具有適度的不足轉(zhuǎn)向特性。一般汽車不應(yīng)具有不足轉(zhuǎn)向特性，也不應(yīng)具有中性轉(zhuǎn)向特性，因?yàn)橹行赞D(zhuǎn)向特性汽車在使用條件變動(dòng)時(shí)，有可能轉(zhuǎn)變?yōu)檫^多轉(zhuǎn)向特性。武漢理工大學(xué)的楊燦還從adams模態(tài)分析中得出如下結(jié)論1)汽車在不同的路面以不同的車速行駛，其行駛平順性各不相同，汽車的行駛車速及路譜對(duì)汽車行駛平順性有重大影響；2)調(diào)整節(jié)能車懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)，能夠明顯改善節(jié)能車在特定賽道和已規(guī)定車速行駛的平順性：3)改變整車的固有頻率可以減小路面不平所激起的車身振動(dòng)或使車身振動(dòng)的峰值頻率偏離原對(duì)應(yīng)的某階模態(tài)頻率，以改善汽車的行駛平順性。
目前，國內(nèi)的整車總布置設(shè)計(jì)，與底盤及動(dòng)力系統(tǒng)的狀況相似，設(shè)計(jì)和匹配試驗(yàn)的能力和發(fā)達(dá)的國家比較，雖然進(jìn)行了部分的數(shù)字化開發(fā)技術(shù)但還存在一定的差距。本文嘗試以前沿的研發(fā)技術(shù)為參考大量運(yùn)用目前已經(jīng)成熟的電腦建模技術(shù)，虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行裝配、制造、模擬以求最大限度的節(jié)省設(shè)計(jì)制造工程中的時(shí)間。
第2章 節(jié)能競(jìng)技車總體設(shè)計(jì)方案確定
2.1整車設(shè)計(jì)目標(biāo)
量產(chǎn)車的新車型在設(shè)計(jì)之初需要明確設(shè)計(jì)目標(biāo)。主要是根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研和設(shè)計(jì)要求結(jié)合公司的人員的技術(shù)水平提出對(duì)某型號(hào)車的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)目標(biāo)其中包括目標(biāo)成本、通用性、載客量適用范圍等等。其中總體設(shè)計(jì)工作應(yīng)滿足如下要求：
（1）汽車的各項(xiàng)性能、成本等，要求達(dá)到企業(yè)在商品設(shè)計(jì)計(jì)劃中所確定的目標(biāo)。
（2）嚴(yán)格遵守和貫徹有關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，注意不要侵犯專利。
（3）盡最大貫徹三化即標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化。
（4）進(jìn)行有關(guān)的運(yùn)動(dòng)校核，保證正確的運(yùn)動(dòng)并避免運(yùn)動(dòng)干涉。
（5）拆裝與維修方便。
由于是參加節(jié)能競(jìng)技大賽，所以設(shè)計(jì)目標(biāo)有很大的不同。根據(jù)參賽的要求首先要保證大賽要求的設(shè)計(jì)。本次比賽由本田公司承辦，大賽委員會(huì)對(duì)整車參數(shù)的設(shè)計(jì)有如下的要求如下表 ：
表2.1總體尺寸表
全高
1.8m以下
排氣管
超出車身10cm以上
軸距
1.0以上
全長
3m3.5以下
輪距
0.5以上
倒視鏡
可以看到車尾其面積小于 40cm2
全寬
2.5m以下
座椅
要求臀部和地面之間有隔板
同時(shí)本田公司對(duì)其提供的發(fā)動(dòng)機(jī)也有如下的要求：
（1）同時(shí)要求搭載HONGDA wh125-6市售風(fēng)影發(fā)動(dòng)機(jī)
（2）化油器部分要求一小時(shí)自然吸油一升，不能有增壓裝置
（3）油路要保證透明且油路系統(tǒng)不能有電磁閥
（4）曲軸部分只能加工不能更換
根據(jù)大賽要求和參賽目標(biāo)制定如下設(shè)計(jì)目標(biāo):
表2.2目標(biāo)尺寸表
性能目標(biāo)：一升97號(hào)汽油1000公里。
整車質(zhì)量：50kg以下
整車長度：3200mm以下
整車寬度：500mm以上
搭載人員：一人且體重不超過50kg
整車高度：控制在650mm以下
視野要求：保證駕駛員有九十度教的視野范圍，可以看到800mm的物體。
照明設(shè)備：無（比賽時(shí)）
剎車部分：兩套獨(dú)立剎車系統(tǒng)
安全性： 保證發(fā)生事故時(shí)駕駛員可以獨(dú)自從駕駛室出入，駕駛員和發(fā)動(dòng)機(jī)之間需要有一個(gè)隔熱裝置
2.2駕駛室形式的選擇
本節(jié)對(duì)節(jié)油車車的總體形式的選擇進(jìn)行了概括性的論述，對(duì)各形式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡單的評(píng)估并從中選擇最適合的方案進(jìn)行更進(jìn)一步的論證。節(jié)能車的形式跟普通汽車的形式有很大差別的，因?yàn)槠渖a(chǎn)的目的是節(jié)油也就是說可以在設(shè)計(jì)上犧牲掉部分動(dòng)力性、安全性、舒適性、和操縱性。經(jīng)過對(duì)以往比賽的調(diào)查研究和通過理論分析可以大體上把整車的形式分為如下幾種形式。四輪行駛兩輪驅(qū)動(dòng)、三輪行駛一輪驅(qū)動(dòng)、三輪行駛兩輪驅(qū)動(dòng)、兩輪行駛兩輪輔助的形式。當(dāng)然發(fā)動(dòng)機(jī)也有前置和后置兩種情況與其組合。下面對(duì)比一下各個(gè)布置的優(yōu)缺點(diǎn)。
1.前兩輪后兩輪 不論是前兩輪驅(qū)動(dòng)還是后兩輪驅(qū)動(dòng)都無法回避轉(zhuǎn)彎時(shí)兩輪的速度差的問題，也就是說需要設(shè)計(jì)一個(gè)非常小的差速器且滿足摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過變速后輸出的轉(zhuǎn)矩。首先需要設(shè)計(jì)一個(gè)差速器和半軸還要最大限度的降低傳動(dòng)效率的損失，第二點(diǎn)還要找到可以加工的單位如果找不到的話，還要自行加工且精度要求越高越好。即便做了下來它的傳動(dòng)效率損失和三輪相比也是非常大的而且四輪車的行駛和轉(zhuǎn)彎時(shí)的阻力也是較三輪車大的。也就是說除了穩(wěn)定性好之外是沒有其它優(yōu)點(diǎn)的。
2.前一輪后兩輪 這種布置形式在其他隊(duì)伍中是有才用的而且也取得了很好的成績的如簡圖2.3所示。它具有如下的優(yōu)點(diǎn)（1）轉(zhuǎn)向輕便,（2）因?yàn)楹驼蛉嗆囉泻芏嘞嗨频牡胤剿詷?gòu)件采購容易加工上也比較方便。（3）不需要加工車車輪定位結(jié)構(gòu)如內(nèi)傾、外傾、前束、后傾等。缺點(diǎn)（1）行駛穩(wěn)定性不好在高速下容易翻車。（2）轉(zhuǎn)彎時(shí)前軸受徑向力力比較大，如要采用這種形式需要對(duì)前輪進(jìn)行加固工藝上比較困難。（3）如果是發(fā)動(dòng)機(jī)前置整車高度會(huì)上升且駕駛員視線難以保證，且需要差速器等機(jī)構(gòu)。（4）如果是后輪驅(qū)動(dòng)會(huì)遇到與前兩輪驅(qū)動(dòng)一樣的問題。（5）運(yùn)用空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識(shí)分析較優(yōu)秀的風(fēng)阻系數(shù)模型應(yīng)該是仿水滴形這樣前一輪的布置方式很難達(dá)到。
圖2.3 前一輪后兩輪示意圖
3.前兩輪后一輪 這種布置形式也被俗稱逆三輪車在各種節(jié)能車大賽上被廣泛的運(yùn)用如圖2.4所示，也就是說在實(shí)際比賽中已經(jīng)被驗(yàn)證是很實(shí)用的。經(jīng)過理論上的研究也可以得出如下的優(yōu)缺點(diǎn)。它的優(yōu)點(diǎn)有（1）直線行駛平穩(wěn)。（2）后輪驅(qū)動(dòng)不需另行設(shè)計(jì)差速系統(tǒng)傳動(dòng)效率高。（3）行駛阻力和四輪車相比要小得多。（4）轉(zhuǎn)彎時(shí)前軸所受側(cè)向力要有比單輪時(shí)小的多（5）空氣動(dòng)力學(xué)外形可以得到結(jié)構(gòu)上的保證，充分利用現(xiàn)有的空間保證了前寬后窄的外形設(shè)計(jì)。
2.3車架材料的選定
車架材料的選定應(yīng)該同時(shí)考慮重量、強(qiáng)度、加工難易程度和價(jià)格等因素。因?yàn)閺墓?jié)油性的角度出發(fā)希望車架越輕越好，但從完成比賽的角度出發(fā)強(qiáng)度應(yīng)該越高越好，這樣就要在強(qiáng)度和價(jià)格上做出取舍。經(jīng)過調(diào)研可供選擇的材料有，方形鋼管、原型鋼管、鋁型材、鋁板、鋁管、鈦合金管材。如果是承載式車身的話還可以用碳纖維。但綜合經(jīng)費(fèi)承擔(dān)能力最終選擇了鋁型材作為車架的主要材料，鋁型材有如下優(yōu)點(diǎn)。（1）鋁合金的密度是鋼的密度的1/2強(qiáng)度卻接近于或超過鋼。（2）成本上也比其他高強(qiáng)度材料要便宜得多成本上易于實(shí)現(xiàn)。（3）加工上沒有困難也可以代工。
圖2.4 前兩輪后一輪簡圖
2.4車架形式的選定
車架的形式大體上分為整體式如圖2.5、箱型如圖2.6、梯形式2.7、衍架式如圖2.8，他們均具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。衍架式車架剛度高、整體強(qiáng)度高、轉(zhuǎn)彎時(shí)抗側(cè)向力能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是重量難以控制。邊梁式車間優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、質(zhì)量輕，缺點(diǎn)是剛度低、強(qiáng)度難以保證。整體式車身具有邊梁式和衍架式的所有優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是造價(jià)高昂且自行完成困難。經(jīng)過論證決定采用衍架式車架。
2.5驅(qū)動(dòng)形式的選擇
因?yàn)椴捎昧饲皟奢喓笠惠喌牟贾眯问剿则?qū)動(dòng)形式?jīng)Q定采用發(fā)動(dòng)機(jī)后置后輪驅(qū)動(dòng)，這樣駕駛員的視線可以得到保障也不需要安裝差速結(jié)構(gòu)同時(shí)也可以對(duì)質(zhì)心的位置進(jìn)行配重（駕駛員在前）且降低了制作的難度。（1）發(fā)動(dòng)機(jī)由于采用了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)配置所以不存在選型問題但可以對(duì)其變速器和箱體進(jìn)行改造和輕量化。（2）變速機(jī)構(gòu)決定拆掉原有變速器以一排行星齒輪代替，其優(yōu)點(diǎn)是去掉了多余的重量提供了一個(gè)更優(yōu)的傳動(dòng)比同時(shí)行星齒輪的傳動(dòng)更穩(wěn)定占用空間也比較小缺點(diǎn)是重量比較大、可能需要再加工。（3）檔位決定以一個(gè)傳動(dòng)比行駛主要考慮結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和加工能力的局限。
圖2.5碳纖維無骨架符合車身
2.6轉(zhuǎn)向形式的選擇
轉(zhuǎn)向形式以使駕駛員操縱方便，轉(zhuǎn)彎靈活加工難度小為目標(biāo)?？蛇x的方案有中央支撐式和阿卡曼式，其中中央支撐式有轉(zhuǎn)彎費(fèi)力操縱不靈活的弊端。阿卡曼式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)就是在該車全程轉(zhuǎn)彎過程中瞬時(shí)圓心始終保持不變且圓心在后軸的延長線上。由于前輪載荷不是很大且附著力非常的小，所以過彎時(shí)地面阻力不會(huì)很大不需要助力裝置，只需要適當(dāng)延長轉(zhuǎn)向臂就可以達(dá)到要求。但是在這里也要考慮傳動(dòng)比的大小因?yàn)檫@影響到駕駛員的操縱習(xí)慣反省時(shí)間即閉環(huán)控制的精確程度。通過汽車?yán)碚摰膶W(xué)習(xí)可以確定不轉(zhuǎn)向?qū)︸{駛員的操縱需求是最舒服的。
圖2.6鋁制箱型車架
圖2.7鋼管梯形車架
圖2.8衍架式車身
2.7 制動(dòng)系統(tǒng)的選擇
制動(dòng)系統(tǒng)由大賽規(guī)則確定要求即在11°的斜坡上能保證停留，而且制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)平時(shí)訓(xùn)練整車的操縱安全性都有很高的保證。經(jīng)過調(diào)查研究決定采用兩套高效V閘其價(jià)格性對(duì)便宜質(zhì)量與其它制動(dòng)件相比較輕，因?yàn)榍拜S的定位尺寸控制嚴(yán)格所以決定采用后剎系統(tǒng)。
2.8車輪型號(hào)與輪胎的選擇
在技能經(jīng)濟(jì)車的研發(fā)過程當(dāng)中，車輪的型號(hào)的選取也是非常重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)樗P(guān)系到滾動(dòng)阻力的大小，迎風(fēng)面積的大小，操縱穩(wěn)定性的保證等等 。
首先要選擇車輪的的尺寸，這和迎風(fēng)面積，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，接近角有直接關(guān)系。大車輪滾動(dòng)阻力大穩(wěn)定性好，小車輪滾動(dòng)阻力小操縱靈活但穩(wěn)定性差。輪胎的選擇遵循滾動(dòng)阻力小可承受高壓，高載荷，測(cè)偏剛度大的輪胎。經(jīng)過論證決定選擇20inch自行車輪圈輪胎采用米其林寬面高壓光胎。需要注意的是自行車輪胎和車軸是不受側(cè)向力的而節(jié)能競(jìng)技車的車輪和車軸是要受側(cè)向力的。根據(jù)車輛類型、總質(zhì)量、道路條件、車速及其他特殊要求，合理地選擇輪胎。
輪胎選擇的好壞直接影響整車的使用性能，如動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、通過性、安全性等。因此必須按使用要求、道路條件和國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理的選擇。一般在汽車滿載時(shí)，輪胎所受的靜負(fù)荷應(yīng)等于小于它的額定負(fù)荷（約 0.9—1.0） 。這主要根據(jù)車輛的使用情況和道路條件而定，在條件比較好的情況下－不超載、道路條件好，輪胎的靜負(fù)荷可與額定負(fù)荷相等或相近，氣壓也可選高一點(diǎn)，這樣會(huì)提高整車的經(jīng)濟(jì)性能。由于是節(jié)油車大賽所以經(jīng)濟(jì)性非常的重要，這樣胎壓的要求就會(huì)很高正常的乘用轎車胎壓一般夏季2.0-2.5，冬季偏高一點(diǎn)兒，而H2號(hào)車的胎壓 在8.0~9.0以上這是因?yàn)樽孕熊囕喬タ沙惺芨邏旱奶匦?，其中高?jí)的米其林告訴光胎可以承受更高的胎壓據(jù)資料上顯示可達(dá)到14.0這就為經(jīng)濟(jì)型節(jié)油能力提供了很好的數(shù)據(jù)。輪胎選擇的另一個(gè)關(guān)鍵因素是車速。隨著高速公路的發(fā)展和道路條件的改善，現(xiàn)代汽車的車速越來越高，對(duì)于輪胎來說，車速越高，輪胎的發(fā)熱量也越大，致使輪胎的磨損和壽命都受到影響。輪胎的額定負(fù)荷能力是在一定車速下給定的，超過該車速長期使用合適輪胎的壽命急劇下降。 但比賽是的車速不會(huì)很高因?yàn)橐ɑ鸹凶罡哕囁偈歉鷵?jù)最低車速制定的所以對(duì)輪胎的影響很小。
2.9本章小結(jié)
本章對(duì)H3號(hào)節(jié)能車的布置形式、驅(qū)動(dòng)形式、材料的選型、轉(zhuǎn)向方式的確定都做了論證和對(duì)比并根據(jù)自身的要求進(jìn)行了選擇，為接下來的后續(xù)計(jì)算奠定了基礎(chǔ)和確定了方向。
第3章 參數(shù)的收集和計(jì)算
3.1 參數(shù)的影響
H3號(hào)車的總布置主要參數(shù)包括整車的長、寬、高、離地間隙、軸距、輪距以及車架的最長最寬尺寸。以及發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率，變速器的最大最大最小傳動(dòng)比等等。在設(shè)計(jì)之初可以確定幾個(gè)設(shè)計(jì)硬點(diǎn)，其他尺寸在保證設(shè)計(jì)硬點(diǎn)的基礎(chǔ)上可以有所變化。硬點(diǎn)尺寸直接關(guān)系到整車的性能。整車的主要尺寸對(duì)整車的性能有如下影響：
軸距L： 對(duì)整備質(zhì)量、總長、最小轉(zhuǎn)彎半徑、縱向通過半徑有影響， 還對(duì)軸荷分配有影響。過短時(shí)會(huì)使制動(dòng) 、上坡、加速時(shí)軸荷轉(zhuǎn)移過大，使汽車制動(dòng)性和操縱性變壞，縱向角振動(dòng)大。
輪距：對(duì)整車的整寬、總質(zhì)量、側(cè)傾剛度、最小轉(zhuǎn)彎半徑有關(guān)。輪距大有利于剛度上升，橫向穩(wěn)定性變好，但輪距不宜過大。
前懸：（因?yàn)楸拒嚍榱斯?jié)油盡可能的提高了整車的剛度所以取消了懸架機(jī)構(gòu)，這樣前懸就被用來定義前軸到整車最前端的部分。） 通過性、碰撞安全性、視野 范圍、接近角等。
質(zhì)量系數(shù)y軸荷分配：質(zhì)量系數(shù)反映了汽車的設(shè)計(jì)工藝水平，軸荷分配對(duì)輪胎的磨損均勻和壽命相近，要保證驅(qū)動(dòng)的符合，從動(dòng)軸的負(fù)荷減小，有利提高通過性和減小滾動(dòng)阻力。
3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的要求和目標(biāo)
本次比賽有本田公司承辦大賽委員會(huì)對(duì)整車參數(shù)的設(shè)計(jì)有的要求如表2.1所示：由于H3號(hào)車的結(jié)構(gòu)保留了大部分的原有H2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以我們可以在原有尺寸上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化 。
H2號(hào)車的尺寸 、全高——0.75m、軸距——1.6m、全長——3.1m 、輪距——0.84m。
在確定尺寸前要明確優(yōu)化的前提條件即如何優(yōu)化，如果把總體設(shè)計(jì)分為兩個(gè)指標(biāo)即性能指標(biāo)和節(jié)油指標(biāo)則對(duì)明確整車的設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)有很大的幫助。
完成比賽性能指標(biāo)：
（1） 剎車制動(dòng)性
（1）行駛穩(wěn)定性：轉(zhuǎn)彎特性：側(cè)傾、側(cè)偏、側(cè)翻
（2）加速和起步時(shí)的平順性
（3）故障率：驅(qū)動(dòng)部分，制動(dòng)部分
（4）車架：剛度和撓度
（5）車軸的強(qiáng)度
節(jié)油性能指標(biāo)：
（1）車輪：左右車輪主銷內(nèi)傾角、前束、后傾的參數(shù)一致性。各軸載荷的平均分配。輪胎測(cè)偏剛度的確定。
（2）車架：輕量化
（3）車身：空氣阻力系數(shù)Cd值、迎風(fēng)面積、車身總體質(zhì)量。
（4）發(fā)動(dòng)機(jī)：最優(yōu)傳動(dòng)比的選擇、機(jī)體的輕量化、傳動(dòng)形式的選擇。
（5）駕駛員：體重、身高、操縱能力。
3.3 參數(shù)的計(jì)算及思路
明確了幾項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)后可以對(duì)計(jì)算的總體思路有了大略的方向即在滿足駕駛員操縱性舒適性的基礎(chǔ)上，盡可能的縮短輪距和軸距并降低整車高度，同時(shí)還要保證整車的行駛性能。如圖3.1。
圖3.1 總布置尺寸示意圖
3.3.1人機(jī)工程參數(shù)的計(jì)算
人機(jī)參數(shù)的計(jì)算方向應(yīng)該是頭高下降在發(fā)動(dòng)機(jī)臥高和立高平面內(nèi)并保持視線高度與龍門高度成2.1的關(guān)系。這樣既能保持車身能降低最低的距離而且可以最大限度的保證可以看到0.8m的物體（比賽要求）。經(jīng)過對(duì)九名駕駛員進(jìn)行質(zhì)心測(cè)量和坐姿高度與其他尺寸的測(cè)量，可以得到圖表進(jìn)行分析。下表為駕駛員躺臥駕駛姿勢(shì)是隨頭高的下降個(gè)關(guān)鍵尺寸的變化。圖3.2描述了駕駛員眼高的變化曲線，附圖3.3描述了駕駛員大腿寬度的變化曲，圖3.4描繪了所收集的駕駛員數(shù)據(jù)的膝寬曲線。前軸的位置應(yīng)該在膝蓋前后位置選擇。通過對(duì)上表的計(jì)算分析對(duì)隨人身坐高的下降對(duì)其它其它尺寸的影響有如下結(jié)論。駕駛員高度每下降60mm,質(zhì)心降低10mm,高度降低30mm,視線降低20mm,前懸伸長10mm，龍門前身20mm(龍門位置在髖部)。為了保證駕駛員操縱的舒適性和軸距設(shè)置的合理性前軸（龍門的位置）應(yīng)該在膝蓋和髖部之間選擇。
表3.1后備駕駛員尺寸圖表 （單位：mm）
號(hào)碼
1號(hào)
2號(hào)
3號(hào)
4號(hào)
5號(hào)
頭高
450
400
450
400
450
400
450
400
450
400
眼高
355
330
380
330
360
305
385
290
360
310
膝高
250
250
220
220
210
190
160
160
150
150
腳尖高
220
220
245
245
235
235
250
250
260
260
背至腳尖
1444
1520
1500
1520
1460
1520
1340
1430
250
1440
手至膝
340
320
300
320
260
280
240
270
142
300
拳前伸長
501
508
522
512
498
480
520
518
510
510
膝寬
200
200
201
201
230
230
220
220
210
210
小腿寬
220
220
230
230
220
220
230
230
230
230
大腿寬
250
250
250
250
240
240
250
250
250
250
髖寬
340
340
320
320
335
335
340
340
350
350
膝至腳底
460
460
440
450
460
460
470
470
440
440
體重
60kg
44.9kg
50kg
47.3kg
45kg
身高
1550
1580
1610
1500
1580
號(hào)碼
6號(hào)
7號(hào)
8號(hào)
9號(hào)
頭高
450
400
450
400
450
400
450
400
眼高
350
330
380
330
360
305
385
290
膝高
150
150
120
200
200
170
170
170
腳尖高
250
250
260
260
220
220
255
255
背至腳尖
1444
1520
1500
1520
1460
1520
1340
1430
手至膝
340
320
300
320
260
280
240
270
拳前伸長
501
508
522
512
498
480
520
518
膝寬
200
200
201
201
230
230
220
220
小腿寬
220
220
230
230
220
220
230
230
大腿寬
250
250
250
250
240
240
250
250
髖寬
340
340
320
320
335
335
340
340
膝至腳底
460
460
440
450
460
460
470
470
體重
50.9kg
44.8kg
51kg
48.3kg
身高
1550
1580
1610
1500
圖3.2描述了駕駛員眼高的變化曲線，附圖3.3描述了駕駛員大腿寬度的變化曲，附表3.4描繪了所收集的駕駛員數(shù)據(jù)的膝寬曲線。前軸的位置應(yīng)該在膝蓋前后位置選擇。通過對(duì)上表的計(jì)算分析對(duì)隨人身坐高的下降對(duì)其它其它尺寸的影響有如下結(jié)論。駕駛員高度每下降60mm,質(zhì)心降低10mm,高度降低30mm,視線降低20mm,前懸伸長10mm，龍門前身20mm(龍門位置在髖部)。為了保證駕駛員操縱的舒適性和軸距設(shè)置的合理性前軸（龍門的位置）應(yīng)該在膝蓋和髖部之間選擇。
圖3.2 眼高變化折線圖
圖3.3 髖部寬度變化圖
圖3.4 膝寬變化圖
圖3.5高155cmCATIA人偶
3.3.2轉(zhuǎn)彎特性相關(guān)參數(shù)計(jì)算
轉(zhuǎn)彎特性的計(jì)算主要是為了選擇最優(yōu)的輪軸距而引用的，有第二章總體布置的形式轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)選擇了阿卡曼是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，而阿卡曼是機(jī)構(gòu)來自于阿卡曼定理即全部車輪繞同一瞬心O回轉(zhuǎn)，瞬時(shí)中心始終在后軸的延長線上。轉(zhuǎn)向特性公式3.1和轉(zhuǎn)彎半徑與轉(zhuǎn)向角公式3.2可以很好的解釋輪軸距的關(guān)系。主銷傾角軸線與地面相接點(diǎn)間距離與輪距尺寸接近，這里還有一段尺寸c為接地點(diǎn)與輪胎接地點(diǎn)距離。c值不能太小因?yàn)樘〉脑捴麂N旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)使輪胎與路面產(chǎn)生較大的摩擦。表3.2描述了內(nèi)偏角與整車寬度的關(guān)系。即內(nèi)偏角越大需要預(yù)留的轉(zhuǎn)彎空間也相應(yīng)的增大。
圖3.6 轉(zhuǎn)彎特性簡圖
cota= cotβ- BL （3.1） Rmin=Lsinαmax （3.2）
式中：B——主銷傾角延長線間的距離；
L——軸距；
A——前輪內(nèi)偏角；
——前輪外偏角；
R——最小轉(zhuǎn)彎半徑。
表3.2內(nèi)偏角與整車寬度的關(guān)系表
α L
1500
1550
1600
車輪前端橫向掃過距離
10°
R=8640
R=8929
R=9217
M=40
11°
R=7640
R=8123
R=-8385
M=45
12°
R=7210
R=7455
R=7659
M=52
13°
R=6860
R=6890
R=7112
M=56
14°
R=6200
R=6510
R=6614
M=60
15°
R=6100
R=5918
R=6812
M M=6565
經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)最小轉(zhuǎn)彎半徑8800mm的情況下內(nèi)偏角隨軸距L的增加而增加而內(nèi)外偏角的差之和B/L的值有關(guān)，同時(shí)如果希望將車輪納入車身中的話我們會(huì)發(fā)現(xiàn)輪距增加會(huì)增大外偏角而其角度越大車身和車輪的距離就會(huì)越大這樣才能保證其最大偏角。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)偏角每增加0.74°距離d相應(yīng)增加3.228mm。
初步將輪距B定為600mm
3.3.3質(zhì)心幾何坐標(biāo)的測(cè)量
質(zhì)心的位置對(duì)整車各個(gè)尺寸的確定是不可或缺重要的參量。需要測(cè)量的參量有：
LZ1——質(zhì)心距前軸的水平距離
LZ2——質(zhì)心距后軸的水平距離
a1——質(zhì)心距左前輪接地點(diǎn)的水平距離
a2——質(zhì)心距右前輪接地點(diǎn)的水平距離
Hg——質(zhì)心距地面的高度
水平面即x y平面上質(zhì)心的幾何位置，可以根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。如設(shè)質(zhì)心到前軸的距離為a那么到后軸的為根據(jù)公式可列如下方程表達(dá)其平衡關(guān)系。
G1‘=G×ba+b=G1 （3.3）
G2’=G×aa+b=G2 （3.4）
式中：G1‘——地面對(duì)前軸的支持反力；
G2’——地面對(duì)后軸的支持反力；
G1——前軸載荷；
G2——后軸載荷；
A——質(zhì)心到前軸距離；
B——質(zhì)心到后軸距離。
測(cè)量原理：質(zhì)量反應(yīng)法
測(cè)量工具：磅秤或車輪負(fù)荷計(jì)，精度0.1%，卷尺，精度0.1%。
測(cè)量步驟：（1）將后軸放置于已調(diào)整好的秤臺(tái)上，前軸停放在另一秤臺(tái)上或支撐物上，并保持在同一水平面上。在前軸和后軸相同高度處分別標(biāo)識(shí)記號(hào)點(diǎn)hi測(cè)定后軸軸重G2 （或前軸軸重G1）軸距L記號(hào)點(diǎn)高度hi和個(gè)輪的靜載半徑rs。（2）抬高汽車前軸（或后軸），使其縱向傾角分別為11°、18°、20°測(cè)量每次抬高到規(guī)定角度時(shí)的軸重G2α（或前軸重G1α）和抬高高度hiα。測(cè)量示意圖3.6.
圖3.7 用質(zhì)量反應(yīng)法測(cè)質(zhì)心高度示意圖
質(zhì)心高度hg按下式計(jì)算:
hgα=rs+?GIαG0LL?hα2-1 （3.5）
式中：hgα——汽車抬高到某一規(guī)定角度的質(zhì)心高度
rs ——汽車個(gè)車輪靜載半徑均值
?GIα——汽車抬高到某一規(guī)定角度時(shí)，未被抬高車軸重增量
G0——汽車總重
L——汽車軸距
?hα——汽車抬高到某一規(guī)定角度時(shí)，前后軸左右記號(hào)點(diǎn)離地高度增量均值絕對(duì)值之和
最后有： hg=i=13hg1α/3
先后對(duì)H2號(hào)車進(jìn)行了5次測(cè)量每次3組數(shù)據(jù)，但前兩次公式和測(cè)量條件有錯(cuò)誤舍去。第3,4次角度變化太小在后期側(cè)翻計(jì)算中不符合實(shí)際情況舍去，第5次測(cè)量實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)符合側(cè)翻公式，也符合實(shí)際行駛情況。所以保留第5組數(shù)據(jù)作為理論依據(jù)。
質(zhì)心位置計(jì)算 （z方向）如式3.5、3.4 X Y平面內(nèi)的質(zhì)心位置計(jì)算:
G=890+330=1220
a+b=1550
890=1220×a1550
330=1220×b1550
a=1.131m=1131mm
b=0.419m=419mm
3.3.4抗側(cè)翻性的計(jì)算
側(cè)向傾翻是指在本車以一定速度過彎時(shí)，由離心力使外側(cè)車輪附著力減少直至為零產(chǎn)生側(cè)翻的情況。
當(dāng)離心力力矩 F×H>G×a 傾翻 （3.6）
F×H
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