HONDA节能赛车的改进设计文献综述

 2022-07-13 20:08:19

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文献综述

论文题目HONDA节能赛车的改进设计

关键词：本田节能车；有限元；轻量化；静态强度分析；

  1. 前言

随着汽车工业快速发展，我国逐渐进入“汽车型社会”，国家经济和社会化进程因此受益良多。但是车辆保有量的增加，意味着能源消耗增大，污染排放增多。随着近些年来人们生活水平的提高，环境保护、资源节约问题已经得到了越来越多的重视。

据公安部统计，2018年全国新注册登记机动车3172万辆，机动车保有量已达3.27亿辆，其中汽车2.4亿辆，小型载客汽车首次突破2亿辆；机动车驾驶人突破4亿人，达4.09亿人，其中汽车驾驶人3.69亿人。

截至2018年年底，全国汽车保有量达2.4亿辆，比2017年增加2285万辆，增长10.51%。从车辆类型看，小型载客汽车保有量达2.01亿辆，首次突破2亿辆，比2017年增加2085万辆，增长11.56%，是汽车保有量增长的主要组成部分；私家车（私人小微型载客汽车）持续快速增长，2018年保有量达1.89亿辆，近五年年均增长1952万辆；载货汽车保有量达2570万辆，新注册登记326万辆，再创历史新高。从分布情况看，全国有61个城市的汽车保有量超过百万辆，27个城市超200万辆，其中北京、成都、重庆、上海、苏州、郑州、深圳、西安等8个城市超300万辆，天津、武汉、东莞3个城市接近300万辆。汽车保有量如此快速的增加使得能源消耗速度加快和环境的进一步恶化，并且为我国经济和社会的可持续发展带来了巨大的压力。

图1.1 2014-2018中国汽车保有量（亿辆）

Fig.1.1 2014-2018 Chinarsquo;s car ownership(a hundred million)

早在2014年，中国就成为了世界上最大的能源消费国。而近年来原油产量持续低于原油消费量，消费缺口不断扩大，只能通过原油进口弥补缺口：中国原油进口量增速多年来维持高位，进口依赖度已达到70%以上。如图1.2所示。经济及汽车工业的快速发展趋势对石油资源的对外依赖程度不断提升，推动和促进着汽车节能技术的发展，促使各车企提高汽车燃油经济性水平，各国颁布更为严格的尾气排放标准。

图1.2 中国原油产量和消费量（百万吨）

Fig1.2 Chinarsquo;s crude oil production and consumption(million)
  1. 选题背景和意义

Honda节能竞技大赛由Honda创始人本田宗一郎先生发起，于1981年在日本创办，每年都有超过500支车队参加比赛。自2007年Honda节能竞技大赛来到中国成为Honda中国节能竞技大赛，至今为止已经成功举办了12届。比赛搭载Honda统一提供的125cc低油耗4冲程发动机，车架和车身等则由各车队独立创作完成，作为三轮式创意汽车，旨在通过对各个系统的优化设计，挑战最低的油耗，最终以燃油的消耗量多少而一决胜负。中国是继日本，泰国之后，第3个举办这一大赛的国家。2007年第一届中国节能竞技大赛在上海国际赛车场胜利举办。自2008年第二届大赛起，参赛队伍已超过了100支。每年都有不少优秀的中国选手展示新奇创意，缔造傲人成绩。通过简单的竞技规则，为每个人提供了一个参赛的机会。通过体验比赛过程，培养人们丰富的创意和动手能力，体验学习和创造带来的乐趣。 如何保护我们赖以生存的地球，是目前急需解决的问题，需要社会每一成员贡献力量，而这恰好契合了节能竞技大赛创始人本田宗一郎先生的初衷，让每一个普通人都能参与到环保事业中。超越家人，朋友，年龄，辈份和地域带来的各种限制，面对环保的挑战，各车队不断自我超越，挑战极限，在上世纪八十年代，Honda成功地将1升汽油的行驶距离从105公里提升至180公里。而节能竞技日本大赛于2001年更是创造了3435公里/升的记录，这是用崭新的创意和新技术所积累的成果，是不断挑战的结果。Honda不仅让企业和高校在参赛过程中获得新的技术和理念，也能让社会各界更加关注中国的节能事业以期得到更大的发展。

南京林业大学的飞叶车队自参赛以来，经过团队的共同努力取得了较好的成绩，但仍有较大的上升空间，为了进一步提高飞叶车队的比赛成绩，本文选取我校参加第十二届Honda中国节能竞技大赛的赛车作为研究对象。

  1. 国外发展状况

美国是全球最大的石油消费国，汽车用油在石油消费总量中占有相当大的比重，在汽车节油方面积累了丰富的经验。美国汽车制造厂在减轻汽车重量、改善空气阻力、提高传动效率、减少附件功率损耗，发展小排量汽车、汽车柴油机化，发展电动汽车，开发醇类燃料等方面取得较大发展[2]。与此同时，美国国家还对建设公路和养路进行了大量投资，以期降低油耗。

欧盟国家非常重视汽车节油政策的调节作用，制定和实施了一整套积极有效的燃油税收政策，同时比较注重生物燃料的研发。英国政府仅在1980年就提供了600万英镑作为研究节能问题的资金，其中400万英镑用于研制发动机、变速器与微机处理器，200万英镑用于研制电动汽车及蓄电池。法国政府于1974年就成立了国家能源机构。1975年由中央计划委员会制定了法国的“能源政策”。1991年，法国政府投资2.3亿法郎给标致-雪铁龙联合公司和雷诺公司共同生产电动轿车。同时，欧洲国家为了减轻发动机重量，以减轻整车质量而大量推广全铝发动机，如BMW的M52、Jaguar的AJ-V8发动机、Benz的V6和V8发动机[3]。

  1. 国内发展状况

近年来中国环境污染越来越严重,涉及到水污染、空气污染等各种污染,其中最引人关注的当属空气污染,而空气污染的最主要的原因之一即是汽车尾气排放。虽然汽车节能减排技术的发展有了非常大的进步,但依然与我国高速发展的经济和汽车保有量的增长产生了巨大的矛盾。而汽车节能减排技术主要有逐渐改进汽车动力系统、开发轻量化车身、完善汽车空气动力学和开发先进电子控制技术四个方面。[7]

首先，针对第一个方面，我国对发动机进行研究,国外研究的复合火花点火技术、缸内直喷技术、增压技术、低压缩高膨胀循环、可变气门相位及升程、可变压缩比、可变排量、减速时部分汽缸休眠、双火花塞顺序点火以及集成的起动发电机等技术在我国均有所发展。清华大学承担国家'973'重点项目“新一代内燃机燃烧理论与石油替代的基础研究”,在发动机新型燃烧机理的研究上取得了进展[4];天津大学开展稀薄燃烧技术的研究,燃油消耗率可降低15%[5];吉林大学、湖南大学、长安大学等一批高校都在开展汽车动力系统优化节油的研究。

其次，针对第二个措施，一汽轿车、奇瑞汽车公司在轿车车身上进行了高强度钢板的初步应用实验[6];上海交大、湖南大学、重庆大学、清华大学等高校在镁合金的强韧化、耐蚀性、阻燃性和抗高温蠕变性等方面开展了较深入的研究。 在轻量化结构设计方面,结构优化和零部件的模块化设计水平不断提高,如采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等来达到轻量化的目的,计算机辅助集成技术和结构分析等技术也有所发展。湖南大学与上汽通用五菱在薄板冲压工艺与模具设计理论方面开展了较深入的研究;北京航空航天大学开发了CAD系统CAXA,并已经开展了客车轻量化技术的研究,利用有限元法和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计,以减少车身骨架、发动机和车身蒙皮的重量等。

再次，我国越来越重视空气动力学技术的发展，从吉林大学建成中国首座汽车专用风洞开始，我们开始筹建更多的汽车专用风洞，如2009年9月19日，作为国内首个整车风洞，“上海地面交通工具风洞中心”承载着几代中国汽车人的梦想，在同济大学嘉定校区落成启用，2012年3月上海泛亚技术中心整车热力学风洞投入使用，2015年9月18日上汽集团热能风洞正式启动, 2015年国内首家完成环境风洞实验室建设的自主品牌风洞-长城汽车环境风洞投入运行，此外将于2018年建成并投入使用的中国汽研（位于重庆）汽车空气动力学-声学风洞（AAWT）和环境风洞（CWT）将大大缓解国内汽车风洞测试资源紧张的现状，同时该两座风洞的技术指标达到国际先进水平，大大缩短了我国与国外汽车风洞的差距，将为国内自主品牌汽车的技术进步提供强有力的技术支撑。

最后，电子控制技术的创新和发展繁荣期，是目前世界汽车工业正在经历的，我国也在大力推动汽车电子控制技术的发展。

随着节能减排技术的发展。本田节能竞技大赛的各参赛团队对节能赛车节能技术研究也呈现多元化，主要的改进方向主要是发动机、传动系统、车身和车架，使得赛车既保持车身必要的刚度和强度，同时降低整车质量和燃油用量。

首先对发动机和传动系统进行改进，北京理工大学的胡美琦等人用激光焊的方法在原来活塞上加一块锥形铝块，并对铝块进行磨削，是压缩比升高，降低了油耗[8]。湖北汽车工业学院的王鑫等人通过改变发动机机体、进排气系统和点火系统来实现节油的目的[9]。南京农业大学的俞天一等人在传动系统中采用牙嵌式离合器，减小了主从动轮之间的摩擦，提高了传递效率，与内齿式棘轮棘爪离合器相比，油耗降低了15%左右[10]。北京理工大学的刘军等人建立了节能车的最优点火设计问题的目标函数和约束条件，并用粒子群算法讨论了节能车的最优点火次数、时刻和位置[11]。

其次是对车身的改进，在空气动力学方面，太原科技大学的常丽应用Fluent软件对赛车车身进行了外流场数值模拟并进行改进，改进后车身的气动阻力系数减少了9.3%[7]。湖北汽车工程学院的张建昌等人通过对节能车车身形态的全包和半包进行空气动力学数值模拟，得出全包车身更加省油[12]。河北工业大学的郭岩等人对赛车车身提出几种不同的改进方案，通过对比，选出阻力最小的车身。天津科技大学的白仁飞等人对赛车头部和尾部做了改进，并将后轮包裹起来，减小了压差阻力[13]。

最后是对车架的改进，利用有限元分析对车架进行优化，太原科技大学的杨冲采用不同材料的坐板进行分析，在选取了合适的坐板之后，对车架进行了优化，质量因此减少了1.46kg[14]。

  1. 总结

首先，对发动机的改进无疑从源头上减少了燃油消耗，是车队首先要攻克的难点，可以从轻量化，电子化和提高喷油压力等方面考虑。其次，依据空气动力学对车身进行改进时，以上文献只考虑了气动阻力对车身的影响，从而对赛车进行空气动力学改进，而没有将车身刚度考虑在内。因此，节能赛车的节能减排主要在确保整车刚度和强度的条件下，尽量减少整车质量和气动阻力系数,此外，在赛车传动比的优化设计上，研究内容较少，改进空间很大。

  1. 参考文献
  2. 雷磊. 节能竞技车研发技术的研究[D].长安大学,2008.
  3. Oscar van Vliet,Anne Sjoerd Brouwer,Takeshi Kuramochi,Machteld van den Broek,Andreacute; Faaij. Energy use, cost and CO 2 emissions of electric cars[J]. Journal of Power Sources,2010.
  4. Alexandre Lucas,Carla Alexandra Silva,Rui Costa Neto. Life cycle analysis of energy supply infrastructure for conventional and electric vehicles[J]. Energy Policy,2012,41.
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  6. 王天友. 四气门汽油机稀混合气燃烧及降低NO_x排放的研究[D].天津大学,2003.
  7. 谭善锟,张亚峰,柴震,潘兴旺,刘建民,谢建平,俞宁峰.高强度冷轧钢板在奇瑞轿车上的应用研究[J].汽车工艺与材料,2003(06):10-14.
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  9. 胡美琦,段妍,陈羿男,张幽彤.节能车发动机活塞改进设计[J].汽车工程师,2011(10):35-37.
  10. 王鑫,勾志彬,郑思哲,闫世明.节能车发动机性能的提升[J].湖北汽车工业学院学报,2011,25(02):75-77 80.

[10]俞天一,韩英,阮仕礼,余新茂,李素新.基于节能赛车传动系统的离合器 设计与研究[J].农业装备与车辆工程,2016,54(07):73-76.

[11] 刘军,任雪梅,马宏宾.高效率节能车点火时刻的最优设计[J].北京理工大学学报,2013,33(06):586-589.

[12] 张建昌,郑端,曹昭良,朱黎翔,左亚运.节能车车身优化设计[J].科技视界,2014(17):158-160.

[13] 郭岩,张新,李小宁,曹欢,李欣.本田节能赛车车身优化设计[J].公路与汽运,2013(06):17-20.

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[15]赵文娟.YD02赛车车架结构设计及其轻量化研究[D].燕山大学,2009.

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[17]关靖川.节能车车身空气动力学分析[J].现代商贸工业,2017(02):194-195.

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[19]莫舒玥.从发动机新技术和车身新材料的使用实现汽车节能[J].轻工科技,2014,30(03):38-39.

[20]张建昌,郑端,曹昭良,朱黎翔,左亚运.节能车车身优化设计[J].科技视界,2014(17):158-160..

[21]郭岩,张新,李小宁,曹欢,李欣.本田节能赛车车身优化设计[J].公路与汽运,2013(06):17-20.

[22]黎博文.基于CFD节能赛车的车身研发[J].交通节能与环保,2013,9(04):37-41.

[23]陈岩.汽车车身轻量化节能技术[J].汽车零部件,2012(07):101-102.

[24]齐益强,田芳.节能竞技赛车车身造型的CFD研究[J].森林工程,2012,28(05):62-65.

[25]M. R. Brake. The role of epistemic uncertainty of contact models in the design and optimization of mechanical systems with aleatoric uncertainty[J]. Nonlinear Dynamics,2014,77(3).

资料编号：[86931]

文献综述

论文题目HONDA节能赛车的改进设计

关键词：本田节能车；有限元；轻量化；静态强度分析；

  1. 前言

随着汽车工业快速发展，我国逐渐进入“汽车型社会”，国家经济和社会化进程因此受益良多。但是车辆保有量的增加，意味着能源消耗增大，污染排放增多。随着近些年来人们生活水平的提高，环境保护、资源节约问题已经得到了越来越多的重视。

据公安部统计，2018年全国新注册登记机动车3172万辆，机动车保有量已达3.27亿辆，其中汽车2.4亿辆，小型载客汽车首次突破2亿辆；机动车驾驶人突破4亿人，达4.09亿人，其中汽车驾驶人3.69亿人。

截至2018年年底，全国汽车保有量达2.4亿辆，比2017年增加2285万辆，增长10.51%。从车辆类型看，小型载客汽车保有量达2.01亿辆，首次突破2亿辆，比2017年增加2085万辆，增长11.56%，是汽车保有量增长的主要组成部分；私家车（私人小微型载客汽车）持续快速增长，2018年保有量达1.89亿辆，近五年年均增长1952万辆；载货汽车保有量达2570万辆，新注册登记326万辆，再创历史新高。从分布情况看，全国有61个城市的汽车保有量超过百万辆，27个城市超200万辆，其中北京、成都、重庆、上海、苏州、郑州、深圳、西安等8个城市超300万辆，天津、武汉、东莞3个城市接近300万辆。汽车保有量如此快速的增加使得能源消耗速度加快和环境的进一步恶化，并且为我国经济和社会的可持续发展带来了巨大的压力。

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