hqj500型节油车车架优化设计.doc
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1、摘 要面对国际国内能源的减缩,节能减排已经成为汽车业所面临的主题。节能环保具有现实意义和深远意义。车架是汽车的重要组成部分,承受车上装置和来自地面的交变作用力,需要满足一定的刚度和强度。由HONDA公司发起的节能竞技大赛将会促进更加节能减排的汽车的问世。汽车节能可以通过很多渠道做到,本设计主要从车辆的轻量化角度出发,通过减少车架质量,从而在满足车架刚度的强度的条件下来进一步减少节油车整车质量。本设计对整车做了整体总布置,确定了重心的位置。而且通过PRO/E软件设计出了三个不同结构的模型,然后将三个车架模型转换成工程图。最后通过ANSYS软件多车架进行进一步的有限元分析,其中包括静力结构分析,模
2、态分析,和基于实际情况的有限元优化设计。由于车架结构的复杂性,通过有限元软件不但可以减少繁重的计算量,而且可以有效提高计算精度。通过静力结构可以更为直观的反映出车架受的最大应力和变形,同时便于三种车架比较。通过模态分析可以看出车架的动态特性,看其是否在发动机怠速状态下与发动机发生共振,应该避免共振。车架优化设计原则上是以梁段横截面的高、宽和壁厚为设计变量(DV),以总应力和位移为状态变量(SV),以车架总重量为目标函数的设计过程。但基于实际,本优化设计是在选出最好的车架模型的基础之上通过加减不同的梁,变换在不同处的梁截面,从而达到对车架优化的目的,进一步实现整车的轻量化而使得节能车更节能、更环
3、保。 关键词:节能车;车架;轻量化;三维建模;静力分析;模态分析;优化设计ABSTRACTFacing the reduce of resource in our country or in the whole world, saving resource and protecting the environment are becoming more and more important nowadays. They have direct and huge meanings .The frame plays an important part in the car.It bends cha
4、nging machanics from the car and ground, and should satisfied some strength. The composition which is put out by the HONDA Corporation would make more economical car be possible. We have many ways ,but my design is to try to make the frame much lighter. By doing this we can get the frame which meet
5、our requiry. My design do the work that make the cars components be in its really destination and make sure the location of its gravity. I have made three modes by PRO/E software and changed they into engineering paintings. At last I try to test by softwareANSYS,including statical analysis and motal
6、 analysis and getting better results by compariment .because of the frames not simpty, analysising by the sortware is more convinent and we can get more accute resaunts. By statical analysis we can get directly pictures of the whole machanic and the leave of the move from is original position. By mo
7、tal analysis we can diagnose that if the frame will shock with the engine at the same pace. We should get the best resaunts by regarding the width and height in the cut face as the DV, by regarding the whole strength and the leave move from its original location as its SV, by regarding the gravity a
8、s its objective function. After thinking the reality, based on finding the best modes, I change different size of different beams so that we can get the best resaunts . Finally will get the most economical frame. It will make the economical car much better in realm of economy and will be good for ou
9、r environment.Key words: Fuel Efficient Veicle; Frame; Lightweight; Statical Analysis; Motal Analysis ; Optimizasion Design II目 录摘要IAbstractII第 1章 绪论11.1 节油车的研究背景11.2 HONDA节能竞技大赛的规则简介21.3节能赛车的节能技术简介31.4节能赛车的车架简介41.5节能赛车车架的研究的目的和意义61.6 HQJ-500型节油车车架研究的基本内容及技术路线7第 2 章 HQJ-500型车架结构设计与总体布局82.1 节油车车架选用材料
10、82.2 节油车车架结构设计82.3 节油车总体布局82.4 节油车整体质心位置的确定102.5 本章小结14第 3 章 基于PRO/E的模型的构建153.1 Pro/E软件简介153.2 车架三维模型的构建153.2.1 节油车车架方案一模型163.2.2 节油车车架方案二模型203.2.3 节油车车架方案三模型233.3 本章小结26第 4 章 有限元分析与优化设计274.1 有限元分析的简介274.1.1 有限元法及分析过程简介274.1.2 ANSYS软件简介304.2 基于对该车车架分析的软件预设置324.2.1 PRO/E和ANSYS接口的创建324.2.2 设置内存与选求解器34
11、4.3 节油车车架的结构静力分析384.3.1 ANSYS参数的定义384.3.2 网格的划分384.3.3 施加约束和载荷394.3.4 车架的结构静力分析444.3.5 车架静力分析的对比及阶段性结论504.4 基于实际的节油车车架优化设计504.4.1 优化设计的基本概念504.4.2 基于实际的车架结构的优化设计514.4.3 车架优化设计的阶段性结论534.5 车架的模态分析534.5.1 有限元模态分析简介534.5.2 优化后车架的模态分析534.5.3 优化后车架模态分析的结论574.6 本章小结57结论58参考文献59致谢61附录63附录A63附录B68 第1章 绪 论1.1
12、 节油车的研究背景节能与环保是当今世界的重要课题。汽车工业也面临了创新、优化产品类型的新挑战,以适应广大民众和社会的需求。其实,汽车的从无到有,由简单到复杂,由追求的目标的单一化发展到追求速度、舒适性等方面的多元化,一直在升级换代。百年间,在节约能源上有很大进展。整车轻量化,降低轮胎的滚动阻力,降低空气阻力,变速器多挡及无挡化,代用燃料的使用等思想就恰恰是人们对汽车在节能领域的总结和探索。上个世纪八十年代的世界性课题之一就是“节能”,本田技研钻研节能课题的成果之一,就是推出了油耗仅为160km/L的新经济性车型spuercub,并为纪念这一车型的推出而举办了节能车竞技大赛。第一届大赛在铃鹿赛道
13、上举行,比赛分为第一组合第二组两类。第一组的参赛车辆为搭载了本田50cc冲程引擎的市售二轮车,参赛选手为16岁以上的有驾驶执照者,是使用一定量的燃料比赛行驶多长的距离的竞技。另外,第二组的参赛的车辆为搭载一台50cc4冲程发动机的原创车型,参赛选手为18岁以上有驾驶执照者,是在规定的路程中以平均25km/h以上的时速行驶后比较油耗的竞技。随着大赛举办次数的增多,油耗竞技的运动性和靠自己的智慧、技术制作车辆并不断改良的魅力使之越推越广,凭参赛者自己的双手扩大了影响,使大赛不断成长至今。21世纪节约能源、节省资源之外,环保工作也是刻不容缓。但是另一方面,能够随时去到自己想的地方去这种对车辆灵便性的
14、要求也越来越高。要解决这一矛盾,除了投入科学技术之外,还需要使用者掌握经济智慧的使用方法。以“挑战一升,环保一生”为口号的Honda节能竞技大赛,2007年正式登陆中国,参赛车辆统一搭载了由Honda公司提供的单缸四冲程发动机,车身和底盘等靠自己设计。比赛时用一定量的油在跑道内行驶,换算成一升油能在跑道上行驶多少千米,油耗少,则胜出。比赛旨在让更多的人体会到“低油耗就是环保”。 Honda中国节能竞技大赛是以搭载Honda4冲程的发动机为基础装置,分为两个组别,分别是市售车级别和节能车级别。其中节能车级别又分为学生组别、Honda关联企业组别和普通组别。现在学生组别一般由高校老师带领,学生动手
15、动脑的积极参与。去年去我校黑龙江工程学院在2010年的Honda中国节能竞技大赛上取得了很好的成绩。1.2 HONDA节能竞技大赛规则简介凡参赛的车辆必须符合大赛的规则,车手在规定的时间内行驶玩规定的路程,然后测量油耗。凡违反大赛规则的队伍将被取消参赛资格。具体比赛的进行流程在本说明书就不在赘述。下面就赛车规则予以简单的介绍。要求参赛车辆必须为3轮以上(包括3轮),要求其结构无论是停止还是行驶时都为三轮以上(包括三轮)结构且能够站立。全高要求在1.8米以下,轴距要求在1.0米以上,全长要求在3.5米以下,轮距要求在0.5米以上,全宽要求在2.5米以下,排气管要求不能超出车身后面以及侧面10厘米
16、以上,刹车配线等结构需要从车内穿过,以免与地面接触造成摩擦。在安全性上,为提高安全性,车身结构必须保证行驶时车手的头盔前轮车轴的后方,另外,发生冲撞时车身结构需避免头部直接受到撞击。在驾驶姿势的状态下,车身结构要确保车手的脚不会伸出车架的前方,车辆底板不能与地面接触,保证车手的全身完全完全与地面脱离。车手的臀部与地面保持60厘米以上的距离且脚步有安放的位置除外。另外发生撞击时车身结构需避免身体直接受到撞击。所有的参赛车辆必须将主办方分发的号码牌。参赛号码粘贴在车身两侧及车辆前端清楚可见的位置,共三处。号码牌周围25厘米范围内不得粘贴于比赛无关的内容,号码牌丢失将无法评定成绩。发动机以HONDA
17、提供的四冲程125cc发动机为基础,可自由改造,但要保证汽缸盖、曲轴箱、曲轴使用下发的发动机的零部件,且排气量在125cc以下,为自然吸气式。赛车至少要配备两套的独立的制动系统。并且每套系统都要有操作杆,需保证车手能够独自完成安全有效的刹车。此外,制动钳、制动垫等的固定安装也要充分考虑其安全性。制动操作杆必须固定在车身上。所有车辆必须配备车手能以正常驾驶姿势启动发动机的位置。但禁止靠起动机装置的动力前进。启动装置只有在断开离合器时才能启动。另外,在没有制动的情况下,启动发动机的的车子不允许前行。车辆搭载的蓄电池必须是普通市售的产品。前方所有的 车辆需保证车手以正常驾驶姿势行驶时正前方的事业左右
18、宽度至少90度,而且保证不使用反射镜、棱镜、潜望镜等直接可视高为80厘米的物体。所有参赛车辆为确保后方视野,必须在左右各装备一个带框的后视镜。单个后视镜的镜面面积必须在40平方厘米以上。参赛者在比赛时必须使用主办方供给的专用燃油和带编号的燃油瓶,在比赛期间领取的燃油瓶若发生损坏,应该予以赔偿。1.3 节油赛车的节能技术简介为能提高节油车的节能特性,可考虑一下几个方面:1、传动系统 输出功率固定为2速挡,可省略变速器,减轻发动机本身的质量。不过,上述情况下若要车辆能够行驶并发挥最高车速,则需通过安装在车轮上的链轮齿轮比来决定。使用自行车用自由轮毂(棘轮齿轮),可以减少车轮旋转阻力,并且可防止发动
19、机停止时发动机制动造成的减速和燃油消耗。因为要反复切换发动机驱动、惯性行驶,就必须对链条防松装置中的弹簧等加以调整,防止在使用驱动力时链条脱落。2、点火系统 火花塞通过采用双火花塞的形式,可以使稀薄燃烧时燃烧室内的燃烧稳定且充分,并且能缩短燃烧时间,减少爆震。采用双火花塞时,要把握燃烧室的形状,防止添加的火花塞互相干扰。另外,进行加工时,最好事先准备好半旧的汽缸盖等供加工联系用。点火系的电气部分可借用能使2根火花塞同时点火的摩托车用部件。去掉交流发电机、飞轮部分以提高机械效率,使用蓄电池向火花塞提供电力,火花塞使用高压白金V火花塞。3、汽缸对汽缸盖上汽缸接触面进行磨削及研磨,同时,通过使用薄汽
20、缸垫能提高压缩比;通过优化化油器到吸气口之间的进气支管的长度,可提高惯性吸气的填充效果;通过将排气管直管化并调节其长度,可提高惯性排气量;切削气门挺杆减轻重量,并对气门和连杆的表面进行研磨以降低转动惯性,同时防止附着过多的润滑油;发动机油为比赛期间的消耗品,可采用自然落下式,卸下既有的润滑系统以减轻重量;通过研磨吸气、排气口内部,减低供气排气摩擦阻力;由于发动机的驱动时间较少,为保温可去掉冷却风扇,这样也可减轻重量;吸气部的各个接合部位提高气密性可以使用填隙料等密封。4、化油器要延长全开驾驶时间,可变更化油器的主喷嘴、怠速喷嘴的直径,同时根据行驶基准线测定最佳调整值(以supercub 的整备
21、信息为基础调整)。另外,天气会使最佳值发生变化,所以在比赛之前将各种天气情况下的设定值整理成数据库,会比较方便。5、车架为减轻底盘的重量,可以吧发动机当做车架的一部分。一般来说车架也可使用方钢材加固定螺栓的结构,但为了减轻重量减少体积,建议使用空心圆钢焊接而成的结构。另外,在需要强度的地方,可以加入支撑件。加强筋等增加强度;座位部为了支撑车手的体重需要进行必要加固,还要安装靠背使车手能经住长时间驾驶,靠背还可兼做发动机的隔板;板材可以通过开适度的孔等方法以减轻重量。6、转向系统为确保视野,车手的驾驶姿势以及视野要求会使车轮的设置位置受到很大限制,所以应先确定车手的驾驶姿态;根据连杆臂的长度和转
22、向横拉杆的长度,决定方向盘舵角和实际舵角之比、内轮差。另外,有整流罩时,还需考虑转向时车轮和整流罩的互相干扰问题;关于前轮系统的定位,请在搭载了发动机、车手就坐时车身弯曲的情况下,调整到最佳角度,并注意阻力的减轻。特别是前轮前束和外倾角最好趋于0;转向臂的上部由于承受车辆荷重,在保持高强度的同时,可以在里面加入推力轴承,增加转向的顺滑性;轮胎对方向盘造成反冲,可以通过固定转向臂安装部位上下来调整,也可防止行驶时过度转向。7、车轮和轮胎建议使用速度竞技的自行车的车轮和轮胎;在正式比赛时要将车轮轴承内的润滑脂用清洁器清除,减少滚动阻力;为减少轮辐造成的空气阻力,最好使用板轮,使用辐条轮时,表面用聚
23、乙烯板盖住比较有效;在一小曲率半径过弯时轮胎要承受与普通自行车不同的横向力,为了此时保证车轮不爆胎,所以车轮和轮胎的接合,要是用更强的粘着剂;为减少接地面积降低滚动阻力,轮胎内压要比普通竞技自行车胎压高;轮胎为单支撑时,可以借用速度竞技用轮椅的轮毂。1.4 节油赛车车架简介若车身的骨架车架制作完成,再加上发动机、车轮、转向装置、座席、整流罩,赛车即制作完成。制作车架时,需要便考虑发动机的安装、驱动装置的调整、车轴的支撑方式,转向装置的行驶等。下图显示了汽车用车架的类型,但最近的轿车厂使用这些车架的复合型甚至无骨架结构。竞技节能大赛车辆必须更轻便、同时能支撑发动机和车手的重量。在其中焊接管道或型
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