基于NX的節(jié)能賽車車身設(shè)計(jì)與制造

楊濤

摘 要：論文以第9屆Honda中國節(jié)能競技大賽作為設(shè)計(jì)背景進(jìn)行節(jié)能競賽車車身正向設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)過程在滿足競賽要求的基礎(chǔ)上，以降低整車機(jī)構(gòu)復(fù)雜度和選擇合理的車身材料從而降低整車整備質(zhì)量，減小整車阻力為主要指導(dǎo)思想。基于空氣動(dòng)力學(xué)、人體工程學(xué)、機(jī)械工程學(xué)以及美學(xué)方面的知識(shí)對(duì)節(jié)能競技車的車身各部位進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與布置。論文利用NX軟件勾勒車身形態(tài)特征線，再利用強(qiáng)大的曲面造型功能建立車身三維數(shù)字化模型?；谠撃Ｐ屯瓿晒?jié)能賽車車身的制作，并在比賽中取得理想的成績。

關(guān)鍵詞：節(jié)能賽車;正向設(shè)計(jì);車身設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U469.6+96 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）05-57-05

Abstract： The paper takes the 9th Honda China Energy Conservation Competition as the design background to carry on the forward design of the car body in the energy conservation competition. On the basis of meeting the requirements of competition， the main guiding ideology is to reduce the complexity of the whole vehicle mechanism and select reasonable body materials so as to reduce the quality of the whole vehicle and reduce the resistance of the whole vehicle. Based on the knowledge of aerodynamics， ergonomics， mechanical engineering and aesthetics， the reasonable design and layout of various parts of the body of the energy-saving sports car are carried out. In this paper， the NX software is used to outline the body shape feature line， and then the powerful surface modeling function is used to build the three-dimensional digital model of the body. Based on this model， the production of energy saving racing car body is completed， and satisfactory results are achieved in the competition.

Keywords： Energy saving racing car; Forward design; Body design

CLC NO.： U469.6+96 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）05-57-05

前言

隨著節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)厲，節(jié)能汽車和新能源汽車成為各企業(yè)未來的主要發(fā)展方向[1]。Honda節(jié)能競技大賽由Honda創(chuàng)始人本田宗一郎先生發(fā)起，于1981年在日本創(chuàng)辦，每年都有超過500支車隊(duì)參加比賽。節(jié)能競技大賽的目的是通過比賽提高社會(huì)的節(jié)能和環(huán)保意識(shí)，它結(jié)合了關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)總成改造、車架和機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、車身空氣動(dòng)力學(xué)、材料應(yīng)用等的相關(guān)知識(shí)，讓參賽車隊(duì)通過各項(xiàng)技術(shù)挖掘1L汽油的無限潛能。車身是賽車的四大組成部分之一，在節(jié)能與美觀方面起著決定性作用。國內(nèi)車身設(shè)計(jì)多采用逆向工程（Rever -se Engineering，RE），由于節(jié)能車相對(duì)于家用汽車車身結(jié)構(gòu)更簡單，故通常采用正向工程（Forward Engineering，F(xiàn)E）設(shè)計(jì)全新車身結(jié)構(gòu)[2]。論文采用正向設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一套節(jié)能競賽車車身模型，對(duì)于大學(xué)生體驗(yàn)比賽過程，培養(yǎng)動(dòng)手能力，提升環(huán)保意識(shí)有重要意義。

1 節(jié)能策略分析

賽車節(jié)能的有效途徑主要有采用高效發(fā)動(dòng)機(jī)提高燃油效率、發(fā)展輕量化技術(shù)、減小汽車行駛阻力等。由于節(jié)能競技車為比賽專用車，有專門的車手駕駛，使用場景單一，故從降低賽車行駛阻力和減輕賽車自身重量兩方面入手分析節(jié)能措施。

1.1 車輛行駛阻力分析

汽車的空氣動(dòng)力性能與汽車的功率、行駛特性及舒適性密切相關(guān)。汽車具有良好的形狀，不但可以提高汽車的動(dòng)力性，還可以提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。汽車在行駛過程中受到空氣阻力的作用，圍繞汽車風(fēng)壓重心，同時(shí)產(chǎn)生縱向氣動(dòng)阻力、橫向氣動(dòng)阻力、側(cè)向氣動(dòng)阻力、側(cè)傾力矩、縱傾力矩、橫擺力矩，見圖1。并且，賽車在高速行駛時(shí)，縱向空氣阻力對(duì)其行駛狀態(tài)影響最大[3]。

D-車身縱向氣動(dòng)阻力;S-車身側(cè)向氣動(dòng)阻力;

L-車身橫向氣動(dòng)阻力;PM-縱傾力矩;RM-側(cè)傾力矩;YM-橫擺力矩;

-合成氣流相對(duì)速度;β-橫擺角

賽車在行駛過程中受到空氣阻力主要由形狀阻力、干擾阻力、誘導(dǎo)阻力、摩擦阻力以及內(nèi)部阻力5個(gè)阻力組成，總的阻力FD滿足公式（1）。

由公式（1）可知，在賽車速度一定的情況下，減小賽車迎風(fēng)面積或降低空氣阻力系數(shù)均能夠減小賽車空氣阻力。通常正投影面積取決于汽車的外形尺寸，這是由設(shè)計(jì)需要決定的。因此，減小氣動(dòng)阻力就要減小氣動(dòng)阻力系數(shù)CD值。對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的主要要求有兩個(gè)：其一，是減小氣動(dòng)阻力;其二，是減小氣動(dòng)升力和受橫向風(fēng)影響的不穩(wěn)定性。由此，將節(jié)能賽車頭部傾斜約35°，尾部圓滑收縮，側(cè)面呈楔形、俯視投影成梭形。

1.2 車身輕量化策略

汽車的輕量化，就是在保證汽車的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實(shí)驗(yàn)證明，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%;汽車整備質(zhì)量每減少100Kg，百公里油耗可降低0.3-0.6L;汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%[4]。車身輕量化技術(shù)主要從車身結(jié)構(gòu)或零部件優(yōu)化以及應(yīng)用新材料兩方面入手。車身材料既要滿足車身設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、裝配、維護(hù)方面的要求，還要滿足節(jié)能、環(huán)保、舒適、安全等要求，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高性能和輕量化等目標(biāo)[5]。汽車材料通常分為金屬材料和非金屬材料兩大類。金屬材料包括：鋼板、鑄鐵等重金屬材料;鋁、鎂等輕金屬材料及其合金材料。非金屬材料包括：工程塑料、纖維、樹脂、玻璃、橡膠、非金屬復(fù)合材料、非金屬泡沫材料等[6]。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代汽車材料除金屬材料、非金屬材料外，復(fù)合材料和納米材料也將獲得廣泛應(yīng)用。綜上所述，節(jié)能車采用碳纖維制造車身主要部件，座椅、導(dǎo)流罩等通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)減小厚度從而保證其安全性能的同時(shí)降低車身重量。

2 人機(jī)工程學(xué)布置

2.1 人體模型分析

汽車人機(jī)工程學(xué)布置是整車布置的一部分，關(guān)乎車手的乘坐舒適性、操縱方便性、安全性、視野等駕駛體驗(yàn)，在設(shè)計(jì)過程中是至關(guān)重要的一環(huán)[7]。節(jié)能車作為比賽用車為達(dá)到節(jié)能的目的，由專門的車手駕駛。因此，選用身材中等或偏瘦的車手駕駛，根據(jù)車手身材選用50%男性人體模型[8]。圖2所示的是2D車手模型，基于該模型調(diào)整車手坐姿，明確視野范圍、手伸及面、方向盤、儀表盤安裝位置等。

2.2 座椅設(shè)計(jì)

座椅根據(jù)人體坐姿背部曲線設(shè)計(jì)，采用汽車上廣泛使用的工程塑料制成，直接使用軋帶固定于車架上，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度好、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。座椅后方增加隔板與發(fā)動(dòng)機(jī)艙隔開，以避免座椅受熱出現(xiàn)意外情況，能夠很好的保護(hù)駕駛員。

2.3 儀表盤布置

節(jié)能賽車儀表主要包括：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、賽車速度表、里程表、秒表、車內(nèi)溫度計(jì)等，為便于車手駕駛時(shí)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、舒適、安全地查看賽車運(yùn)行狀況，通常以人體H點(diǎn)為基礎(chǔ)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[9]。但節(jié)能車因其固定的車手身高體重，故直接根據(jù)人體模型確定車手手伸及面布置儀表盤，見圖2。

3 幾何造型設(shè)計(jì)

3.1 勾勒車身形態(tài)特征線

選擇50%男性3D人體模型，定位H點(diǎn)到坐標(biāo)系原點(diǎn)并依據(jù)2D模型確定初始坐姿。在車身幾何造型正向設(shè)計(jì)過程中，通常基于設(shè)計(jì)美學(xué)勾勒出車身形態(tài)特征線，再考慮空氣動(dòng)力學(xué)要求利用該曲線構(gòu)建曲面，從而創(chuàng)建車身造型[10，11]。根據(jù)大賽設(shè)計(jì)要求初定的賽車各個(gè)參數(shù)，融合現(xiàn)代汽車車身設(shè)計(jì)思想，考慮空氣阻力的影響勾勒節(jié)能賽車形態(tài)特征線，見圖3。

3.2 曲面質(zhì)量評(píng)估

當(dāng)基本斷面發(fā)生突然變化時(shí)，氣流將產(chǎn)生分離，CD值變大;拐角由棱角改為有曲率的圓弧外形時(shí)CD值將降低。因此在設(shè)計(jì)該節(jié)能競賽車時(shí)，采用二次曲率，前端水平采用橢圓設(shè)計(jì)成小曲率，后面設(shè)計(jì)成拋物線，曲率逐漸增大。這樣起到了很好的圓滑過渡。在NX中常見的有貝塞爾-Bézier曲線（曲面）和非均勻性有理樣條-NURBS曲線（曲面）兩種自由曲線（曲面）表達(dá)方法[12]。NURBS樣條曲面表達(dá)更復(fù)雜，但更靈活，可通過控制頂點(diǎn)和插值方式來調(diào)整曲線（曲面）形狀。NX造型設(shè)計(jì)模塊提供了強(qiáng)大的高級(jí)曲面構(gòu)建與分析工具，能夠快速構(gòu)建A級(jí)曲面與品質(zhì)評(píng)估。為保證車身曲面的光順性與高反光性，要求構(gòu)建曲面的曲線曲率梳均勻或漸變、走勢規(guī)律、無突變或扭曲。此外，要求曲面高光走勢一致、條紋均勻、過渡光順、無扭曲。節(jié)能車車身曲線及曲面評(píng)估結(jié)果見圖4，構(gòu)建車身曲面的曲線連接處曲率梳均勻、走勢一致達(dá)到G2連續(xù)，符合高級(jí)曲面標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 造型分析

3.3.1 車頭造型

節(jié)能車頭部蓋向前傾斜，前翼子板向前收縮成“V”字型，便于融合川劇臉譜圖案。為降低胎噪以及輪胎的空氣阻力，設(shè)計(jì)該節(jié)能競賽車時(shí)，采用二次曲率，前端水平采用橢圓設(shè)計(jì)成小曲率，后面設(shè)計(jì)成拋物線，曲率逐漸增大。這樣起到了很好的圓滑過渡。車輪導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)成帶有緩緩地曲率，避免了輪胎直接收到風(fēng)的沖擊，防止氣流在輪腔內(nèi)產(chǎn)生氣流分離，形成渦流，見圖5。

3.3.2 腰部造型

車身側(cè)面同樣采用前擋風(fēng)玻璃和車窗一體化設(shè)計(jì)，避免了A柱視野盲區(qū)，流線型好，保證了賽車內(nèi)部空間的同時(shí)盡量縮小正投影面積A，見圖6。

3.3.3 尾部造型

汽車尾部一般有階背式、快背式和斜背式三種外形，見圖7。節(jié)能競賽車尾部秉承汽車尾部短而翹的原則，采用類似于汽車快背式的大圓弧快速收縮，避免車身過長。整車側(cè)面投影呈楔形，正面投影呈梭形，整體流線性好，有效地降低了空氣阻力。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

4.1 零部件設(shè)計(jì)

為便于生產(chǎn)制造需進(jìn)一步將車身拆分成車窗、翼子板、上車身、底板、車門等單獨(dú)零部件，利用NX曲面造型模塊設(shè)計(jì)節(jié)能車身結(jié)構(gòu)見圖8。各零部件單獨(dú)開模生產(chǎn)制造最后裝配在一起。

4.2 校核分析

4.2.1 視野校核

（1）前方視野校核

方向盤一側(cè)的風(fēng)窗玻璃框架立柱稱為A柱，是形成車手前方視野盲區(qū)的主要因素之一。由于該方案考慮到車手的視野和外形美觀等因素，采用了擋風(fēng)玻璃和車窗一體化結(jié)構(gòu)。消除了汽車上A柱給車手帶來的盲區(qū)并且保證了車手以正常駕駛姿勢駕駛時(shí)，正前方的視野左右寬度至少90°、可視距離5m、可視高度2m，地面盲區(qū)長度在許可范圍內(nèi)，見圖9。

（2）側(cè)方及后方視野校核

綜合賽車跑道實(shí)際情況中車手的視野和汽車內(nèi)后視鏡安裝位置的相關(guān)要求。賽車風(fēng)窗玻璃后部向下有一個(gè)大的圓角，車手可以借助左右風(fēng)窗和頭部斜上方的室內(nèi)后視鏡及時(shí)了解到車后以及左右的情況，單側(cè)后視鏡鏡面面積48cm2（縱向60mm×橫向80mm）確保行車安全。

4.2.2 操作方便性校核

駕駛室手伸及面是指駕駛員以正常姿勢坐在座椅中、身系安全帶、一手握住方向盤時(shí)另一只手能伸及的最大空間界面。駕駛室內(nèi)的一切操縱扭件、桿件、開關(guān)等位置均應(yīng)在駕駛員手伸及界面之內(nèi)。由圖11看出駕駛室空間足夠大，駕駛員活動(dòng)自如，四肢自然伸直，可方便地觀看到方向盤上的儀表盤，坐姿舒適，操縱靈活。

4.2.3 安全性分析

為了提高安全性，車身結(jié)構(gòu)必須保證行駛時(shí)車手的頭盔前端位于前輪車軸的后方，在發(fā)生沖撞時(shí)車身結(jié)構(gòu)必須避免身體直接受到撞擊。在駕駛姿勢的狀態(tài)下，車身結(jié)構(gòu)要確保車手的腳不會(huì)伸到車架的前方，車底板不能完全與地面脫離。車手的臀部與地面保持60mm以上的距離且腳部有足夠的空間安放位置，座椅后方增加耐燃性材料（比如：石棉）制成的隔板，并且其高度必須高于發(fā)動(dòng)機(jī)以備在行駛過程中發(fā)生火災(zāi)等意外情況。發(fā)生緊急情況時(shí)，車手能夠從車內(nèi)打開風(fēng)窗玻璃很輕松的從賽車中逃出，如圖11所示。若車手受傷嚴(yán)重可從外部破壞性拆除風(fēng)窗玻璃。

5 車身制造工藝

車身流線型的曲面要求較高，在加工制造方面極具挑戰(zhàn)性，一般工藝難以達(dá)到要求。為節(jié)約成本，論文利用NX將設(shè)計(jì)出車身零部件的模具，再通過3D打印、數(shù)控銑削等手段制造出車身模具，最后由人工澆灌碳纖維混合漿料冷卻成型。該車隊(duì)在比賽中取得較好的成績，見圖12。

6 結(jié)論

論文通過理論分析探索出賽車節(jié)能的兩個(gè)方向：一是減小賽車行駛過程中的空氣阻力;二是降低賽車自身重量。運(yùn)用NX軟件正向設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)出賽車模型并進(jìn)行了校核分析，最終在比賽中也取得了理想的成績。有助于培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、掌握并運(yùn)用專業(yè)知識(shí)，同時(shí)，激發(fā)出他們對(duì)地球環(huán)境保護(hù)的熱情，繼承了大賽環(huán)保理念及挑戰(zhàn)精神。

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