2011第五届本田中国节能竞技大赛即将在上海举行,到时各个车队将会把一决雌雄。要在大赛上夺得好成绩,没有技术不行的。现在我们就节能车的技术问题做一下探讨。这辆小赛车虽然很小,但是“麻雀虽小,五脏俱全”,它的制作过程基本上就是一辆汽车制造过程。在竞技赛车场的节能成绩的较量也就是各个车队设计水平、制造改装等技术的较量。要制造出一辆好的节能车要考虑到方方面面,赛车的各种性能。首先要考虑赛车的安全性,保证车手的安全是首要的,那就涉及到了赛车的制动性、操纵稳定性、电控排线安全、汽油瓶(相当于油箱)的位置等等,其次考虑赛车的动力性、燃油经济性、舒适性等等性能。想想这事,我的头就有点大,看来做设计总工程师真的很不容易啊。下面分块讨论一下如何设计节能车,如何减少油耗。
赛车本身的要素考虑 一、车身的设计及制造
车身设计,用到solidworks软件或者CATIA等三维软件做出造型,主要考虑整体尺寸的协调、空气阻力系数的考究、曲线美感程度等等问题,其中空气阻力系数的考究需要流体力学知识,如果再深一点则需要Fluent流体仿真软件做出仿真以确定车身空气阻力大小。零部件的设计需要AutoCAD绘图软件以实现生产或制造。 (1)基本造型
赛车要讲究造型,讲究线条美观大方,流线型的比较好,有的车队赛车弄的方方正正的,不但不好看还影响到空气阻力的大小。很到赛车利用了仿生学的海豚型,倒水滴型等等,这些空气阻力系数都很低。如果不放心,可以用Fluent流体仿真软件作出仿真以确定车身空气阻力大小。咱们乘坐的轿车的空气阻力系数一般在0.3以上,而由于赛车的横截面积很小,所以一般在0.2左右。从整体造型上考虑减小空气阻力系数的方法还有,比如:
1) 抬高离地间隙,阻力系数下降。
2) 将前窗向后倾斜,系数会降低,但到达一定程度即无效。
3) 后窗倾斜在30°左右时阻力系数最大,超过50°或不到20°时阻力一定。 4) 地板面的凹凸会增大阻力。
5)加上整流罩。有整流罩的赛车的空气阻力会降到无整流罩时的一半左右,相当重要,当然,大家都不傻,应该都知道。 (2)基本尺寸
根据大赛规定,赛车全高在1.8米以下,轴距在1.0以上,全长3.5以下,轮距0.5以上,全宽2.5以下,排气管不能超出车身后面以及侧面10cm以上。在保证规则的条件下,我们还要给车手量身定做车身,确定前后轴距离,发动机底座位置等等,这要用上人机工程学的知识了。
确定造型和基本尺寸以后,可以在电脑上利用SolidWorks软件进行整体的设计了。 二、转向机构的设计
转向机构,也有很多选择,比如直接转向方式和间接转向方式。间接转向方式里有转向梯形结构。在它的设计过程中,要确定转向梯形的各个尺寸,可以用MATLAB软件进行数据优化选取,工作量可不小。据我所知,山东交通学院设计的转向机构曾经做过优化及仿真。其他方面还要注意车轮外倾角和前轮前束,以及后车轮要在车身的中心线上。 三、发动机的改装
发动机是赛车的心脏,是赛车的核心,决定着成败。大赛规定,第二组可以在Honda 4冲程125cc发动机基础上做些改装。变速器我们可以直接利用2档或3档,不要其他变速比,所以可以把不要的传动齿轮弄掉。除此之外,由于赛程很多,发热量少,发动机上的散热片也可以去除,在发动机壳体上可以打孔挖孔等等方式来减轻发动机的重量。尽可能降低发动机以及变速器的机械损失。对于提高发动机的燃油消耗率主要考虑三个方面:压缩比、点火角和化油器。(1) 压缩比:原则上压缩比越高,发动机效率越好,但是压缩比太大又会产生爆震,所以也要优化选择;(2) 点火角:一般来讲,点火角提高,会增强发动机的动力输出,相应地在同等负荷下就会减少燃油消耗;(3) 化油器:可以调整整化油器的怠速和主量孔大小,以适应改造的需求。
做完改装后应该进行发动机台架试验,赛车在比赛中要求平均车速25km/h以上,开车模式为循环加速再滑行降速模式,所以最高车速在40km/h左右,再开始滑行降速到15km/h左右,我们要使常用15—40km/h车速下的发动机转速在经济转速区间内。 四、车轮及轮胎的选择
车轮一般都选择自行车车轮,车轮的选择要看各赛车资金的多少了,有好的有坏的。好的,光头胎,定做、国外进口等等,差的就是普通自行车车轮。有的车队将车轮轮圈用东西包裹密封,以减小辐条的扰流。好的轮胎,滚动阻力系数很小,出名的有米其林轮胎,北京理工大学赛车的轮胎就是米其林公司提供的。车圈越轻越好,一般采用铝合金材料。 这也是车手体重和驾驶技术的较量
在我们日常生活中,我们熟知汽车的经济性与驾驶员的驾驶习惯密切相关,不同的驾驶员开同一辆车得出的经济性结果是不同,几百公里油耗可能相差好几个油。同样,在一个节能车车队中,车手的作用恰恰是举足轻重的,车做的再轻再好,一个较重、技术较差的车手完全可以让车队功亏一篑。前面讲过,在设计、改装、制造的过程中,车队会绞尽脑汁的减轻车身重量,减得不能再减,抠得不能再抠了,甚至按克计较,结果呢,车手之间会差几斤甚至十几斤重,或者不注意饮食变胖了,或者参赛前多吃了些东西,呵呵,可能都会对比赛结果产生影响(在此我对车手致敬,因为有的车手真为此节食)。有的学校很重视,全校无色较轻较矮的车手,一般车手体重在80斤左右甚至70斤。驾驶方面,赛车主要依靠滑行,并且注意在弯道处注意减速,尽量避免急加速、急刹车、超速和突然快速移动这些能增加油耗的不良习惯。 这更是资金投入的较量
其实,比赛成绩的好坏除了设计制造水平、改装技术、驾驶员驾驶技术等因素有关以外,还有一个关键因素,那就是材料与配件的优劣,这纯粹看参赛队伍所投入的资金的多少,看买到的材料及配件的优劣,比如说轮胎,有的节能车配备有特制超低滚阻系数的轮胎,有的车队采用的就是一般轮胎,这样也会造成成绩的优劣。再如,节能车发动机改装以后,它的特性曲线我们不知道,需要做试验得出,才能知道改装的经济性效果或者可以根据发动机特性曲线去进行驾驶员驾驶策略。