车辆工程毕业设计论文-基于ansys的大学生节能车结构优化设计(编辑修改稿)

车辆工程毕业设计论文-基于ansys的大学生节能车结构优化设计(编辑修改稿)内容摘要：

发形式的一种探索。 随着汽车行业的蓬勃发展，也随之进入了一个以 “节能、环保、安全 ”为主题的全新汽车发展时期。 这不仅顺应了对生活环境条件改善的要求，也符合建设低碳社会、低碳生活的原则。 地球是我们赖以生存的家园，保护地球是我们的责任。 在资源紧张、温室效应加剧、极端天气频发的条件下。 开发节能车已被各国重视，很多国家、科研所和大学投入专项资金用于研发节能车。 我国是一个能源资源相对缺乏的国家，随着当前我国国民经济和汽车工业的快速发展 , 以及由此带来的能源消耗和环境问题的日益突出 , 交通节能减排工作的重要性不断增加 ,而汽车节能减排则又是其中的重要组成部分 , 重要性不言而喻。 国家 “十一五 ”规划和 “十七大 ”都对汽车的节能减排提出了要求，并将发展新能源汽车、节能汽车等政府策略逐 渐上升为国家战略。 考虑到我国当前汽车节能技术发展的实际情况 , 除了推行节能惠民车型并已着手限制汽车的排量，并已积极推进以混合动力、燃料电池、先进柴油、醇类汽车等为代表的新能源汽车技术的研发力度，为了响应国家的号召及适应全球对新能源汽车的需求， 8 一汽集团、上汽集团、长安汽车以及清华大学、吉林大学、华南理工大学等企业和高校一直致力于汽车节能减排技术的研究。 电控燃油喷射系统的普及，进、排气控制技术、柴油机电控技术的应用以及电动汽车、混合动力汽车等的开发，比亚迪汽车、哈飞汽车、长安汽车等在陆续研发出的电动（出租）汽 车、混合动力车；辽宁曙光汽车也已研发出电动公交车，为我国新能源汽车行业的发展奠定了基础。 另一个推进汽车节能减排工作的措施就是大力研究开发适合我国现阶段汽车行业技术现状 ,以及适合大量在用汽车的高性能汽车节能产品。 并通过各种场合及汽车大赛来宣传新能源车型和节能车的重要性，用以控制日益增长的碳排放量。 众所周知，日本是一个自然资源极度缺乏的国家，因此在资源的利用以及新能源的研发方面都是极其重视并在一些节能技术方面处于世界领先地位，单是汽车产业，日本汽车就以其良好的经济性风靡全球。 本田公司早在 20 世纪 80 年代便开始 创办汽车节能大赛，已风靡各国；丰田公司又研发了世界上为数不多的量产混合动力车 ——普锐斯。 同样在汽车工业发达的欧美，汽车节能技术的研发始终被放在汽车发展问题的最前沿，如外界广泛所说的大众黄金组合 “TSI+DSG”技术。 每年在欧美车展上，由欧美各大汽车厂商研发的新型环保概念车都有亮相，有些车型也已经投产，其中大多数以电动汽车为主，如由美国通用汽车公司旗下雪佛兰品牌的科鲁兹系列车型已研发出科鲁兹电动车。 欧美等发达国家已开始提倡使用电动汽车用以缓解日趋紧张的全球能源供应，不仅是新能源汽车，欧美也在大力发展传统汽车的 节油技术，比如宝马的Valvetronic 技术，与之相同的是日本本田的 VTEC 和丰田 VVT～ i，但这些技术仍未实现全电子控制，而且通常仅对进气门的升程和开闭时刻进行控制，所以发动机的进、排气控制技术仍有较大的开发潜力。 发动机缸内直喷技术等技术的研发，也为传统汽车的节油技术的发展提供了参考。 研究内容 本设计为全国大学生节能车比赛用车，要求车身长小于 3m，自重小于 60kg，乘载 1 人，驾驶员重量小于 40kg， 1 公升汽油能行驶里程大于 300 公里，行驶速度大于50km/h，能够 变速，要求零部件材质轻，车身外形设计要求风阻小，流线型好，即节油又美观。 应在详细分析节能车结构形式及工作原理基础上，完成总体方案的设计；利用 AutoCAD 完成大学生节能车二维结构设计并进行校核计算，分析大学生节能车制作工艺；利用三维建模软件 Pro/E 和 CAITA 完成大学生节能车车架和车身的三维建模，并利用 Pro/E 进行节能车的虚拟装配；利用 ANSYS 软件进行有限元分析：主要包括对车架的静力分析和模态分析并依据分析结果进行结构优化设计。 9 研究方法 通过使用计算机辅助设计软件对车身进行曲率分析，车架 进行静力学及模态 分析，可以详细了解到车身设计是否符合要求，方便改进车身设计的不足。 通过 ANSYS 有限元分析软件分析对车架进行静力学分析可以找出车架设计的缺陷，便于改进车架。 使车身及车架整体性能得倒提升，达到设计方案的优化。 从而分析出结构设计的缺陷，方便设计人员进行改进；同时对于一些不需要的部件则采取弃用的办法从而达到设计方案的优化。 拟采用的技术流程如下 图 所示。 调 研 、 收 集 资 料初 定 设 计 方 案车 架 设 计节 能 车 二 维 结 构 设 计车 身 造 型 设 计节 能 车 二 维 结 构 校 核是 否 合 理N零 部 件 的 选 取合 理 性 分 析确 定 最 终 设 计 方 案节 能 车 制 作 工 艺 的 分 析Y三 维 实 体 建 模NA N S Y S 车 架 模 态 分 析干 涉 检 查N撰 写 设 计 说 明 书结 构 优 化 设 计P r o / E 装 配A N S Y S 静 力 学 分 析C A T I A 车 身 建 模P r o / E 车 架 建 模是 否 合 理是 否 合 理YYC A T I A 车 身 曲 率 分 析P r o / E 进 行 整 车 重 量 、 重 心 、 惯 性 矩 等 分 析 图 技术流程 10 第 2章 节能车整车设计方案 大学生节能车是由 大学生进行设计的一款节能竞技的整车。 为了使 节能车 能够正常运行，要求在 配置上 要 具有整车的动力传动系统 ，由车轮支撑车体在地面运行并由发动机通过传动系驱动 车辆 并且能够变速，车辆 转向机构 控制节能车转向。 节能车同样需要车身保护驾驶员，降低节能车所受阻力。 对于车身要求外形流线、美观。 节能车在配置及操纵上。 在材料的选取上要了考虑到车架及车身的 选材的成本及其 轻量化。 车轮配置 前一后二 这种布置形式类似于日常生活中所见到的三轮车。 在设计制作过程中容易利用自行车部件从而减低了制作难度，节省制作时间，而且驾 驶构造比较简单。 但行使稳定性较差，尤其是转向行驶稳定性，会降低节能车的行驶安全性。 如图 所示。 图 车轮布置形式前一后二 前二后二 类似于常见的四轮轿车。 优点为有较好的行驶稳定性，但在以节能为主要目的的竞技大赛中，这种布置方案的缺点更为突出。 首先，由于接地面积较大，提高了车辆在行驶过程中的行驶阻力。 其次，构造的复杂度会明显提高，同时也影响整车的质量。 如图 所示。 11 图 车轮布置形式为前二后二 前二后一 其优点为在保证较小的行驶阻力的前提条件下，能够很好的保 证行驶的稳定性，从而提高了节能车的安全性。 如图 所示。 图 车轮布置形式为前二后一 综合上述结构的优缺点，在节能为主的前提条件下，又要同时保证良好的操纵性和行驶安全性。 因此确定节能竞技车的车轮布置形式为前二后一的布置形式。 车架结构 根据车轮的配置方案，选取适合的车架材料和结构。 12 因为车架质量的大小在一定程度上影响油耗，而且所选材料以及结构的合理性对车辆的安全性有着很大的影响，在车架材料和结构方案的确定过程中应同时考虑到 小巧、轻便、结实、安全 等因素。 车架设计要求： 1） 具有足 够的强度，保证在比赛期间的任务工况下，车架的主要零部件不因为受力而破坏。 2） 具有足够的抗弯刚度、扭转刚度，以免车架上的总成因变形过大而早期损坏或失去正常能力。 3） 车架重量要轻，在保证强度、刚度的前提下，车架的自身质量，应尽可能小，以减小整车整备 质量。 车架结构形式基本上有三种：边梁式、中梁式（脊骨式）车架、综合式车架。 边梁式车架 由两根位于两边的纵梁及若干根横梁组成，用铆接法或焊接法将纵梁与横梁连接成坚固的刚性构架。 其特点 ：便于安装驾驶室、车厢及一些特种装备和布置其他总成，有利于改装变 型 车和发展多品种汽车上。 如图 所示。 图 边梁式车架 中梁式车架 只有一根位于中央贯穿前后的纵梁，故称为脊骨式车架。 这种结构的车架有较大的扭转刚度，使车轮有较大空间。 其优点：车轮有加大的运动空间，便于采用独立悬架，可提高汽车的越野性与同吨位货车相比，其车架较轻，减少了整车质量；同时重心较低，因此行驶稳定性好；车架的强度和刚度较大；脊梁还能起封闭传动轴的防尘套作用。 但这种车架的制作工艺复杂，精度要求高，给保养和修理带来诸多不便。 如 13 图 所示。 图 中梁式车架 综 合式车架 又称复合式车架。 他同时具有中梁式和边梁式车架的特点。 车架的前后部均近似边梁式结构，而中部采用脊梁式结构。 此结构使中部抗扭刚度大，地板高度低，但地板中间往往形成大鼓包，影响乘坐舒适性，加工工艺复杂，应用不广泛。 由于节能车载荷小，行驶路面状况较好，因此车架选用边梁式整体结构。 由于车架内部要有一定的容积，便要求车架本身结构不能太复杂，采用边梁式结构可以节约大量的空间。 在承受扭矩时，纵梁和横梁同时产生弯曲和扭转，避免应力集中。 如图 所示。 图 综合式车架 转向方案的确定 考虑到车辆 的结构形式并结合所设计车辆的特殊性及比赛场地因素。 常见节能车转向结构 如下。 14 这种结构形式很简单，它是以整个车轴作为转向装置 ，车架也可以设置的较低。 但要使左右车轮完全平行进行的定位调整很难，在转小弯时，车轴会发生很大的移动。 虽然结构形式制作方面较为简单，但在实际驾驶操作方面明显存在弊端。 如图 所示。 图 中央支撑式 （梯形结构） 这种结构比较复杂，但与前轮定位的调整较为轻松，即使大幅度转方向盘，车轮也不会 大幅度前后移动。 其中两转向臂的角度理想的情况应该保证 两前轮中心 易与后轮中心连接成线，为降低转向系统复杂程度，同时又能保证具有足够的转向能力。 如图 所示。 图 梯形结构 发动机布置、动力驱动传 动方案 发动机常用布置方式有三种：前置式发动机、后置式发动机、中置式发动机。 在节能车上所采用的常为后置式发动机。 前置式发动机对车身设计要求有所提高，将使 15 驾驶员座位高度升高，不利于降低风阻系数及造型美观。 也会使前轴载荷增大，不利于转向系统的布置，也会影响车辆行驶稳定性。 中置式发动机亦然。 由于后轮为驱动轮，在设计传动系时会影响整 车车重。 后置式发动机便于转向系统布置，使底盘降低，有利于减小迎风面积，有效降低风阻，且驾驶员视野开阔。 便于后轮的动力输出。 传动 方案 轴驱动，这种驱动形式的优点为传动效率较高，缺点为由于采用后一轮的车轮布置方式，因此会造成发动机质心偏离车辆的中心线。 如图 所示 图 轴驱动 链传动，链传动效率没有轴传动的传动效率高，由于摩托车本身采用链传动，因此在设计和制造过程中更加容易实现。 如图 所示 图 链驱动 驱动方法的确定由于在发动机方面没有进行较大的改造，因此采 用了较为保守的链传动形式，基本借鉴与摩托车的传动形式。 由于轮胎确定为前二后一的布置形式，如果采用前驱的方案将会使设计制造的复杂程度增加，所以决定采取后驱的驱动形式。 一方面后一轮驱动不用涉及差速器等方面的考虑，另一方面也前两轮转向系统的结构形式也会简便许多，同时也达到了减小整车质量的目的。 为了降低节能车车重，选择链传动。 能够省去布置结构复杂的传动系（万向节类的）。 变速机构拟采用摩托车式变速方法，即通过手柄的旋转控制界气门开度达到变速作用。 节能车由发动机发出动力经由变速机构到达发动机外部的主动链轮，接着由传动链传动从动链轮，最后通过分离式离合器到达驱动车轮。 16 轮胎选择 在设计过程中，轮胎的选取也是十分重要的环节。 轮胎不但影响着车辆在行驶中的滚动阻力，还影响着车辆在行驶中稳定性，因此在选取过程中要注意行驶阻力和行驶稳定性的均衡。 在过往的比赛中，轮胎的种类基本分为一下几 类。 20英寸节能车专用轮 20 英寸节能车专用轮是由德国 大陆 集团 马牌轮胎 提供的专业低滚动阻力轮胎， 如图 所示。 图 20 英寸节能车专用轮 20英寸自行车专用胎 采用自行车轮胎是要注意的一点为 自行车在行驶过程中车轮和车轴是不受侧向力作用的，但是在节能车的结构形式中，车轮和车轴是要受到侧向力作用的。 因此所选的车轮的车轴必须要有足够的强度。 如图 所示。 图 20 英寸自行车专用胎 26英寸管式轮胎 车轮直径选取过大会造成侧向力作用在车轴上的力臂加大，所以在选取较大致敬的车胎时应注意保证车轴的强度。 如图 所示。 17 图 26 英寸管式轮胎 12英寸轮胎 选取直径较小的轮胎可以在一定程度上减小空气阻力。 如图 所示 ； 图 12 英寸轮 胎 综合考虑以上几种轮胎形式，最终采用 20 英寸的自行车专用胎。 考虑到降低滚动阻力的同时保证足够的附着系数，三个轮胎均使用高气压轮胎，目的在于减小接地面积。 后轮采用较宽的车胎其主要原因为驱动方案定为后轮驱动，保证获取足够的驱动力。 当车轮在地面上滚动时，地面的出现使流场发生变化，升力变成正值，并且由于尾涡相对较大，阻力也更大。 从车轮完全暴露在气流中的一级方程式赛车上测出的气动阻力来看，。