劉章棋，付龍虎，陳元富

本田節(jié)能競(jìng)技大賽燃油節(jié)能車優(yōu)化設(shè)計(jì)*

劉章棋，付龍虎，陳元富

（瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川 瀘州 646000）

文章根據(jù)本田節(jié)能競(jìng)技大賽比賽規(guī)則，對(duì)燃油節(jié)能車進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到更加節(jié)能與環(huán)保的目的。

節(jié)能車；環(huán)保；節(jié)能

前言

燃油汽車給人們帶來(lái)了交通便利的同時(shí)，也導(dǎo)致了燃油緊缺和大氣環(huán)境污染問題。設(shè)計(jì)更加節(jié)能與環(huán)保的汽車，是汽車設(shè)計(jì)師們不斷追求的目標(biāo)。節(jié)能競(jìng)技大賽發(fā)源于日本，是Honda創(chuàng)始人本田宗一郎于1981年發(fā)起的一項(xiàng)社會(huì)活動(dòng)。2006年，Honda本田中國(guó)技研部將該賽事引入到我國(guó)。參賽組別分為大學(xué)?？茖W(xué)校組和本田相關(guān)企業(yè)組。每年有來(lái)自全國(guó)各大高校、Honda關(guān)聯(lián)企業(yè)近150支車隊(duì)相聚在廣州國(guó)際賽車場(chǎng)。通過參賽者親自制作一輛節(jié)能車，共同倡導(dǎo)的環(huán)保理念以及挑戰(zhàn)精神，進(jìn)而提高全世界人們的節(jié)能、環(huán)保意識(shí)。燃油組比賽是由Honda本田公司提供一臺(tái)125CC汽油摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，各車隊(duì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)制作車架、車身等。根據(jù)比賽規(guī)則，在規(guī)定時(shí)間和速度范圍內(nèi)，計(jì)算比較各參賽隊(duì)燃油節(jié)能車的百公里燃油量。

節(jié)能賽車與普通轎車的結(jié)構(gòu)布局相似，分為車身、底盤、電器、發(fā)動(dòng)機(jī)四大部分。為了實(shí)現(xiàn)省油，節(jié)能賽車需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過減少整車重量、優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)與車身氣動(dòng)布局等方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)降低節(jié)能車百公里油耗的目的。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 燃油供給系統(tǒng)改進(jìn)

賽事組委會(huì)為各參賽隊(duì)提供的為一臺(tái)本田125CC摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)。它的燃油供給系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)的化油器?；推骱凸?jié)氣門為一體的?；推鞯脑硎钱?dāng)進(jìn)氣流經(jīng)節(jié)氣門時(shí)，在節(jié)氣門處會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，利用這個(gè)負(fù)壓將浮子室內(nèi)的汽油吸出并隨同空氣形成可燃混合氣。相比化油器發(fā)動(dòng)機(jī)存在油耗高、污染大、不易啟動(dòng)等缺點(diǎn)，現(xiàn)將發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)化油器改成電控燃油射系統(tǒng)。采用電控燃油噴射系統(tǒng)之后，可顯著降低燃油節(jié)能賽車的百公里油耗和排放，同時(shí)更易于冷啟動(dòng)。

在節(jié)能賽車上主要用節(jié)氣門位置傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速傳感、凸輪軸轉(zhuǎn)速傳感器、進(jìn)氣壓力傳感器、進(jìn)氣溫度傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度傳感器、氧傳感器、爆震傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將發(fā)動(dòng)機(jī)的物理運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳給電控單元，電控單元根據(jù)原先輸入程序計(jì)算出合適的燃油噴射量，再向噴油器輸出噴油脈沖信號(hào)，從而達(dá)到了精確噴油的目的。

1.2 機(jī)油循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本田125CC摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)采用的是傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)。機(jī)油泵將機(jī)油經(jīng)過機(jī)油道潤(rùn)滑摩擦面。新設(shè)計(jì)的機(jī)油循環(huán)系統(tǒng)，增加一個(gè)電動(dòng)機(jī)油泵，將機(jī)油直接運(yùn)輸?shù)脚錃鈾C(jī)構(gòu)及其他需要潤(rùn)滑的零件。機(jī)油循環(huán)系統(tǒng)可以保證零件的良好潤(rùn)滑，同時(shí)取得良好的冷卻效果。

1.3 雙火花塞設(shè)計(jì)

本田125CC摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)原裝有一個(gè)火花塞。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火能量，改善摩托車汽油機(jī)的著火性能，在缸蓋上加裝一個(gè)火花塞。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)動(dòng)機(jī)在冷機(jī)和熱機(jī)狀態(tài)下，雙火花塞的發(fā)動(dòng)機(jī)更易于啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效果更佳，從而降低了油耗和排放。

1.4 壓縮比改進(jìn)

一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力技術(shù)參數(shù)，可以用功率與扭矩的大小來(lái)標(biāo)示。壓縮比表征的是空氣在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)被壓縮的程度。壓縮比等于氣缸總?cè)莘e比上燃燒室容積。在發(fā)動(dòng)機(jī)不爆燃的情況下，壓縮比越大越好。原有發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比為9.5，經(jīng)過取消缸墊，并銑削發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的下表面0.5mm，可以使壓縮比提高到11.5。提高了壓縮比，發(fā)動(dòng)機(jī)可獲得更大的功率和扭矩，燃燒效果更佳，從而達(dá)到更佳省油的目的。但是，發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比提高后，發(fā)動(dòng)機(jī)爆燃傾向提高了，需加入抗爆性更好的汽油，如98#。

2 底盤優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 車架型式確定

車架是節(jié)能賽車的骨架。車架要承受整車和車手的重量，需具備承受各種沖擊載荷的能力。碳素鋼有足夠的強(qiáng)度和剛度，應(yīng)用廣泛，價(jià)格低、質(zhì)量輕、焊接性好等特點(diǎn)。為了減小節(jié)能車的滾動(dòng)阻力，節(jié)能車采用三個(gè)車輪，即兩個(gè)前輪，一個(gè)后輪。兩個(gè)前輪作為轉(zhuǎn)向輪，可提高節(jié)能車的轉(zhuǎn)向時(shí)的行駛穩(wěn)定性。車架型式采用邊梁式，成梯形形狀，前寬后窄，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，易于制作。且具有較好的剛度和強(qiáng)度，行駛穩(wěn)定性好。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)改進(jìn)

發(fā)動(dòng)機(jī)中置，通過鏈條直接驅(qū)動(dòng)后輪，這樣節(jié)能賽車容易獲得較大的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)，省略了差速器和驅(qū)動(dòng)半軸，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，減輕了車架重量，降低了車輛成本和故障率。但是，與四輪車輛相比，三輪車輛的行駛穩(wěn)定性較差，容易側(cè)翻，需要降低車輛的重心，以避免三輪車輛的側(cè)翻。

傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為切除了發(fā)動(dòng)機(jī)上原裝的變速機(jī)構(gòu)，采用鏈條傳動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)離合器后，通過鏈條直接傳遞給后輪，簡(jiǎn)化了傳遞線路，減少了傳遞損失，從而提高了傳遞效率。在后輪上再設(shè)計(jì)一個(gè)車輪離合器，當(dāng)節(jié)能車處于滑行運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉掉發(fā)動(dòng)機(jī)，通過車輪離合器來(lái)斷開傳動(dòng)系統(tǒng)，這樣大幅減少了傳動(dòng)系的自身阻力損耗，取得了良好的節(jié)油效果。

圖1

3 車身優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 車身材料選擇

目前，各參賽隊(duì)主要采用玻璃鋼和碳纖維材料來(lái)制作車身。玻璃鋼（FRP）也被稱為GFRP，即纖維強(qiáng)化塑料，主要有用環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂基體、玻璃纖維增強(qiáng)不飽和聚酯。以玻璃纖維或其制品作增強(qiáng)材料的增強(qiáng)塑料，稱謂為玻璃纖維增強(qiáng)塑料，亦稱為玻璃鋼。根據(jù)使用的樹脂種類不同，可分為酚醛玻璃鋼、聚酯玻璃鋼、環(huán)氧玻璃鋼。玻璃鋼硬度大，質(zhì)量輕，不導(dǎo)電，性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，耐腐蝕，可以代替鋼材制造機(jī)器零件和汽車、船舶外殼等。碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維的材料。它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的優(yōu)點(diǎn)主要有質(zhì)量比較輕，強(qiáng)度高，并且具有耐腐蝕、高模量的特性，但缺點(diǎn)是不能焊接。經(jīng)過試驗(yàn)對(duì)比玻璃鋼和碳纖維的性能，碳纖維的單位質(zhì)量更輕，韌性更好，更容易成型，成本較玻璃鋼貴。因此，節(jié)能賽車車身采用碳纖維材料。

3.2 車身制作工藝流程

第一步是做車身基礎(chǔ)模型。依據(jù)車架總高度、總寬度、總長(zhǎng)度、輪距軸距、離地高度等參數(shù)，用發(fā)泡劑做車身基礎(chǔ)模型，并修改成原始設(shè)計(jì)的形狀。第二步是刷玻璃鋼。在車身基礎(chǔ)模型表面上，將配制好的有機(jī)料（黑料質(zhì)量:白料質(zhì)量:樹脂質(zhì)量=3：3：100)刷在車身基礎(chǔ)模型上，并鋪好纖維布。第三步是在車身基礎(chǔ)模型上刮原子灰，并打磨，做成一個(gè)表面光滑的車身模型。第四步是鋪設(shè)碳纖維布。在車身模型上刷一層底層碳纖膠水（A料質(zhì)量:B料質(zhì)量=3：1），在膠水干之前貼上一層碳纖維布，使碳纖維布完全與底膠粘和在一起。再在碳纖布面上刷一層膠，等膠干了以后，再刷一層膠，依次重復(fù)五次。第五步是打磨碳纖車身模型，形成比較光滑的表面。第六步是開模。將碳纖車身從基礎(chǔ)模型上脫離下來(lái)，并做好上下車身的結(jié)合面。第七步是碳纖車身表面處理。為了車身美觀，在碳纖車身上貼上汽車膜或者噴涂汽車漆。

根據(jù)本田Honda中國(guó)節(jié)能競(jìng)技大賽規(guī)則，通過改進(jìn)本田125cc摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)，優(yōu)化設(shè)計(jì)節(jié)能賽車的底盤和車身，節(jié)能賽車取得較好的節(jié)油效果。

[1] 韓杰堯.Honda 中國(guó)節(jié)能競(jìng)技大賽賽車車身總成設(shè)計(jì).[J]汽車實(shí)用技術(shù).2018年第23期.

[2] 李亞鵬.本田節(jié)能競(jìng)技大賽節(jié)能車設(shè)計(jì)與優(yōu)化.[J]科技資訊.2017年第33期.

[3] 張?zhí)煊?基于節(jié)能競(jìng)技比賽的發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)研究.[J]內(nèi)燃機(jī)與配件.2018年3月.

[4] 張建昌.節(jié)能車車身優(yōu)化設(shè)計(jì).[J]科技視界.2014年6月.

[5] 杜燦誼.節(jié)能賽車的車身造型設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析.[J]汽車實(shí)用技術(shù). 2017年第4期.

Optimal Design of fuel Saving vehicle in Honda Energy Saving Competition*

Liu Zhangqi, Fu Longhu, Chen Yuanfu

( School of Mechanical Engineering Luzhou Vocational and Technical College, Sichuan Luzhou 646000 )

According to the competition rules of the field energy-saving competition, this paper optimizes the engine, chassis and body of the fuel-saving vehicle, so as to achieve the goal of more energy-saving and environmental protection.

energy-saving vehicle; environmental protection; energy saving

U462.1

A

1671-7988(2019)14-61-03

U462.1

A

1671-7988(2019)14-61-03

劉章棋（1982.11-），男，就職于瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，主要研究方向：汽車設(shè)計(jì)與維修。

論文用于瀘州職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題，名稱：節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。課題編號(hào)：K-1815。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.019