金峰 金文忻 汤彬 赵延科 黄成磊

摘  要：為设计符合新能源汽车关键技术技能大赛轻量化赛项技术规程要求的赛车，结合竞赛方案提供的技术标准和赛车手的身材尺寸，对新能源赛车进行整体布局设计。运用中望3D软件进行车架、底盘、连接件的三维设计，通过ANSYS软件对各零部件进行有限元分析，根据分析数据对零部件进行轻量化设计。在满足材料机械性能、安全，兼顾成本的前提下，选择高强钢、铝合金、碳纤维等轻质材料作为车辆制作材料。根据设计图纸完成赛车的加工制作与装调，并完成道路试验。

关键词：新能源赛车;轻量化;有限元分析;装调

中图分类号：U469.696      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）18-0171-05

Abstract： In order to design a racing car that meets the requirements of the technical regulations for lightweight events of the new energy vehicle key technical skills competition， the overall layout design of the new energy racing car is carried out in combination with the technical standards provided by the competition scheme and the body size of the racing driver. The three-dimensional design of the frame， chassis and connecting parts is carried out by using Zhongwang 3D software， the finite element analysis of each part is carried out by ANSYS software， and the lightweight design of parts is carried out according to the analysis data. On the premise of meeting the mechanical properties， safety of materials and considering the cost， light materials such as high-strength steel， aluminum alloy and carbon fiber are selected as vehicle manufacturing materials. Complete the processing， manufacturing， assembly and adjustment of the racing car according to the design drawings， and complete the road test.

Keywords： new energy racing car; lightweight; finite element analysis; assembly

0  引  言

新能源汽车关键技术技能大赛轻量化赛项以《中国制造2025》规划为背景，紧跟国家《汽车产业中长期发展规划》新能源汽车发展战略的需要，服务新能源汽车产业领域人才培养的需求，提升新能源汽车企业生产、服务能力，引领职业院校相关专业人才培养和课程建设，实现以赛促教、以赛促改，推动产教融合、校企合作，对接岗位核心技能培养双师团队，提高职业院校人才培养质量，促进新能源汽车产业发展。

竞赛规程要求：参赛队自选符合竞赛技术要求的驱动电机、动力电池、整车控制系统，制作具有轻量化意义的车架、座椅、转向、制动、行驶、传动、电池防撞箱等部件，通过轻量化结构设计和加工，基于车架设计连接和固定件，以安装各个总成或装置，最终制造出可以运行的场地汽车。

本车队由两名老师和两名学生组成，其中本人（作者）担任该赛项负责人，下文将从车辆设计、材料选择、车辆制作、车辆装调四个方面介绍本车队制作的轻量化赛车。

1  车辆布局设计

基于大赛指定技术平台中三电系统、悬架系统、转向系统、轮胎的尺寸参数、竞赛规程参数要求以及驾驶员的身材尺寸为基准，对车辆进行布局设计。

以下是具体的设计步骤：

（1）根据竞赛规程轮距、转向半径要求，通过计算，确定前轮距、后轮距、轴距的设计尺寸，最终确定四个车轮的位置。

（2）为了确保车辆能够充分适应比赛的道路要求，本次设计的离地间隙为200 mm，轴荷分配为45：55，进而确定悬架系统上下摆臂减震器的安装位置。基于转向机总成、车轮、转向节确定转向拉杆的加工尺寸、连接方式。再确定转向机在底盘的安装位置。

（3）基于车轮、半轴、减速器确定减速器及电机的安装位置，随后确定电池箱和小蓄电池的安装位置，确保电池、电机安装空间充足，便于拆卸和检修。

（4）根据电池箱安装位置确定防火墙和座椅的位置。

（5）根据驾驶员的身材尺寸和最舒服的坐姿确定制动踏板、加速踏板和方向盘的安装位置。

（6）三电安全设计，在设计时需在四周与防滚架及覆盖物之间留出大于100 mm的空间，相互之间进行有效绝缘。在车辆不同位置设置三个急停开关和高低压开关，紧急情况下可以及时有效地断开高压回路，保证驾驶员安全。

2  车架和底盘的轻量化设计

2.1  车架底盘初步设计

各部件的安装位置大致确定后，根据竞赛规程要求和驾驶员身材尺寸进行车架和底盘的设计。

本次设计选用中望3D软件，经一系列建模、修改后，初步建立车架、底盘模型。底盘框架选用25×25×2 mm铝合金方管作为制作管件，对受力加大、密集处进行局部加强。车架采用桁架式结构，管件主要承受拉力或压力，可充分发挥材料的作用，节约材料，减轻重量。为保证车架有足够的强度和刚度，初步统一选用SAE 4130，φ25×1.6 mm钢管作为制作管件，防滚架和车架两个支撑点之间直管或弯管的长度小于等于65 cm。

2.2  车架底盘仿真分析与优化

车架和底盘的仿真分析，将车架整体模型导入ANSYS软件，建立车架有限元模型，并设置各项分析参数，赋予材料属性，进行抗扭转性能仿真测试，在驾驶舱的右前、左后角承受合适的向下的预紧力，给车辆底板的右后角位置施加250 kg（2 500 N）的向上的压力，分析车架的强度和刚度。经过有限元分析，得到车架在该工况下的如图1所示的应力云图和如图2所示的位移云图。

由分析可知，车架结构在各方面的分析结果均符合强度和刚度的设计要求，并存在较大的盈余量，这也说明了车架结构还可以做进一步的优化改进。对功能要求较低的杆件改用规格较小的杆件，规格由φ25×1.6 mm缩小为φ20×1.2 mm，如图3所示，进行轻量化设计。

经二次设计和分析后，将优化后的应力数据乘以安全系数，仍符合材料的强度和刚度要求。最终确定了车架的具体设计结构。其中φ25×1.6 mm的钢管用了24.94 m，φ20×1.2 mm的钢管用了8.92 m。

3  车辆连接件的设计

完成了车架底盘的设计，下一步就是连接件的设计。连接件的轻量化设计，主要对其进行拓扑优化，通过ANSYS分析，给定负载情况、约束条件和性能指标，在保证刚度强度的前提下，去除不必要的材料，在结构设计上进行减重;如轮毂、减震器连接件、鼻翼支架、固定电机的连接件等。車辆的连接件较多，现以固定电机连接件为例进行设计明。

具体设计流程：

第一步：根据电机与车架的相对安装位置，运用中望3D软件初步设计出连接件的三维图形。如图4所示。

第二步：将三维图形导入ansys，赋予材料属性，加载极限载荷，进行应力分析。如图5所示。

第三步：拓扑优化，生成拓扑密度图，得到最佳材料分布结构。如图6所示。

第四步：根据材料分布结构图，运用中望3D进行二次设计。如图7所示。

第五步：对重新设计的结构进行应力分析，若不满足材料强度刚度要求须重新设计，直到满足要求为止。最终完成设计。如图8所示。

4  车辆材料选择

完成了车辆的结构设计，下面介绍车辆的材料选择。在轻量化材料方面，选用的轻量化材料主要有高强钢、铝合金和碳纤维。选择的依据是在满足材料机械性能、安全节能的前提下，尽可能选择轻质材料，同时也要兼顾成本。本车队经过查阅资料确定了以下材料选择方案：

（1）高强钢。车架、防滚架、悬架横臂等选用高强钢，主要考虑到车架、防滚架和悬架横臂所需要的材料数量较大，选择太昂贵的材料会大大增加成本，高强钢不仅价格便宜而且具备较高的强度和刚度，在碰撞性能、制造成本方面对比其他材料也有着明显优势。所以在车架、防滚架、悬架横臂处选用高强度钢作为制作材料。

（2）铝合金。底盘框架、轮毂、轮辋、转向系统部件选择的材料为铝合金，铝合金与传统钢材相比，能减重30%～50%，制作工艺也相对成熟，易成形，价格相比于碳纤维也更加适中，在质量减轻的同时又兼顾了成本的控制。并且，铝合金比强度高、耐腐蚀等优势也更加适合轮毂、转向系统的工作环境。

（3）碳纤维。覆盖件、尾翼、鼻翼等选择碳纤维进行制作，碳纤维有着密度低、强度高、耐腐蚀等优秀特性，其含碳量超过95%，质量只有钢的1/4，抗拉强度一般都在3 500 Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为230～430 Gpa，也比钢强。覆盖件、尾翼、鼻翼表面积较大，选用碳纤维材料制作，在保证强度和刚度的前提下，能非常有效地减轻重量。

在车架、防滚架、悬架横臂等处使用4130高强钢;在上下摆臂吊耳、固定电机吊耳、减震器固定支架处采用510高强钢;底盘框架、防火墙、轮毂等处使用铝合金;覆盖件、尾翼、鼻翼、减震推杆、方向盘等处使用碳纤维。

5  车辆轻量化的加工制作工艺

完成车辆设计后，下一步就要对车辆进行加工制作。自行加工的部件有：底盘、车架、悬架横臂、转向节、固定支座等。

5.1  底盘的制作

根据设计图纸的尺寸要求，进行铝合金方管的切割，对铝合金进行切割时应将切割机的切割片换成铝合金专用切割片，在焊接平台上用氩弧焊机调至交流档进行焊接，先进行点焊确定管件连接位置，点焊完成后进行满焊，进而完成制作。

5.2  车架的制作

根据设计图纸，运用数控弯管机、坡口机、角磨机，对4130钢管进行加工。先将与底盘连接的管件固定于底盘，作为焊接基准，根据设计图纸尺寸要求用二保焊先进行点焊拼接。拼接完成后就要对点焊位置进行满焊，进而完成车架的焊接。将焊接好的车架进行打磨处理，去除焊接废渣，打磨锋利边缘;为防止车架生锈，对车架进行喷漆处理。

5.3  其他部件的制作

悬架横臂的制作材料是4130高强钢，将切割好的管材，用坡口机进行连接处坡口，为保证角度尺寸，在自制简易夹具上用二保焊进行焊接。转向节的制作材料是510高强钢，根据设计图纸，先加工出各零件，再用焊接的工艺将各零件进行组装连接。

5.4  轻量化的加工制作工艺

关于轻量化的加工制作工艺主要有两部分，分别是轻量化连接工艺和轻量化制造工艺。本车辆采用的轻量化连接工艺主要有：焊接、胶粘、铆接;轻量化制造工艺主要有：激光切割，旋压铸造（轮辋）、3D打印（方向盘）。经过后期车辆的反复测试，验证了我们采用的加工工艺制作出的相关零部件不仅满足整车性能要求，也合理有效地降低了整车质量。

6  车辆的装调

在正式进行车辆组装前，首先完成车辆的三维装配，根据三维装配图初步确定各零部件的具体安装位置和装配顺序，经讨论并结合实际制定装配工艺规程。装配工艺规程对装配工序、装配方法、工具使用、注意事项都做了详细的说明，是装配的指导书，对合理有序的装配、正确使用工具、规范操作都起到了指导性作用，提高了、的装配效率和保证了装配质量。按照装配工艺规程完成三电系统的安装、悬架系统的安装、转向系统安装、制动系统的安装、行驶系统的安装。装配完成的轻量化赛车如图9所示。

车辆装配完成后，需要进行检查和调试，将车辆性能调整至最佳状态。车辆结构检查主要包括：检查车辆尺寸参数、检查螺栓紧固情况、检查焊缝的密实度。

转向、悬架系统调试主要包括：方向机的调整、前轮前束的调整、减震器的调整、左右车轮配重调整。行驶、制动系统调试主要包括：胎压的检查、制动的排气、制动空载测试。整车线束的检查调试主要包括：高压绝缘检查、灯光的检查、急停开关检查。

7  道路测试

道路测试主要包括：逃生测试、转向测试、制动测试、加速测试、动力性和经济型测试。

在进行逃生测试时，赛车手身穿赛车服、系好安全带、手臂约束带、戴上头盔，双手紧握方向盘，能在10 s内成功逃离车辆。用锥桶摆出半径3 m的S弯道，宽3 m直线赛道，并将赛道隔离，赛车手穿上赛车服、系好安全带、手臂约束带、戴上头盔后进行转向制动测试，测试过程中，车辆能够顺利通过弯道，不触碰锥桶，直线加速至38 km/h后紧急制动，制动距离2 m。

在进行动力性和经济性测试时，测试路程为25 km。车辆能够以较少的时间和较低的耗电量安全稳定的跑完赛程。

8  结  论

根据新能源汽车关键技术技能大赛轻量化赛项规则，本车队自选符合竞赛技术要求的驱动电机、动力电池、整车控制系统，制作具有轻量化意义的车架、底盘、转向节等其他零部件部件，通过轻量化结构设计和加工，基于车架设计连接和固定件，安装各个总成，经过反复验证，调试最终制造出可以运行的场地赛车。

参考文献：

[1] 赵雨.汽车轻量化材料及制造工艺分析 [J].内燃机与配件，2021（16）：44-45.

[2] 董丽丽.汽车轻量化技术应用分析 [J].时代汽車，2021（13）：37-38.

[3] 程金润，韦斌，徐飞.巴哈越野车车架结构优化设计及仿真分析 [J].上海电机学院学报，2021，24（3）：149-154.

[4] 魏文涛，周盼.中型自卸车主车架设计与静力学分析 [J].农业装备与车辆工程，2021，59（6）：130-134.

[5] 王智文，冯昌川.新能源汽车轻量化技术路径及开发策略 [J].汽车工艺与材料，2021（6）：1-12.

[6] 肖红.新能源赛车车架设计与强度仿真分析 [J].汽车与驾驶维修（维修版），2021（5）：82-84+88.

[7] 龙俊华，吴林波，安瑞兵.车架有限元强度分析及轻量化设计 [J].汽车零部件，2021（2）：85-88.

作者简介：金峰（1990.12—），男，汉族，江苏溧阳人，讲师，硕士研究生，研究方向：机械工程、车辆工程;通讯作者：金文忻（1989.8—），女，汉族，江苏苏州人，讲师，硕士研究生，研究方向：农业机械化、农业装备智能化控制。