节油竞技车H3总布置设计-图文

目录第1章绪论 11.1概述 11.1.1研究背景 1研究的目的和意义 1课题和现状 2第2章节能竞技车总体设计方案确定 5整车设计目标 5驾驶室形式的选择 6车架材料的选定 7车架形式的选定 8驱动形式的选择 8转向形式的选择 92.7制动系统的选择 11车轮型号与轮胎的选择 11本章小结 12第3章参数的收集和计算 133.1参数的影响 133.2设计参数的要求和目标 133.3参数的计算及思路 14人机工程参数的计算 14转弯特性相关参数计算 17质心几何坐标的测量 19抗侧翻性的计算 21各总成的相关计算 22制动总成的相关计算 22发动机最大功率及其转速 23发动机最大扭矩 23变速器档位数传动比的选择 23整车滚动阻力和空气阻力对节油能力的影响 24本章小结 26第4章基于UG的H3号车总体设计 284.1UG软件的产品介绍 284.2UG设计界面 28设计流程 294.2.2参数的选择 294.3基于UG的各部件的设计 314.3.1主体尺寸的确定 324.3.2转向总成的设计 34制动总成的设计 36驱动部分的建模 37车身部分的建模 404.4H3号车的总体装配 414.5H3号车的人机效应 41本章小结 45第5章基于ADAMS的运动校核 465.1ADAMS简介 46运动校核的目标 46运动校核的流程 47校核完成后对转向的改良 51本章小结 52结论 53参考文献 54致谢 56附录 57第1章绪论1.1概述由于世界范围内石油资源的短缺,节约使用石油产品,已成为人们的共识。目前,节油技术在汽车设计、制造以及使用方面已得到了广泛的应用,并朝着多元化的趋势发展。让人记忆犹新的1973年石油危机,曾触发石油价格上升4倍以上,从此汽车业开始了降低燃油消耗量的长期努力。到目前为止,节油技术在汽车设计、制造以及使用方面已得到了广泛的应用,并朝着多元化的趋势发展1.1.1研究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30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，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。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.2研究的目的和意义20世纪80年代以来对汽车安全性、行驶平顺性、操纵稳定性、乘坐舒适性的要求越来越高，然而，汽车本身是一个复杂的多体系统集合，外界载荷的作用更加复杂、多变，人、车、环境三位一体的相互作用，致使汽车动力学模型的建立、分析、求解始终是一个难题)基于以往的解决方法，需经过多轮样车试制，反复的道路模拟试验和整车性能试验，不仅花费大量的人力、物力，延长设计周期，而且有些试验因其危险性而难以进行)因此对车辆的动力学性能进行计算机仿真显得十分必要)。本设计是以参赛车辆为项目驱动，以节油和完成比赛为目标来进行汽车的总体布置已达到学习和制造验证相结合的效果。课题和现状汽车总布置设计是通过对整车设计的总体规划来确立车身、底盘、动力总成等系统之间的配置关系、重量、法规和整车的性能指标。总布置设计首先是确定设计硬点（Hardpoint）。设计硬点是将底盘、车身以及其它零部件之间的协调关系，通过基本的线、面和基准点，以及控制结构和参数来表达。在主要设计硬点确立以后，造型、车身、底盘等设计就有了共同参照的依据和遵循的规范，各个子项目分头展开。还需要兼顾到运动机构和非运动部件的关系有机的协调，避免零部件之间的运动学干涉、人机工程学和舒适性设计等等。总体设计包含多个学科需要在各种条件要求下做出平衡和取舍，这就产生了很多总体设计的方法。经验设计是以已有产品的经验数据为依据，运用一些带有经验常数或安全系数的经验公式进行设计计算的一种传统的设计方法。这种设计由于缺乏精确的设计数据和科学的计算方法，使所设计的产品不是过于笨重就是可靠性差。一种新车型的开发，往往要经过设计—试制—试验—改进设计—试制—试验等二次或多次循环。反复修改图纸，完善设计后才能定型，设计周期长，质量差，消耗大。随着测试技术的发展与完善，在汽车设计过程中引进新的测试技术，和各种专用的试验设备，进行科学实验，从各方面对产品的结构、性能和零部件的强度、寿命进行测试。同时广泛采用近代数学物理分析方法，对产品及其总成、零部件进行全面的技术分析、研究，这样就使汽车设计发展到以科学实验和技术分析为基础的阶段。电子计算机的出现和在工程设计中的推广应用，使汽车设计技术飞跃发展，设计过程完全改观。汽车结构参数及性能参数等的优化选择与匹配，零部件的强度核算与寿命预测，产品有关方面的模拟计算或仿真分析，都在计算机上进行。这种利用计算机及其外部设备进行产品设计的方法，统称为计算机辅助设计(CAD)。随着计算机在汽车设计中的推广应用，一些近代的数学物理方法和基础理论方面的新成就，在汽车设计中也日益得到广泛应用。现代汽车设计，除传统的方法和计算机辅助设计方法外，还引进了最优化设计、可靠性设计、有限元分析、计算机模拟计算或仿真分析、模态分析等现代设计方法与分析手段，甚至还引进了雷达防撞、卫星导航、智能化电子仪表及显示系统等商新技术。数字化产品开发可使企业各部门同时在同一个产品模型上工作、因而可以减少大量不必要的等待时间。减少或避免与传统产品开发过程业务（例如反复制作模型，并对原型进行手工实验分析）上所投入的时间和费用。同时还能在设计过程中及早地发现和解决问题。例如美国克莱斯勒汽车公司采用“克莱斯勒数据可视化”软件在新产品98型汽车上发现1500多处零件干涉，并在制作的第一个实物模型之前进行了修改和调整，结果避免了大量时间浪费和失误。在人机工程中CAD技术得到了广泛的应用。其中如UG/CATIA等建模软件都制作了基于汽车的人机工程学模块，西化大学的吴超硕士曾经提出通过UGS对主图板上的H点位置进行验算确定后，由于二维人体模型不能满足“人－车－环境”中三维位置验证的需要，而三维人体模型在驾驶员座椅位置布置时的作用是无可替代的。CATIAV5的人体模型是基于最佳人体模型系统建立起来的，具有直观、数字化和交互式的特点，能够被用于非常精确地人体仿真、虚拟人体与工作环境之间的关系的验证。上海大众的王海波吴凤艳李炭认为想要设计好一款车的总布置人机工程尤为重要，而要想做好人机工程需从两个方面加以注意a．掌握人体尺寸的测量数据，其中不但包括静态尺寸，还需包括动态尺寸；不但要划分年龄及高矮，还需区分人体特征，如胖瘦、腿长短等；以此为基础，进行统计分析，建立标准的中国人体模型数据库。对中国人的活动能力大小进行研究，其中最关键的是手操纵力、脚操纵力等。在确定汽车轴距轮距的过程中应该着力解决转弯内偏角、侧倾、侧翻、轮胎侧滑、操纵平稳性等行驶安全参数之间的平衡。其中在国家质检总局的关于汽车侧翻的报告上提出如下结论（1）通过建模仿真的分析方法，可以有效辅助汽车缺陷等引起的风险的评估研究。（2）通过仿真试验对风险模式分析可知，只要不驶离道路，正常情况下单向急转不易引起侧翻。（3）一旦车辆转向侧滑撞上路肩或驶入路外高附着系数区域，绊倒侧翻容易发生。长安大学的赵岩认为节能车在转向盘保持一固定转角正。缓慢加速或以不同车速等速行驶时，随着车速的增加，不足转向汽车的转向半径R增大；中性转向汽车的转向半径R维持不变：而过多转向汽车的转向半径R则越来越小。操纵稳定性良好的汽车应具有适度的不足转向特性。一般汽车不应具有不足转向特性，也不应具有中性转向特性，因为中性转向特性汽车在使用条件变动时，有可能转变为过多转向特性。武汉理工大学的杨灿还从adams模态分析中得出如下结论1)汽车在不同的路面以不同的车速行驶，其行驶平顺性各不相同，汽车的行驶车速及路谱对汽车行驶平顺性有重大影响；2)调整节能车悬架结构参数，能够明显改善节能车在特定赛道和已规定车速行驶的平顺性：3)改变整车的固有频率可以减小路面不平所激起的车身振动或使车身振动的峰值频率偏离原对应的某阶模态频率，以改善汽车的行驶平顺性。目前，国内的整车总布置设计，与底盘及动力系统的状况相似，设计和匹配试验的能力和发达的国家比较，虽然进行了部分的数字化开发技术但还存在一定的差距。本文尝试以前沿的研发技术为参考大量运用目前已经成熟的电脑建模技术，虚拟样机技术对所设计的方案进行装配、制造、模拟以求最大限度的节省设计制造工程中的时间。

第2章节能竞技车总体设计方案确定整车设计目标量产车的新车型在设计之初需要明确设计目标。主要是根据市场调研和设计要求结合公司的人员的技术水平提出对某型号车的设计原则和设计目标其中包括目标成本、通用性、载客量适用范围等等。其中总体设计工作应满足如下要求：（1）汽车的各项性能、成本等，要求达到企业在商品设计计划中所确定的目标。（2）严格遵守和贯彻有关法规、标准中的规定，注意不要侵犯专利。（3）尽最大贯彻三化即标准化、系列化、通用化。（4）进行有关的运动校核，保证正确的运动并避免运动干涉。（5）拆装与维修方便。由于是参加节能竞技大赛，所以设计目标有很大的不同。根据参赛的要求首先要保证大赛要求的设计。本次比赛由本田公司承办，大赛委员会对整车参数的设计有如下的要求如下表：表总体尺寸表全高以下排气管超出车身10cm以上轴距以上全长以下轮距以上倒视镜可以看到车尾其面积小于40cm2全宽以下座椅要求臀部和地面之间有隔板同时本田公司对其提供的发动机也有如下的要求：（1）同时要求搭载HONGDAwh125-6市售风影发动机（2）化油器部分要求一小时自然吸油一升，不能有增压装置（3）油路要保证透明且油路系统不能有电磁阀（4）曲轴部分只能加工不能更换根据大赛要求和参赛目标制定如下设计目标:表目标尺寸表性能目标：一升97号汽油1000公里。整车质量：50kg以下整车长度：3200mm以下整车宽度：500mm以上搭载人员：一人且体重不超过50kg整车高度：控制在650mm以下视野要求：保证驾驶员有九十度教的视野范围，可以看到800mm的物体。照明设备：无（比赛时）刹车部分：两套独立刹车系统安全性：保证发生事故时驾驶员可以独自从驾驶室出入，驾驶员和发动机之间需要有一个隔热装置驾驶室形式的选择本节对节油车车的总体形式的选择进行了概括性的论述，对各形式的优缺点进行了简单的评估并从中选择最适合的方案进行更进一步的论证。节能车的形式跟普通汽车的形式有很大差别的，因为其生产的目的是节油也就是说可以在设计上牺牲掉部分动力性、安全性、舒适性、和操纵性。经过对以往比赛的调查研究和通过理论分析可以大体上把整车的形式分为如下几种形式。四轮行驶两轮驱动、三轮行驶一轮驱动、三轮行驶两轮驱动、两轮行驶两轮辅助的形式。当然发动机也有前置和后置两种情况与其组合。下面对比一下各个布置的优缺点。前两轮后两轮不论是前两轮驱动还是后两轮驱动都无法回避转弯时两轮的速度差的问题，也就是说需要设计一个非常小的差速器且满足摩托车发动机经过变速后输出的转矩。首先需要设计一个差速器和半轴还要最大限度的降低传动效率的损失，第二点还要找到可以加工的单位如果找不到的话，还要自行加工且精度要求越高越好。即便做了下来它的传动效率损失和三轮相比也是非常大的而且四轮车的行驶和转弯时的阻力也是较三轮车大的。也就是说除了稳定性好之外是没有其它优点的。前一轮后两轮这种布置形式在其他队伍中是有才用的而且也取得了很好的成绩的如简图所示。它具有如下的优点（1）转向轻便（2）因为和正向三轮车有很多相似的地方所以构件采购容易加工上也比较方便。（3）不需要加工车车轮定位结构如内倾、外倾、前束、后倾等。缺点（1）行驶稳定性不好在高速下容易翻车。（2）转弯时前轴受径向力力比较大，如要采用这种形式需要对前轮进行加固工艺上比较困难。（3）如果是发动机前置整车高度会上升且驾驶员视线难以保证，且需要差速器等机构。（4）如果是后轮驱动会遇到与前两轮驱动一样的问题。（5）运用空气动力学相关知识分析较优秀的风阻系数模型应该是仿水滴形这样前一轮的布置方式很难达到。图前一轮后两轮示意图前两轮后一轮这种布置形式也被俗称逆三轮车在各种节能车大赛上被广泛的运用如图所示，也就是说在实际比赛中已经被验证是很实用的。经过理论上的研究也可以得出如下的优缺点。它的优点有（1）直线行驶平稳。（2）后轮驱动不需另行设计差速系统传动效率高。（3）行驶阻力和四轮车相比要小得多。（4）转弯时前轴所受侧向力要有比单轮时小的多（5）空气动力学外形可以得到结构上的保证，充分利用现有的空间保证了前宽后窄的外形设计。车架材料的选定车架材料的选定应该同时考虑重量、强度、加工难易程度和价格等因素。因为从节油性的角度出发希望车架越轻越好，但从完成比赛的角度出发强度应该越高越好，这样就要在强度和价格上做出取舍。经过调研可供选择的材料有，方形钢管、原型钢管、铝型材、铝板、铝管、钛合金管材。如果是承载式车身的话还可以用碳纤维。但综合经费承担能力最终选择了铝型材作为车架的主要材料，铝型材有如下优点。（1）铝合金的密度是钢的密度的1/2强度却接近于或超过钢。（2）成本上也比其他高强度材料要便宜得多成本上易于实现。（3）加工上没有困难也可以代工。图前两轮后一轮简图车架形式的选定车架的形式大体上分为整体式如图、箱型如图2.6、梯形式、衍架式如图，他们均具有各自的优缺点。衍架式车架刚度高、整体强度高、转弯时抗侧向力能力强，缺点是重量难以控制。边梁式车间优点是结构简单、加工容易、质量轻，缺点是刚度低、强度难以保证。整体式车身具有边梁式和衍架式的所有优点，缺点是造价高昂且自行完成困难。经过论证决定采用衍架式车架。驱动形式的选择因为采用了前两轮后一轮的布置形式所以驱动形式决定采用发动机后置后轮驱动，这样驾驶员的视线可以得到保障也不需要安装差速结构同时也可以对质心的位置进行配重（驾驶员在前）且降低了制作的难度。（1）发动机由于采用了统一标准配置所以不存在选型问题但可以对其变速器和箱体进行改造和轻量化。（2）变速机构决定拆掉原有变速器以一排行星齿轮代替，其优点是去掉了多余的重量提供了一个更优的传动比同时行星齿轮的传动更稳定占用空间也比较小缺点是重量比较大、可能需要再加工。（3）档位决定以一个传动比行驶主要考虑结构的复杂性和加工能力的局限。图碳纤维无骨架符合车身的选择转向形式以使驾驶员操纵方便，转弯灵活加工难度小为目标。可选的方案有中央支撑式和阿卡曼式，其中中央支撑式有转弯费力操纵不灵活的弊端。阿卡曼式转向机构的特点就是在该车全程转弯过程中瞬时圆心始终保持不变且圆心在后轴的延长线上。由于前轮载荷不是很大且附着力非常的小，所以过弯时地面阻力不会很大不需要助力装置，只需要适当延长转向臂就可以达到要求。但是在这里也要考虑传动比的大小因为这影响到驾驶员的操纵习惯反省时间即闭环控制的精确程度。通过汽车理论的学习可以确定不转向对驾驶员的操纵需求是最舒服的。图铝制箱型车架图钢管梯形车架图衍架式车身2.7制动系统的选择制动系统由大赛规则确定要求即在11°的斜坡上能保证停留，而且制动系统对平时训练整车的操纵安全性都有很高的保证。经过调查研究决定采用两套高效V闸其价格性对便宜质量与其它制动件相比较轻，车轮型号与轮胎的选择在技能经济车的研发过程当中，车轮的型号的选取也是非常重要的环节，因为它关系到滚动阻力的大小，迎风面积的大小，操纵稳定性的保证等等。首先要选择车轮的的尺寸，这和迎风面积，转动惯量，接近角有直接关系。大车轮滚动阻力大稳定性好，小车轮滚动阻力小操纵灵活但稳定性差。轮胎的选择遵循滚动阻力小可承受高压，高载荷，测偏刚度大的轮胎。经过论证决定选择20inch自行车轮圈轮胎采用米其林宽面高压光胎。需要注意的是自行车轮胎和车轴是不受侧向力的而节能竞技车的车轮和车轴是要受侧向力的。根据车辆类型、总质量、道路条件、车速及其他特殊要求，合理地选择轮胎。轮胎选择的好坏直接影响整车的使用性能，如动力性、经济性、通过性、安全性等。因此必须按使用要求、道路条件和国家标准进行合理的选择。一般在汽车满载时，轮胎所受的静负荷应等于小于它的额定负荷（约）。这主要根据车辆的使用情况和道路条件而定，在条件比较好的情况下－不超载、道路条件好，轮胎的静负荷可与额定负荷相等或相近，气压也可选高一点，这样会提高整车的经济性能。由于是节油车大赛所以经济性非常的重要，这样胎压的要求就会很高正常的乘用轿车胎压一般夏季，冬季偏高一点儿，而H2号车的胎压在以上这是因为自行车轮胎可承受高压的特性，其中高级的米其林告诉光胎可以承受更高的胎压据资料上显示可达到这就为经济型节油能力提供了很好的数据。轮胎选择的另一个关键因素是车速。随着高速公路的发展和道路条件的改善，现代汽车的车速越来越高，对于轮胎来说，车速越高，轮胎的发热量也越大，致使轮胎的磨损和寿命都受到影响。轮胎的额定负荷能力是在一定车速下给定的，超过该车速长期使用合适轮胎的寿命急剧下降。但比赛是的车速不会很高因为要熄火滑行最高车速是跟据最低车速制定的所以对轮胎的影响很小。本章小结本章对H3号节能车的布置形式、驱动形式、材料的选型、转向方式的确定都做了论证和对比并根据自身的要求进行了选择，为接下来的后续计算奠定了基础和确定了方向。

第3章参数的收集和计算参数的影响H3号车的总布置主要参数包括整车的长、宽、高、离地间隙、轴距、轮距以及车架的最长最宽尺寸。以及发动机的额定功率，变速器的最大最大最小传动比等等。在设计之初可以确定几个设计硬点，其他尺寸在保证设计硬点的基础上可以有所变化。硬点尺寸直接关系到整车的性能。整车的主要尺寸对整车的性能有如下影响：轴距L：对整备质量、总长、最小转弯半径、纵向通过半径有影响，还对轴荷分配有影响。过短时会使制动、上坡、加速时轴荷转移过大，使汽车制动性和操纵性变坏，纵向角振动大。轮距：对整车的整宽、总质量、侧倾刚度、最小转弯半径有关。轮距大有利于刚度上升，横向稳定性变好，但轮距不宜过大。前悬：（因为本车为了节油尽可能的提高了整车的刚度所以取消了悬架机构，这样前悬就被用来定义前轴到整车最前端的部分。）通过性、碰撞安全性、视野范围、接近角等。质量系数y轴荷分配：质量系数反映了汽车的设计工艺水平，轴荷分配对轮胎的磨损均匀和寿命相近，要保证驱动的符合，从动轴的负荷减小，有利提高通过性和减小滚动阻力。3.2设计参数的要求和目标本次比赛有本田公司承办大赛委员会对整车参数的设计有的要求如表所示：由于H3号车的结构保留了大部分的原有H2的结构设计，所以我们可以在原有尺寸上对其进行优化。H2号车的尺寸、全高——、轴距——、全长——3.1m、轮距——0.84m。在确定尺寸前要明确优化的前提条件即如何优化，如果把总体设计分为两个指标即性能指标和节油指标则对明确整车的设计侧重点有很大的帮助。完成比赛性能指标：刹车制动性（1）行驶稳定性：转弯特性：侧倾、侧偏、侧翻（2）加速和起步时的平顺性（3）故障率：驱动部分，制动部分（4）车架：刚度和挠度（5）车轴的强度节油性能指标：（1）车轮：左右车轮主销内倾角、前束、后倾的参数一致性。各轴载荷的平均分配。轮胎测偏刚度的确定。（2）车架：轻量化（3）车身：空气阻力系数Cd值、迎风面积、车身总体质量。（4）发动机：最优传动比的选择、机体的轻量化、传动形式的选择。（5）驾驶员：体重、身高、操纵能力。3.3参数的计算及思路明确了几项参数指标后可以对计算的总体思路有了大略的方向即在满足驾驶员操纵性舒适性的基础上，尽可能的缩短轮距和轴距并降低整车高度，同时还要保证整车的行驶性能。如图3.1。图总布置尺寸示意图计算人机参数的计算方向应该是头高下降在发动机卧高和立高平面内并保持视线高度与龙门高度成2.1的关系。这样既能保持车身能降低最低的距离而且可以最大限度的保证可以看到的物体（比赛要求）。经过对九名驾驶员进行质心测量和坐姿高度与其他尺寸的测量，可以得到图表进行分析。下表为驾驶员躺卧驾驶姿势是随头高的下降个关键尺寸的变化。图描述了驾驶员眼高的变化曲线，附图描述了驾驶员大腿宽度的变化曲，图描绘了所收集的驾驶员数据的膝宽曲线。前轴的位置应该在膝盖前后位置选择。通过对上表的计算分析对随人身坐高的下降对其它其它尺寸的影响有如下结论。驾驶员高度每下降60mm,质心降低10mm,高度降低30mm,视线降低20mm,前悬伸长10mm，龙门前身20mm(龙门位置在髋部)。为了保证驾驶员操纵的舒适性和轴距设置的合理性前轴（龙门的位置）应该在膝盖和髋部之间选择。表后备驾驶员尺寸图表（单位：mm）号码1号2号3号4号5号头高450400450400450400450400450400眼高355330380330360305385290360310膝高250250220220210190160160150150脚尖高220220245245235235250250260260背至脚尖144415201500152014601520134014302501440手至膝340320300320260280240270142300拳前伸长501508522512498480520518510510膝宽200200201201230230220220210210小腿宽220220230230220220230230230230大腿宽250250250250240240250250250250髋宽340340320320335335340340350350膝至脚底460460440450460460470470440440体重60kg50kg45kg身高15501580161015001580号码6号7号8号9号头高450400450400450400450400眼高350330380330360305385290膝高150150120200200170170170脚尖高250250260260220220255255背至脚尖14441520150015201460152013401430手至膝340320300320260280240270拳前伸长501508522512498480520518膝宽200200201201230230220220小腿宽220220230230220220230230大腿宽250250250250240240250250髋宽340340320320335335340340膝至脚底460460440450460460470470体重kg44.8kg51kg48.3kg身高1550158016101500图3.2描述了驾驶员眼高的变化曲线，附图3.3描述了驾驶员大腿宽度的变化曲，附表3.4描绘了所收集的驾驶员数据的膝宽曲线。前轴的位置应该在膝盖前后位置选择。通过对上表的计算分析对随人身坐高的下降对其它其它尺寸的影响有如下结论。驾驶员高度每下降60mm,质心降低10mm,高度降低30mm,视线降低20mm,前悬伸长10mm，龙门前身20mm(龙门位置在髋部)。为了保证驾驶员操纵的舒适性和轴距设置的合理性前轴（龙门的位置）应该在膝盖和髋部之间选择。图眼高变化折线图图髋部宽度变化图图膝宽变化图图高155cmCATIA人偶转弯特性的计算主要是为了选择最优的轮轴距而引用的，有第二章总体布置的形式转向机构选择了阿卡曼是转向机构，而阿卡曼是机构来自于阿卡曼定理即全部车轮绕同一瞬心O回转，瞬时中心始终在后轴的延长线上。转向特性公式和转弯半径与转向角公式可以很好的解释轮轴距的关系。主销倾角轴线与地面相接点间距离与轮距尺寸接近，这里还有一段尺寸c为接地点与轮胎接地点距离。c值不能太小因为太小的话主销旋转过程中会使轮胎与路面产生较大的摩擦。表描述了内偏角与整车宽度的关系。即内偏角越大需要预留的转弯空间也相应的增大。图3.6转弯特性简图cota=cotβ-BL（3.1）Rmin=Lsinαmax式中：B——主销倾角延长线间的距离；L——轴距；A——前轮内偏角；——前轮外偏角；R——最小转弯半径。表内偏角与整车宽度的关系表αL150015501600车轮前端横向扫过距离10R=8640R=8929R=9217M=4011R=7640R=8123R=-8385M=4512R=7210R=7455R=7659M=5213R=6860R=6890R=7112M=5614R=6200R=6510R=6614M=6015R=6100R=5918R=6812M=65经过计算发现在设计最小转弯半径8800mm的情况下内偏角随轴距L的增加而增加而内外偏角的差之和B/L的值有关，同时如果希望将车轮纳入车身中的话我们会发现轮距增加会增大外偏角而其角度越大车身和车轮的距离就会越大这样才能保证其最大偏角。经过计算发现偏角每增加0.74°距离d相应增加。初步将轮距B定为600mm质心几何坐标的测量质心的位置对整车各个尺寸的确定是不可或缺重要的参量。需要测量的参量有：LZ1——LZ2——a1——a2Hg——水平面即xy平面上质心的几何位置，可以根据测量的数据进行计算。如设质心到前轴的距离为a那么到后轴的为根据公式可列如下方程表达其平衡关系。G1‘=GG2’=G式中：G1‘——G2’——G1——前轴载荷G2——后轴载荷A——质心到前轴距离；B——质心到后轴距离。测量原理：质量反应法测量工具：磅秤或车轮负荷计，精度0.1%，卷尺，精度0.1%。测量步骤：（1）将后轴放置于已调整好的秤台上，前轴停放在另一秤台上或支撑物上，并保持在同一水平面上。在前轴和后轴相同高度处分别标识记号点hi测定后轴轴重G2（或前轴轴重G1）轴距L记号点高度hi和个轮的静载半径rs。（2）抬高汽车前轴（或后轴），使其纵向倾角分别为11°、18°、20°测量每次抬高到规定角度时的轴重G2图用质量反应法测质心高度示意图质心高度hghgα=r式中：hgα——汽车抬高到某一规定角度rs∆GIα——G0——L——汽车轴距∆hα——汽车抬高到某一规定角度最后有：h先后对H2号车进行了5次测量每次3组数据，但前两次公式和测量条件有错误舍去。第3,4次角度变化太小在后期侧翻计算中不符合实际情况舍去，第5次测量实验得到数据符合侧翻公式，也符合实际行驶情况。所以保留第5组数据作为理论依据。质心位置计算（z方向）如式、XY平面内的质心位置计算:G=890+330=1220a+b=1550890=1220×330=1220×a=1.131m=1131mmb=0.419m=419mm抗侧翻性的计算侧向倾翻是指在本车以一定速度过弯时，由离心力使外侧车轮附着力减少直至为零产生侧翻的情况。当离心力力矩F×H>G×a倾翻（）F×H<G×a稳定（）式中：H——汽车重心高度；A——转弯时内侧轮接地点与中心的竖直线间的距离。通过上式我们可以得出抗侧翻需要改变的参数为（1）减小h（降低质心高度）（2）增大a（增大力矩即适当增加轮距轴距）。由于驾驶员视线的限制驾驶姿势不可能有进一步的变化，质心也不可能有太多的下降余地而且每个人的体态分布是不均匀的我们无法准确的预测质心的确切位置。我们暂定之心位置不变，通过改变轮轴距来增加抗侧翻性，但是轮距和轴距是不可能无限增加的，所以我们对其关系进行了得到了如下的数据。从下表3.3a/b/c的数据我们可以发现轮轴距与质心几何位置同过弯车速的关系，即降低车速，降低质心高度增大轮轴距对抗侧翻性都有提高。通过上述的计算和分析可以将各个尺寸参数暂定为如下表所示。表3.3允许过弯最大速度与质心高度的关系H轮距BVVVVV注：V为过弯速度轴距L=1.5（单位：m）H轮距BVVVVV注：轴距为1.55(单位：m)H轮距BVVVVV注:轴距L=1.6（单位：m）制动总成的相关计算制动力的确定应该保证节油车在满载情况下于11°Gsinα≤GG=mg（）式中：α——制动坡角αf——滑动阻力系数已知sin11°=0.19通过汽车理论的知识分析可以得到如关系式：Fxb≤Fφ=FZ式中：Fxb——Fφ——FZ————附着系数Fxb=T式中：Tu——R——车轮半径已知Fxb=Gsinα50Tu=93.10.25根据以上的计算可以确定所需采购的制动闸的最小制动力，已达到计算要求为优。发动机的功率对节油成绩的影响非常的大，功率应该为当时车速行驶时需要的行驶阻力和功率之和可用式计算。发动机最大功率kw。Pmax=1ηt式中：ηt——ma————重力加速度——滚动阻力系数由实验确定CD——风阻系数——迎风面积vmax——最高车速虽然本田125发动机已经给出但是由于比赛不需要高速运行所以功率不会达到原发动机功率。根据设置目标参：ηt=0.95mCm2v求得：Pmax=6.22/8000kw(n/m发动机最大扭矩发动机的功率对节油成绩的影响非常的大，功率应该为当时车速行驶时需要的行驶阻力和功率之和可用式计算。Mmax=7019aPmaxn式中：Mmax——a——扭矩适应系数Pmax——np——试取a=1.2解得M变速器档位数传动比的选择根究性能分析和对比，认为变速机构采用一挡传动比二级传动而变速机构全部拆除。在方案改进后，变速器的传动比也发生了变化。为能够使WH125-6发动机的经济转速在5000r/min；赛车的平均车速为25km/h；重新计算的传动比由公式得ua=0.377nri式中：ua——为车速（km/hN——为发动机转速（r/min）；R——为车轮半径（m）；I——为总的传动比；为能够使发动机经常工作在经济转速，同时，发动机的工作情况是熄火、启动；车的行驶速度先提速到40km/h后熄火滑行，当车速降到15km/h在启动发动机，如此循环。为了能有更好的节能工况，现利用经济转速5000r/min，车速25km/h，车轮使用的是20英寸的轮胎，半径是。因此，i=0.377nru为使发动机工作在5000r/min左右，车速在20-40km/h进行反向验证：此时in=当ua=20km/h时n=ua当ua=30km/h时n=ua当ua=40km/h时n=ua由以上数据可以得出赛车的行驶速度范围是20-30km/h，发动机的转速的范围在4000-6000r/min，传动比i。由以上数据可以得出赛车的行驶速度范围是20-30km/h，发动机的转速的范围在4000-6000r/min，传动比i。确定的传动比为上限数字根据详细设计考虑到整车的匹配情况可以考虑适当减小以优化整体装配能力。根据汽车行驶功率平衡公式：Pmax=1η式中：ηt——ma————重力加速度——滚动阻力系数，由实验确定CD————迎风面积vmax——最高车速虽然本田125发动机已经给出但是由于比赛不需要高速运行所以功率不会达到原发动机功率。根据设置目标参：ηt=0.95mCm2v对滚动阻力分析后发现滚阻的大小主要影响因素是垂直载荷和道路情况轮胎滚阻系数有关，轮胎的滚动阻力系数FW=CCD范围：；A范围：0.30~0.40m表3.4风阻系数与迎风面积关系表CCCA0.04500.04800.05100.05400.05700.06000.04650.04960.05270.05580.05890.06200.04800.05120.05440.05760.06080.06400.04950.05280.05610.05940.06270.06600.05100.05440.05780.06120.06460.06800.05250.05600.05950.06300.06650.07000.05400.05760.06120.06480.06840.07200.05550.05920.06290.06660.07030.07400.05700.06080.06460.06840.07220.07600.05850.06240.06630.07020.07410.0780CDCDFW范围：uua范围：10km/h~40K=FW范围：表3.5风阻与车速的关系通过上面的分析可以发现降低车身高度和缩小轮距对减少正投影面积有帮助但是对减少阻力的贡献有限但是降低风阻系数对降低风阻贡献颇多，根据已有的资料显示奥迪和奔驰公司的市售车型都有CD值在的车身，而有些赛车可以达到水滴可达到那么可不可以将风阻降到本章小结本章对节能车的各个尺寸参数进行了详尽的数据收集和计算，对参数的选择有了大量的证明和数据储备。通过对后备驾驶员身体数据的收集对人机工程的设计有了明确的依据，通过对发动机的功率计算选择了较优的传动比，通过对转弯特性的计算对轮轴距的关系有了大量的数据支持，通过对质心的测量对过弯安全性有了数据的储备。

第4章基于UG的H3号车总体设计4.1UG软件的产品介绍来自SiemensPLM的NX使企业能够通过新一代数字化产品开发系统实现向产品全生命周期管理转型的目标。NX包含了企业中应用最广泛的集成应用套件，用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程如图为进入UG操作界面。图工作界面4.2UG设计界面NX是UGSPLM新一代数字化产品开发系统，它使得工程专业人员能够推动革新以创造出更大的利润。NX可以管理生产和系统性能知识，根据已知准则来确认每一设计决策。NX为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。利用NX建模，工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状，并且使用先进的渲染和来最大限度地满足设计概念的审美要求。NX优于通用的设计工具，具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。NX允许制造商以数字化的方式仿真、确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较早地运用数字化仿真性能，UGNX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架，它为UGNX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式下观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改：如对刀具轨迹进行延伸、缩短或修改等。该模块同时提供通用的点位加工编程功能，可用于钻孔、攻丝和镗孔等加工编程。4.2.1设计流程H3号车的设计阶段运用了UGNX6.建模软件从而可以使在开发设计阶段使产品更加直观便于各总成的匹配和更改。在开发阶段我们遵循了如下的流程如图所示：1）初步方案参数的确定。2）总布置下发各总成的形式和设计硬点。3）各总成负责人领取需要参数并开始ug的建模4）对各部件进行可行性分析5）更改6）装配图初步方案确定硬点的位置讨论完成后的方案总成组1初步方案确定硬点的位置讨论完成后的方案总成组1总成组2总成组3总成组2总成组3总布置图的绘制各总成的装配更改形式和硬点总布置图的绘制各总成的装配更改形式和硬点图设计流程图4.2.2参数的选择经过第三章的计算可以对各个参数值的影响有了定性的了解并可以做一定的定量的分析也就是个参数组合对整车性能的影响。但个个参数之间是有冲突的每个参数都不可能达到最优的数值，也不可能对其无限制的优化下去因为分析能力的制约和制造能力的局限只能粗放性的选择若干尺寸进行对比。前面已经说过参数的选择要遵循已完成比赛为前提以节油为最终目的。首先轮距轴距的确定是非常关键的它关系到整车的动力性、经济性、平顺性、操纵稳定性等等。轴距主要保证发动机、驾驶员、传动系统被布置在里面还要保证一定的操纵空间，轮距主要保证转弯特性和抗侧倾翻特性如表为轮轴距的比其比值的大小体现了其某些运动性能的好坏。在选定的参数的时候首先明确以下几点：(1)整车布置形式为发动机后置后轮独轮驱动，驾驶员被布置在了前面这样轴荷会大于后轮。(2)前轴为两侧悬臂轴那么轮距就会受到双腿的空间限制。(3)双腿的长度决定了前悬的长度，这车的高度受头部高度和发动机高度的限制。轴距l轮距b1400150016001700500600700800根据资料可以知道世界拉力锦标赛的所有参赛车队的轮轴距比接趋近于这一黄金分割点即说明这样的比例既保证了高速性也保证了灵活稳定性，但为了节油可以牺牲部分灵活性与动力性。发动机立起后顶点距车架零平面距离为450mm可以使驾驶员的头高（带上头盔后）于其高度相同。增大座椅与靠背的角度有助于降低质心高度但视野会受到影响。根据最高车速Vmax=40km/hVmin=10km/h通过第三章的计算发现如果以最低速度过弯的话满足抗侧倾要求甚至可以以更高的速度过弯。因为我们发现虽然发动机立起但是质心位置并没有改变又由于离地间隙和头部高度下降所以可以认为质心高度是在200mm以下，根据估算在通过八米半径的弯道的时候可以将速度提高到15km/h以内。龙门的高度应该以驾驶员操纵时最自然的姿势（当时躺姿）和驾驶员进出时的便捷性为首要参考。经过测量发现160~155cm的身高所对应大腿高度大约在250~270mm这一区间最后将龙门高度设定为280mm加上20mm的方管厚度龙门高度为300mm。整车的宽度再计算车身的情况下要求在750mm以内，如果有取下多度的情况可以适当放宽但不能超过800mm同时根据赛道信息比赛赛道最大坡为千分之三所以接近角在6°左右为好，遂定为6基于UG的各部件的设计首先总布置部分要提供一些列参数对各总成进行约束，然后对各总成的形式提出意见。经过三章的参数计算和上一节的选择对比可以选取参数如下：整车总体技术硬点表基本形式掀盖/单排/单座驱动形式动力总成立式后驱外形尺寸长mm2700宽mm780高mm550前轮距／轴距mm600／１５５０前悬mm780后悬mm50整车质量参数整备质量kg50承载质量kg50满载质量kg100空载前后轴荷kg))满载前后轴荷kg（）（）通过性接近角（）7离去角（）10最小离地间隙mm50动力系统以本田125-6发动机和自主设计二级减速机构为基本型，参如下：基本形式发动机后置立式右侧传动发动机Hoda125-6汽油单点化油器式变速器二级减速附带牙签离合装置发动机排量L125发动机最大功率Kw/rpm发动机最大扭矩N∙m详细设计为：动力总成四点支撑（前、后、左、右）传动方式为无声链式传动动力传动系统布置硬点：

发动机悬置点坐标左前xz:20左后xz:20右前xz:20右后xz:20车轮定位尺寸布置硬点参数轮胎类型高速自行车轮胎轮胎规格20前轮外倾-0.8°∓前轮前束°主销内倾10°制动器、转向、蓄电池布置参数制动钳心几何参数x:0y:1475z：130转向拉杆mm385转向把长度mm257仪表台cm60倒视镜cm40负极接线柱x:-150Y:950Z:0蓄电池尺寸mm130701304.3.1主体尺寸的确定主体尺寸参数包括轮距、轴距、整车高度等等。UG的建模分为草绘和实体建模，根据学习发现草绘功能比较适应复杂构件的绘制实体建模可以做适当的补充。首先可以对所要用到的部件进行测量然后进行草绘、拉伸、打孔、倒角、拆分体、修剪体、等等命令然后进行简单的装配如图4.3就是其界面菜单。根据提供的外形尺寸要求得到车架建模完成体车架的绘制是一个反复论证的过程因为需要与各个总成匹配所以改动往往是一系列的而且需要进行大量的运动校核和相关材料试验。所以淘汰了很多方案如下图就是经过强度校核被否决的车架方案。对车架的要求也是很高的因为其既需要保证相当的强度和刚度优希望尽量的降低重量，这往往既需要在材料上做选择有需要在结构上提出好的方案如图4.5就是经过强度分析后对后部进行加强后的模型，同时所设计的结构还要满足当前的加工要求。所以在车架的设计阶段需要运用ANSYS受力分析软件，在对其进行强度校核的情况下不断优化其结构。如图即为最后采用的车间方案。图4.3界面菜单图被淘汰的车架方案图4.5后部特写图4.6车架完成体4.３.2转向总成的设计转向总成包括可车轮的定位参数如内倾、后倾、前束、和转向角的大小等而且在保证车架宽度的情况下不能入侵轮距的空间涉及到转向梯形的校核和各个结构的间隙调整。如图4.7就是所设计的车轮定位驱动总成的一部分其不但起到定位的作用还要负责转向承担轴荷等要求。如图4.8为装配工作菜单起作用就是将各个零部件装配到一起，众所周知机械类部件的基本形式为轴类，盘类，箱体类、等等而UG的装配菜单就是以它们为基本的装配对象进行设置的，所以装配起来较为方便。这部分需要大量的装配操作涉及到空间上的配合和间隙的调整。图车轮的定位总成图4.8装配菜单栏a\空间的大小时候合适。如图6是将其渲染后完成的效果图，对其进行了简单的附色和视觉效果处理发现其美观性还有很大的提升空间。如图为装配完成后进行的渲染对其外观进一步提高。图4.22网上下载的人机效应示意图图总布置设计包及内饰人体模型编辑人机工程及汽车总布置工具包4.25放入虚拟驾驶员后的总布置图4.26装上车身后将车身调成透明后的效果图装上车身后需要确定头部与车顶端的间隙是否满足需要是否妨碍头盔的佩戴，前挡风玻璃的尺寸是否可以保证驾驶员的视线，两侧玻璃能否起到扩大视野的作用。好需要检查车轮与车身的距离是否能满足设计转弯时的空间要求。4.27经过渲染后的车身效果图本章小结本章主要对第三章的参数进行了筛选并暂时确定了H3号车的基本参数，通过UG/CAYIA建模软件对其进行3D建模并完成其装配关系，对各个总成进行了优化和评估，在保证各个硬点不被侵犯的情况下尽可能的合理的利用空间。通过借助软件可以很好的完成需要大量的测量和实验才能确定的参数如倒视镜的定位、前挡风玻璃的边界确定、人体视线的接地点的位置等等。

第5章基于ADAMS的运动校核5.1ADAMS简介Adams是集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机软件世界上目前使用范围最广、最负盛名的机械系统仿真分析软件产生复杂机械系统的虚拟样机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参数方案，直至获得优化的工作性能。如下图为ADAMS的工作界面。运动校核的目标H3号节能车是没有悬架的，所以关于悬架系统的分析无法进行的。由于大量的参数无法收集所以只能进行简单的转向系统的运动校核。转向系统的校核主要是想知道设计的转向机构各结构件之间是否有运动时的干涉转向时的转向梯形是否有保证，运动的转角是否满足设计要求。如果上述条件都满足的话可以认为这个系统是具有“运动特性”的。首先选择界面的初始单位，为mmks，重力方向为-y方向，如图为初始设置图。图5.2初始设置然后导入在UG中建立的转向模型1并对其进行设置，如部件的代号、材料、颜色等等然后再需要运动的地方加上运动副，对各部分的设置如下：部件运动副固定处驱动车架固定副大地无车把铰接副车架——车把电机周向拉杆（长）滑动福拉杆上无拉杆（短）滑动福拉杆上无关节轴承轴承碗固定副车架龙门处无内球球副轴承碗无螺栓铰接副龙门内倾定位处无经过添加约束完成后，经检查无误后进行仿真。截图(如5.4a/b/c/d)所示从下面的过程截图可以看出该转向机构是可以满足转向操作的，其优点是结构简单制造难度小，因为是整体式拉杆所以转向角可以保证。其缺点是驾驶员草做时的幅度较大，拉杆力学性能较差，较阻挡视线。1号方案运动校核图1号方案运动校核图1号方案运动校核图1号方案运动校核图而后有对转向模型2进行运动仿真，因为模型导入ADAMS后出现仿真错误的问题遂进行ADAMS的建模当然为了运行快捷对一些无关紧要的细节位置进行了模糊处理。基本设置如一号模型,仿真结果如（图5.5）（图）。图2号方案运动校核图2号方案运动校核图2号方案运动校核图c2号方案运动校核图通过对二号模型的仿真我们发现相对于一号模机构来说它具有操纵幅度小，转向灵敏，转向限位较容易等优点遂决定使用二号转向机构。并得到以下结论（1）可以在空间结构上发现1号方案的力臂设计的过短会对驾驶造成影响（2）1号方案运动时左右变化区别过大有可能对结构件造成受力变形。.5.4校核完成后对转向的改良校核完成后发现还有部分尺寸和结构需要进一步的优化，（1）尽可能的增加转向臂的长度考虑强度要求和操纵便捷性又不宜过长。（2）适当增加下至横拉杆的长度即两转向臂的与拉杆的角度。（3）将拉杆与龙门框一平减少对驾驶员的干扰。最后采纳方案通过运用ADAMS软件可以将转角进一步的优化，并对限位构件进行设置。我们发现方向把每转30度转向臂转过15度，如果完成要求就可以对过多的自由度进行优化。5.5本章小结本章主要运用了ADAMS软件对所设计的主要运动件进行了运动校核，检查了其运动干涉情况和机构运动时的轨迹是否满足设计要求。经过校核后对所设计的机构提出优化方案进一步提高其效率和整体

结论通过本次毕业设计可以对节能车的设计有了深刻的了解，对相关知识也有了较全面的学习。可以说节能环保的技术是一项非常高端的技术，随着排放要求的提高，节能技术的先进性也不断的推高。结论和突破通过本次设计可以有以下几点结论；1.驱动传动部分油节能的重中之重，其充当着车辆节油能力的核心位置也是整车技术含量最高的地方。2.操纵部分也是相当重要的组成部分，因为大量的技术如果不用智能控制的话考驾驶员经验操纵节油水平很难保证。3.电控部分连接着操纵和驱动两大部分说其是最主要的也不为过。4.整车参数的控制是节油的基础，因为整车的重量、风阻系数、滚动阻力都深切的关系到消耗能量的高低不能不考虑。H3号节能车设计有以下几方面的优势。运用了专业软件辅助完成了几乎全部的设计并进行了虚拟的装配节省了大量的试制论证时间。通过测量和实验收集了较全面数据为整车的设计做了数据上的支持。整车的参数部分实现了动态的更改和参数化的设计，可以在原有的基础上进行某一部分的变更而不影响其他结构。缺点和不足本次设计还有很多欠缺和不足之处需要改进，如建模时间周期过长，软件模块儿运用的不够全面对很多命令都不是很明白，时间测量数据的误差有些高需要大量次数的测量才能有较满意的数据出现，还可以对建立的模型进行大量其他的仿真但是由于学习时间短无法掌握比较遗憾。待改进的部分对节油车总布置设计还有很多需要改进和加强的地方。设计部分，如果想对成绩有跳跃式的突破必须要有革新的设计运用到更加精密新技术。车身部分也可以以整体式车身，轻量化材料等来减轻重量降低风阻。而以上这些支持其成功的条件就是加工能力的提高，工艺性是设计目的的提高和保证，没有加工以上的设计就无法实现其性能也无法保证，因而需要找到代工点儿或者提高自身的加工硬件和工艺能力。我相信解决以上问题后H系列节能竞技车一定可以取得越来越有益的成绩。

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致谢本文是在我的导师李涵武老师的悉心指导下完成的．正是导师的远见卓识帮我树立了正确的研究方向，这是论文得以顺利完成的首要条件和有力保障．在论文即将完成之即，我首先对导师李涵武老师表示衷心的感谢．李老师的渊博学识，不倦教诲、敏锐的思维和严格的治学态度永远值得我学习和珍惜．感谢汽车先进设计与仿真研究室的杨兆老师，开放实验室的崔宏耀老师的指导和帮助．感谢吴立成同学、于波同学、周冠男同学的支持和帮助．感谢开放实验室的杨玉立同学、赵云龙同学、感谢我团队的队员们和其他团队的同学们，他们在我论文的工作过程中给予积极的支持和无私的帮助，为课题的顺利完成提供了有利条件．在论文和项目进行期间，上海同济同捷科技股份有限公司投入了大量的人力物力．对他们的辛勤工作表示衷心的感谢。

附录．．