基于新能源汽車技能大賽探索輕量化賽車制作的關(guān)鍵技術(shù)

蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 王 雄，韓 振

1 研究背景

車輛“輕量化”最開始是在賽車運動中提出的，車輛質(zhì)量輕了，可以獲得更好的操控性和加速性能。隨著“節(jié)能環(huán)保”意識的增強，“輕量化”技術(shù)被廣泛應(yīng)用到普通汽車領(lǐng)域，在提高操控性的同時汽車還能有出色的節(jié)油表現(xiàn)。汽車輕量化是在保證汽車整車強度和安全性能的前提下，盡可能降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗并降低排放。因此，國家從2019年開始舉辦汽車輕量化大賽，為全國高校提供了學(xué)習(xí)交流平臺，充分體現(xiàn)了以賽促教、以賽促學(xué)、以賽促改，賽課融通、賽訓(xùn)結(jié)合的理念，旨在通過大賽培養(yǎng)高素質(zhì)綜合性技能人才，實施技能強國戰(zhàn)略。

2 輕量化賽車制作技術(shù)對比分析

新能源汽車技能大賽是推進實施制造強國戰(zhàn)略的重要舉措。該賽項特別要求的是原創(chuàng)性，鼓勵參賽選手自己設(shè)計、加工和裝調(diào)，制作出結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)良、節(jié)能環(huán)保、安全可靠的比賽車輛。2020年我校首次參賽，通過對比各院校的參賽車輛，在45支參賽隊伍中，我校參賽車輛質(zhì)量排名前五。筆者認(rèn)為競賽車輛的質(zhì)量關(guān)鍵取決于車輛的設(shè)計和材料的選擇。

（1）材料選擇。根據(jù)規(guī)則要求車架采用下鋁、上鋼、復(fù)合材料覆蓋的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，鋁制地板框架；其他參賽隊采用了6063無縫鋁合金25 mm×25 mm×2 mm方管，而我校采用了6061無縫鋁合金25 mm×25 mm×2 mm方管，6061鋁管的焊接性能好，重量輕。車架材料要求必須用外徑至少25 mm、壁厚至少1.6 mm的管件制作，其他參賽隊則采用了25 mm×1.8 mm的鋼管，符合規(guī)則但是質(zhì)量重；筆者通過受力分析測試外徑25 mm、厚1.6 mm的4130管件即可通過車檢也能滿足強度要求，所以我校采用了25 mm×1.6 mm的4130鋼管制作車架，質(zhì)量輕、焊接性能好、強度高。

競賽規(guī)則要求車身面板的厚度不得小于1.0 mm，底板厚度不得小于2.0 mm；材料可以使用鋁合金板、鋼板、碳纖維板，80%的參賽隊使用了鋁合金板，鋁合金板價格低、制作方便、便于修改；而我校選用了碳纖維板覆蓋件，碳纖維板質(zhì)量輕、柔韌性好、強度高，有較高的韌性。

（2）車架設(shè)計。競賽規(guī)則要求車架的防滾架最高點距離車輛座椅下方，底板上平面的垂直距離不得小于950 mm；我校車輛是以駕駛?cè)说纳砀邽闇?zhǔn)，高度為952 mm；而其他參賽隊做的余量較大，導(dǎo)致質(zhì)量增加。駕駛?cè)宋恢米笥易o欄中心線的最大寬度不得小于1 000 mm；我校車輛的實際尺寸為1 010 mm，由于其他車輛的駕駛?cè)松聿穆耘炙砸笤黾映叽?，從而增加了車重；車輛橫向梁管件之間的垂直距離不得小于100 mm，由于我校駕駛?cè)松聿氖菪偤脻M足要求，其他參賽隊都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此要求，又導(dǎo)致了賽車質(zhì)量增加；車手以正常駕駛的姿勢坐在座艙內(nèi)，車手的肩部、軀干、臀部、大腿、膝蓋、手臂、手肘與防滾架管件中心構(gòu)成的內(nèi)側(cè)平面之間的距離不能小于100 mm；所有安全尺寸都與駕駛?cè)擞嘘P(guān)，我校以最小的安全尺寸設(shè)計了能通過車檢的競賽車輛，減輕了整車重量，實現(xiàn)了輕量化的目的，我校賽車外觀如圖1所示。

圖1 車架設(shè)計

（3）我校輕量化賽車設(shè)計亮點。賽車設(shè)計之初，筆者與同事進行了深入思考和討論，大量采用新型高強度輕型材料很容易實現(xiàn)賽車輕量化的目的，但是材料成本和特殊的加工工藝會使車輛從研發(fā)到生產(chǎn)的全過程中成本大幅度增加，綜合能耗也成倍增加。因此，車輛輕量化需要綜合考慮材料、加工工藝、安全、成本控制等各方面因素，做到合理輕量化。我校競賽車輛以中汽恒泰教育科技有限公司搭建的平臺為基礎(chǔ)，根據(jù)競賽規(guī)程及車手體格進行開發(fā)設(shè)計，運用三維軟件進行結(jié)構(gòu)、工藝優(yōu)化和仿真測試，測試結(jié)果完全滿足各項要求，保證整車安全使用。整車采用上鋼下鋁結(jié)構(gòu)、高強度輕質(zhì)合金材料、高強度復(fù)合材料和新型型材純手工打造而成，最大化地減輕了整車重量。整車車身采用薄壁高強度輕型合金鋼管加工而成，強度高重量輕，抗變形、抗沖擊能力強；底盤采用高強度鋁合金型材制作而成，抗腐蝕抗沖擊；車身覆蓋件采用碳纖維板裁剪制作，質(zhì)量輕風(fēng)阻小、免涂裝；座椅等附件采用工程塑料等輕質(zhì)高強度部件。整車根據(jù)不同部件和受力情況合理布局用材，達到“材盡其用”的效果，滿足了整車材料、工藝、安全等各項要求，最終實現(xiàn)了最優(yōu)性價比。

3 我校輕量化賽車加工工藝

（1）車身及底盤管材采用鎢極氬弧焊焊接工藝，在保證焊接強度的情況下盡量利用材料本身進行連接，減少焊材用量。

（2）合理減材。對輪轂、立柱、支架、吊耳、方向機、轉(zhuǎn)向節(jié)、座椅、支架等部件根據(jù)受力分析，采用車、銑、鉆、切、磨等工藝對部件冗余部分及邊角處進行加工，實現(xiàn)合理減小車身質(zhì)量。

（3）傳動系統(tǒng)齒輪組優(yōu)化加工。對車輛減速箱齒輪組通過車和鉆的加工工藝對齒輪進行了減重處理，車輛在每一次起步和加速的過程中，整個傳動系統(tǒng)的慣性阻力減少，提高了傳動系統(tǒng)的響應(yīng)性，實現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

（4）車輛組裝也是考驗整車各系統(tǒng)配合精度的重要環(huán)節(jié)。筆者嚴(yán)格按照仿真模擬操作步驟，使用專用工具規(guī)范有序操作。組裝順序為：鋁制底盤→車架→前后懸架→車輪→轉(zhuǎn)向系→減速箱→傳動軸→電機→電池→控制器→制動總泵→加速油門踏板→座椅→鼻翼及尾翼。

我校設(shè)計的賽車如圖2所示，整體結(jié)構(gòu)合理，外形美觀大方；車身部分采用絎架結(jié)構(gòu)、籠式結(jié)構(gòu)、利用三角支撐的方式強化車身強度；前懸架采用雙橫臂獨立懸架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足車輛操控性要求；后懸架由獨特的上叉臂和簡化的下擺臂構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡便，又能承受復(fù)雜的空間應(yīng)力變化；車輛轉(zhuǎn)向盤采用快拆結(jié)構(gòu)和獨特的可收縮方向管柱結(jié)構(gòu)，能最大程度地保護駕駛?cè)说娜松戆踩?；車輛采用前部扭力桿式防傾桿，可有效緩解車輛在高速轉(zhuǎn)向時的側(cè)傾現(xiàn)象，后部加裝瓦特連桿式防傾裝置，這種結(jié)構(gòu)是為了使左右兩側(cè)車輪一直與地面保持最佳接觸，產(chǎn)生最大抓地力，大大提高了車身的穩(wěn)定性和動力性，在提高賽車舒適性的同時加強車輛的循跡性；車輛避震采用FOX倒置式空氣彈簧避震器，其有效行程達到167 mm，車輛舒適性有很大提升，倒置式避震器有利于降低簧下質(zhì)量，懸掛反應(yīng)更靈敏，有利于車輛操控，而且倒置式避震器比傳統(tǒng)的正置式剛性更強，重量卻低于正置式，本車搭載的單個避震器質(zhì)量為1 800 g。

圖2 賽車整體結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

我校制作的新能源輕量化賽車通過輕量化技術(shù)方案設(shè)計與展示、車輛裝配與調(diào)試、車輛綜合性能測試三個項目的比拼，最終榮獲第二屆全國新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)技能大賽汽車裝調(diào)工（新能源汽車輕量化技術(shù)）（教師組）一等獎，筆者被授予“全國技術(shù)能手”榮譽稱號。此次比賽真正體現(xiàn)了以賽促學(xué)、以賽促教的職教觀，實現(xiàn)了理論與實踐相結(jié)合的目的。